CN107731924A - 一种黑磷场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑磷场效应晶体管及其制备方法，该黑磷场效应晶体管的结构从下至上依次为：背栅电极、栅介质层、黑磷有源层以及源‑漏电极。其中，栅介质层由热氧化的氧化硅介质层与原子层沉积的氮化铝介质层叠层构成，氮化铝位于氧化硅的上方。此外，原子层沉积的氧化铝钝化层将黑磷场效应晶体管完全覆盖。原子层沉积所生长的氮化铝表面形貌和粗糙度均可与生长前的氧化硅衬底相比拟，其加入提高了器件在高温下的稳定性；原子层沉积的氧化铝将黑磷场效应晶体管完全包围，使得黑磷有源层与外界环境隔绝，从而使得黑磷有源层的退化大大减缓，器件性能和稳定性均有明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制备技术领域，具体涉及一种二维材料黑磷场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
在半导体行业中，传统的硅基晶体管在三维的尺度上发展的非常成熟，但若按照摩尔定律和按比例微缩准则发展下去，晶体管将很快会达到其物理或材料极限，急需寻找可以替代的材料，二维材料就是其中极富潜力的发展方向之一。自2004年石墨烯发现以来，二维材料的研究热潮经久不衰。短短十年的时间，二维材料已由单一的石墨烯发展为二维材料的体系，其中不仅包含碳族元素化合物，还有氮化硼，过渡金属硫化物，以及黑磷等，所涵盖的元素周期表上的元素种类不断扩展，使得其研究深度和广度也不断加深和拓宽。
尽管石墨烯有着超高的迁移率，但是由于没有能带间隙，导致关态电流大，开关比(on/off)过小，无法用于实际的逻辑晶体管制造。而广泛研究的二硫化钼和钨化硒等过渡态金属硫化物虽然具有可观的光学能隙，单层能隙大于1.6eV，并具有非常高的开关比（可达108）和输出饱和特性（Ids-Vds输出特性），但是其载流子迁移率与石墨烯相比要低几个数量级，通常小于10-200cm2/Vs。实验中得到的载流子迁移率变化幅度很大，导致其器件性能起伏不定，因此也限制了电子器件的应用。
黑磷(black phosphorus)是继石墨烯和过渡态金属硫化物半导体材料之后发现的一种新型二维半导体材料。具有随厚度可调的直接带隙(0.3~2.0 eV)，较高的迁移率（>103 cm2/Vs）,具有广阔的应用前景；然而，黑磷在环境中的稳定性较差，容易与空气中的水和氧气反应生成磷氧化物，这也成为限制黑磷器件应用的一大因素，因而通过各种方式提高黑磷及其器件的稳定性也是现今的热门研究方向之一。
发明内容
本发明的目的是解决黑磷稳定性差的缺陷，提供一种二维材料黑磷场效应晶体管，其能增强黑磷材料在空气中的稳定性，以实现高性能、高稳定性的黑磷器件。
为达到上述目的，本发明提供了一种二维材料黑磷场效应晶体管，所述晶体管结构从下至上依次为：背栅电极、栅介质层、二维材料黑磷以及源-漏电极。氧化铝钝化层将黑磷场效应晶体管完全覆盖。
如上所述的黑磷场效应晶体管，其中，所述背栅电极是低阻硅衬底，电阻率<0.005Ω•cm。
上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述栅介质层为二氧化硅介质层和氮化铝介质层的叠层。此外，二氧化硅是通过热氧化制得的，厚度范围为280~310 nm；氮化铝是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述黑磷有源层的厚度为5~25 nm。
上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述源、漏电极可以选择的材料为Ni/Au、Cr/Au或者Ti/Au。
上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述氧化铝钝化层是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为10~30 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
本发明还提供了一种上述黑磷场效应晶体管的制备方法，其包含以下步骤：
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极，接着在其表面通过热氧化生长二氧化硅介质层，厚度范围为280~310 nm；然后采用原子层沉积工艺生长氮化铝介质层，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃；
步骤2、在氮化铝介质层上制备金属套刻标记，该套刻标记起到定位作用；
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄至若干黑磷层，并转移到带有金属套刻标记的氮化铝介质层上，挑选厚度为5~25 nm的黑磷层作为制作器件的黑磷有源层；
步骤4、在黑磷有源层表面通过电子束光刻和标记对准定义出源漏电极图形；接着电子束蒸发一层Ni/Au或Cr/Au或Ti/Au，然后通过丙酮剥离获得源漏电极，形成黑磷场效应晶体管；
步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长一层厚度范围为10~30 nm的氧化铝钝化层，生长温度范围为150~200 ℃。
较佳地，步骤2采用光刻、金属沉积和剥离工艺制备金属套刻标记。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
（1）本发明所制备的黑磷场效应晶体管的氧化铝钝化层将黑磷器件完全包围，因而可以实现器件与外界的完全隔离：减少了黑磷沟道与外界空气的接触，大大减缓了黑磷场效应晶体管的退化，覆盖氧化铝钝化层的黑磷器件可以在环境中保存6个月以上；减少了沟道对环境中的电荷俘获（该俘获是由于黑磷沟道层暴露在空气环境中，当施加电压应力时，易将空气中的离子或电子吸附和俘获到沟道层中，从而导致沟道难以关断以及阈值电压的偏移），从而增大了器件的开关电流比，减小了器件的滞回窗口（滞回窗口是施加电压应力后转移特性曲线的偏移，其减小意味着器件稳定性的提高），提高了器件的性能和稳定性；
（2）本发明采用的氮化铝介质，由于其良好的界面特性，使得器件的开关电流比增大，在高温下的开关电流比以及迁移率退化非常小，提高了黑磷场效应晶体管在高温环境下的稳定性；
（3）本发明所制备的黑磷场效应晶体管，其中氧化铝钝化层和氮化铝介质层均在150~200℃的低温下制备，将高温对黑磷材料的影响降到最小，同时也降低了器件制备的热预算。黑磷材料在高温下容易分解和氧化，氧化铝钝化层是在黑磷器件制备完成后生长的，因而高温会对黑磷器件产生影响；氮化铝在低温下生长虽然对于黑磷的转移并没有影响，但其优势一是降低了热预算，二是与现有的集成电路制造工艺的温度窗口兼容。
附图说明
图1 为黑磷场效应晶体管结构的剖面示意图。
图2a-d 为实施例1（图2a）、实施例2（图2c）以及对比例1（图2b）、对比例2（图2d）结构剖面示意图。
图3 为基于实施例1和对比例1的转移特性曲线图。
图4 为图2a所示结构的黑磷器件在氧化铝钝化层厚度分别为0 nm，10 nm，20 nm以及30 nm的滞回窗口变化示意图。
图5为基于实施例2和对比例2的载流子迁移率随温度变化曲线图
图6为基于实施例2和对比例2的器件开关电流比随温度变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明提供的一种二维材料黑磷场效应晶体管，所述晶体管结构从下至上依次为：背栅电极1、二氧化硅介质层2、氮化铝介质层3、二维材料黑磷有源层4以及源-漏电极5；其中，二氧化硅介质层2与氮化铝介质层3的叠层结构作为上述黑磷场效应晶体管的栅介质层。此外，氧化铝钝化层6将上述黑磷场效应晶体管完全覆盖。
所述背栅电极1优选低阻硅衬底，电阻率<0.005 Ω•cm。
所述的二氧化硅介质层是通过热氧化得到的，厚度范围为280~310 nm；氮化铝介质层3是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
所述的二维材料黑磷有源层4是通过微机械剥离的方式将块状黑磷减薄到少层，再转移到如前段所述的氮化铝介质层3上。所述黑磷有源层的厚度为5~25 nm。
所述源-漏电极5可以选择的材料为Ni/Au、Cr/Au或者Ti/Au。“/”表示两种金属叠层，其中Ni、Cr、Ti厚度约为5~20 nm，用作粘附层；Au约为60~100 nm，为电极层。
所述氧化铝钝化层6是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为10~30 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
本发明提供的黑磷场效应晶体管的制备方法，包含以下步骤：
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极1，接着在其表面通过热氧化生长二氧化硅介质层2，厚度范围为280~310 nm；然后采用原子层沉积工艺生长氮化铝介质层3（呈薄膜状，即氮化铝薄膜），厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
步骤2、在氮化铝介质3上采用光刻、金属沉积和剥离工艺获得金属套刻标记。
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄并转移到带有金属套刻标记的氮化铝薄膜上，然后通过显微镜找出合适厚度（厚度为5~25 nm，在光学显微镜下呈现浅蓝色或黄绿色）的黑磷层作为黑磷有源层4。该黑磷减薄的具体操作是用Scotch胶带将层状黑磷从块状黑磷上剥离下来，并通过反复粘贴将胶带上的黑磷减薄，再用聚二甲基硅氧烷（PDMS）将减薄后的黑磷从胶带上再次剥离，并转移到所述的氮化铝介质层上得到不同厚度的若干层（<200层，每层厚度大约为0.6 nm，优选9-42层）黑磷层，使用PDMS剥离的方法大大减少了氮化铝介质层表面上 Scotch胶的残留。传统方法是直接将带有黑磷的胶带粘在衬底上，因而会有很多胶的残留，使用PDMS转移黑磷能避免胶带与衬底的直接接触，从而减少了胶的残留。
步骤4、在黑磷有源层4表面通过电子束光刻和标记对准，定义出源-漏电极图形；接着电子束蒸发一层Ni/Au（Cr/Au或者Ti/Au），然后通过丙酮剥离获得源-漏电极5，从而构成黑磷场效应晶体管。
步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长一层厚度范围为10~30nm的氧化铝钝化层6，生长温度范围为150~200 ℃。
实施例1
具体制备流程如下：
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极1，接着在其表面通过热氧化生长厚度为285nm的二氧化硅介质层2。
步骤2、在二氧化硅介质层2上旋涂一层正性光刻胶（该光刻胶为正性光学光刻胶，通过紫外光曝光产生图形），然后进行光刻，定义出标记，接着用电子束蒸发的方法生长一层金属（Cr/Au），用丙酮剥离得到金属标记用于套刻。
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄并转移到带有金属标记的二氧化硅介质层2上，并通过显微镜找出合适厚度的黑磷有源层4（如，厚度为10 nm，其在显微镜下呈现浅蓝色）。
步骤4、在黑磷有源层4表面旋涂一层电子束光刻胶PMMA（polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯），通过标记对准，在选定的黑磷样品上通过电子束曝光（EBL）光刻定义出源漏电极图形；显影后用电子束蒸发生长一Ni/Au叠层，通过丙酮剥离获得源-漏电极5，构成黑磷场效应晶体管，如图2a所示。
步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长氧化铝钝化层6，每次生长10 nm，重复生长三次（也就是说钝化层6的厚度由10 nm增加到20 nm，最后增加到30nm），而且每次生长后均对器件性能进行测试，如图2a所示，生长温度为200 ℃。
对比例1
具体制备流程如下：
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极1，接着在其表面通过热氧化生长厚度为285 nm的二氧化硅介质层2。
步骤2、在二氧化硅介质层2上旋涂一层正性光刻胶，然后进行光刻，定义出标记，接着用电子束蒸发的方法生长一层金属（Cr/Au），用丙酮剥离得到标记用于套刻。
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄并转移到带有金属标记的衬底上，并通过显微镜找出合适厚度的黑磷有源层4（厚度约为10nm，在显微镜下呈现浅蓝色）。
步骤4、在黑磷有源层4表面旋涂一层电子束光刻胶PMMA，通过标记对准，在选定的黑磷样品上光刻，定义出源漏电极图形；显影后用电子束蒸发生长一Ni/Au叠层，通过丙酮剥离获得源-漏电极5，构成晶体管，如图2b所示。
图3为基于实施例1（30 nm氧化铝钝化层）和对比例1的转移特性曲线图。由图中可以看出，未加氧化铝钝化层的对比例1器件转移特性退化严重，器件制备完成后20小时内开关电流比下降了一个数量级；而覆盖了30 nm氧化铝钝化层的实施例1器件转移特性在覆盖氧化铝后六个月内转移特性基本没有退化。这说明氧化铝钝化层对于黑磷器件的稳定性提高有明显的作用。另外，图4展示了如图2a所示结构的黑磷器件在氧化铝钝化层厚度分别为0 nm，10 nm，20 nm以及30 nm的滞回窗口，由图可知滞回窗口随钝化层厚度增加而减小。此外，实验还发现改变黑磷的层数和宽长比，滞回窗口随钝化层厚度增加而减小的趋势保持不变。实施例1相对于对比例1，滞回窗口也有明显的下降。以源漏电流为2微安为截点，实施例1的滞回窗口仅为2伏特，而对比例1（氧化铝钝化层厚度为0）的滞回窗口则达到33伏特。实验结果进一步显示，滞回窗口会随覆盖氧化铝的厚度增加而逐渐减小，当氧化铝钝化层厚度达20~30nm时，滞回窗口基本稳定在最小值（1~2伏特）。综上所述，实施例1的性能和器件稳定性相对于对比例1均有明显的提升。
实施例2
具体制备流程如下：
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极1，接着在其表面通过热氧化生长厚度为285 nm的二氧化硅介质层2；然后采用原子层沉积方法制备氮化铝介质层3，厚度为10 nm，生长温度为200 ℃。
步骤2、在氮化铝介质层3上旋涂一层正性光刻胶，然后进行光刻，定义出标记；接着用电子束蒸发的方法生长一层金属（Cr/Au），用丙酮剥离得到标记用于套刻。
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄并转移到带有金属标记的氮化铝介质层3上，并通过显微镜找出合适厚度的黑磷有源层4（厚度为10 nm，在显微镜下呈现浅蓝色）。
步骤4、在黑磷有源层4表面旋涂一层电子束光刻胶PMMA，通过标记对准，在选定的黑磷样品上光刻，定义出源-漏电极；显影后用电子束蒸发生长一Ni/Au叠层，通过丙酮剥离获得源-漏电极5，构成黑磷场效应晶体管。
步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长一层厚度为30 nm的氧化铝钝化层6，如图2c所示，生长温度为200 ℃。
对比例2
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极1，接着在其表面通过热氧化生长厚度为285 nm的二氧化硅介质层2。
步骤2、在二氧化硅介质层2上旋涂一层正性光刻胶，然后进行光刻，定义出标记，接着用电子束蒸发的方法生长一层金属（Cr/Au），用丙酮剥离得到标记用于套刻。
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄并转移到带有金属标记的二氧化硅介质层2上，并通过显微镜找出合适厚度的黑磷有源层4（厚度为10nm，在显微镜下呈现浅蓝色）。
步骤4、在黑磷有源层4表面旋涂一层电子束光刻胶PMMA，通过标记对准，在选定的黑磷有源层上光刻，定义出源-漏电极；显影后用电子束蒸发生长一Ni/Au叠层，通过丙酮剥离获得源-漏电极5，构成黑磷场效应晶体管。
步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长一层厚度为30 nm的氧化铝钝化层6，如图2d所示，生长温度为200 ℃。
图5为基于实施例2和对比例2的载流子迁移率随温度变化曲线图。由图可见，生长了氮化铝介质层的实施例2在高温条件下载流子迁移率的退化很小；而未加氮化铝介质层的对比例2器件的载流子迁移率下降严重。图6为基于实施例2和对比例2的器件开关电流比随温度变化曲线图。由图可见，实施例2的开关电流比下降趋势与对比例2相较更加平缓。
综上所述，生长了氮化铝介质层的实施例2在高温下的开关电流比以及载流子迁移率退化均优于对比例2，说明氮化铝介质层对于黑磷场效应晶体管在高温环境下的稳定性提升明显。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种黑磷场效应晶体管，其特征在于，所述黑磷场效应晶体管结构从下至上依次为：背栅电极、栅介质层、黑磷有源层以及源-漏电极; 该黑磷场效应晶体管被氧化铝钝化层完全覆盖；所述的栅介质层由二氧化硅介质层和氮化铝介质层的叠层构成，其中，氮化铝介质层与黑磷有源层直接接触。
2.如权利要求1所述的黑磷场效应晶体管，其特征在于，所述背栅电极选择低阻硅衬底，电阻率<0.005 Ω•cm。
3.如权利要求3所述的黑磷场效应晶体管，其特征在于，所述的二氧化硅介质层是通过热氧化方法制得的，厚度范围为280~310 nm；氮化铝介质层是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
4.如权利要求3所述的黑磷场效应晶体管，其特征在于，所述黑磷有源层的厚度为5~25nm。
5.如权利要求1所述的黑磷场效应晶体管，其特征在于，所述源-漏电极选择Ni/Au、Cr/Au或者Ti/Au。
6.如权利要求1所述的黑磷场效应晶体管，其特征在于，所述氧化铝钝化层是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为10~30 nm，生长温度范围为150~200 ℃。
7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的黑磷场效应晶体管的制备方法，其特征在于，其包含以下步骤：
步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极，接着在其表面通过热氧化生长二氧化硅介质层，厚度范围为280~310 nm；然后采用原子层沉积工艺生长氮化铝介质层，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃；
步骤2、在氮化铝介质层上制备金属套刻标记；
步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄至若干黑磷层，并转移到带有金属套刻标记的氮化铝介质层上，挑选厚度为5~25 nm的黑磷层作为制作器件的黑磷有源层；
步骤4、在黑磷有源层表面通过电子束光刻和标记对准定义出源漏电极图形；接着电子束蒸发一层Ni/Au或Cr/Au或Ti/Au，然后通过丙酮剥离获得源漏电极，形成黑磷场效应晶体管；
步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长一层厚度范围为10~30 nm的氧化铝钝化层，生长温度范围为150~200 ℃。
8.如权利要求7所述的黑磷场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤2采用光刻、金属沉积和剥离工艺制备金属套刻标记。
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