CN111969058B - 一种二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件技术领域，具体公开了一种二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用，该二硫化钼场效应晶体管包括依次设置的衬底层、第一金属层、第一栅介质层与二硫化钼半导体薄膜层，二硫化钼半导体薄膜层两侧分别设有源接触电极与漏接触电极，第二、第三栅介质层以及第二金属层，第二金属层穿过第一栅介质层、第二和第三栅介质层与第一金属层接触。本发明实施例通过设置第一金属层与第二金属层分别作为底栅和顶栅来同时控制二硫化钼沟道，增强对沟道的静电控制能力，有助于进一步缩小尺寸，同时提升器件低功耗性能和高频性能表现，解决了现有二硫化钼场效应晶体管结构在低功耗性能和高频性能方面存在不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体是一种二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用。
背景技术
随着集成电路的工艺节点的持续缩短，短沟道效应以及栅极漏电等问题将愈发凸显，集成电路领域的硅工艺已经难以为继，对于硅材料，随着材料厚度的减薄，受介质散射效应影响，其迁移率急剧下降。而二硫化钼是一种在半导体器件领域极具应用潜力的二维材料，它能够在单化合原子层的厚度(约0.7nm)展现出绝佳的半导体性能。其中，二硫化钼场效应晶体管作为一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，可独立包装或在一个非常小的区域，也可是容纳一亿或更多的晶体管的集成电路的一部分。
现阶段二硫化钼场效应晶体管的器件结构设计主要有两种，一种是采用底栅结构或者称为背栅结构，另一种二硫化钼晶体管栅极结构为顶栅结构。其中，顶栅结构使用栅极面积较小的局域栅，同时通常采用较薄的高介电常数栅极介质，对应二硫化钼晶体管通常具有较大接触电阻，进而影响器件高频性能表现。而采用背栅结构的器件具有加工过程简单的特点，是研究二硫化钼材料性能的首选结构，可以通过栅极调控对源漏接触电极区域进行电学掺杂，有助于降低器件的接触电阻。但是，背栅结构也有它的一些明显缺点，首先，背栅器件的栅极是对整个样品进行作用，难以实现对单个器件的局域控制，对于器件的大规模集成非常不利；其次，通常背栅器件的栅介质厚度为90nm或者300nm的二氧化硅，需要较大的栅极电压范围才能够实现对器件输运特性的有效调控，功耗过大。此外，由于栅极面积较大，背栅器件的栅极漏电流也较大，不适用于大规模集成电路的生产。
随着技术的进步发展，低功耗和高频高速器件是未来晶体管急需解决的重要问题，也是目前的技术难点，是实现二硫化钼大规模集成电路的重大挑战。然而，对于高频应用，需要器件具有较低的栅极电阻和接触电阻，以提升其截止频率和最大振荡频率。此外，对于低功耗应用，也需要进一步增强栅极对沟道区域的静电控制能力。
但是，以上的技术方案在实际使用时存在以下不足：现有的二硫化钼场效应晶体管结构在二硫化钼晶体管的低功耗性能和高频性能方面存在不足，性能无法与现阶段硅工艺匹配，以直接应用于二硫化钼大规模集成电路的生产。因此，需要设计满足以上这些要求的二硫化钼场效应晶体管。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种二硫化钼场效应晶体管，以解决上述背景技术中提出的现有二硫化钼场效应晶体管结构在低功耗性能和高频性能方面存在不足的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种二硫化钼场效应晶体管，具体是一种基于双局域栅的二硫化钼场效应晶体管，所述二硫化钼场效应晶体管包括：
衬底层以及依次设置在所述衬底层上的第一金属层、第一栅介质层与二硫化钼半导体薄膜层，所述二硫化钼半导体薄膜层远离所述衬底层的一侧分别对称设置有源接触电极与漏接触电极；以及第二金属层，所述第二金属层通过叠层绝缘栅极介质和第一栅介质层与所述第一金属层接触。
作为本发明进一步的方案：所述叠层绝缘栅极介质包括依次设置的第三栅介质层(具体是氧化铪介质层)与第二栅介质层(具体是氧化铝介质层)，所述第三栅介质层一侧与所述第二金属层接触。
作为本发明再进一步的方案：所述第三栅介质层的材料是氧化铪，且厚度为10-12nm，所述第二栅介质层的材料是氧化铝，且厚度为5-7nm。
优选的，所述第三栅介质层的材料是氧化铪，且厚度为11nm，所述第二栅介质层的材料是氧化铝，且厚度为6nm。
作为本发明再进一步的方案：所述衬底层的厚度为475-525μm。
作为本发明再进一步的方案：所述第一金属层是镍金堆叠形成，且在所述第一金属层中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm。
作为本发明再进一步的方案：所述第二金属层是镍金堆叠形成，且在所述第二金属层中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm。
优选的，所述第一金属层是镍金堆叠形成，且在所述第一金属层中，镍金堆叠的镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm；所述第二金属层是镍金堆叠形成，且在所述第二金属层中，镍金堆叠的镍层厚度为20nm，金层厚度为 60nm。
作为本发明再进一步的方案：所述第一栅介质层是采用高介电材料，所述高介电材料是指介电常数高于二氧化硅(二氧化硅的介电常数为3.7)的材料，所述第一栅介质层的厚度是8-12nm。
优选的，所述第一栅介质层的材料为HfLaO，其厚度为10nm。
作为本发明再进一步的方案：所述二硫化钼半导体薄膜层可形成导电沟道，且所述导电沟道的厚度为0.7-3nm，对应的，所述二硫化钼半导体薄膜层的层数为1-4层。
作为本发明再进一步的方案：所述源接触电极与漏接触电极均是镍金堆叠形成，且在所述源接触电极与所述漏接触电极中，镍金堆叠的镍层厚度为 18-22nm，金层厚度为55-65nm。
优选的，所述源接触电极与漏接触电极均是镍金堆叠形成，且在所述源接触电极与所述漏接触电极中，镍金堆叠的镍层厚度为20nm，金层厚度为 60nm。
作为本发明进一步的方案：所述第一金属层与第二金属层通过通孔连接，形成一个统一栅极，以控制沟道区域二硫化钼的开通和关断。
本发明实施例的另一目的在于提供一种二硫化钼场效应晶体管的制备方法，所述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：
将衬底层依次进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，生成镍金堆叠的第一金属层；
在所述第一金属层表面进行原子层沉积来生长HfLaO，以形成第一栅介质层；
将采用化学气相沉积制备的二硫化钼薄膜与第一栅介质层表面进行贴合并加热，以生长在第一栅介质层上，形成二硫化钼半导体薄膜层；
在所述二硫化钼半导体薄膜层上依次进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，分别生成镍金堆叠的源接触电极与镍金堆叠的漏接触电极；
在所述二硫化钼半导体薄膜层上未生成源接触电极与漏接触电极的区域进行电子束曝光和电子束蒸发以生长铝，并进行氧化形成第二栅介质层；
在所述第二栅介质层上进行原子层沉积来生长氧化铪，以形成第三栅介质层；
在所述第三栅介质层上依次进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，生成镍金堆叠的第二金属层，得到所述二硫化钼场效应晶体管。
作为本发明再进一步的方案：在所述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法中，还包括通过刻蚀形成通孔，以使所述第一金属层与第二金属层通过通孔连接形成一个统一栅极的步骤。
作为本发明再进一步的方案：所述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：
(1)将厚度为500±25μm的衬底层(硅片衬底)采用标准的RCA清洗工艺(即RCA标准清洗法，是1965年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton 的RCA实验室首创)去除硅片衬底表面的杂质和有机残留以及自然氧化物，再用氮气枪吹干备用；
(2)结合现有技术中的电子束曝光工艺、电子束蒸发工艺以及剥离工艺，在所述衬底层(硅片衬底)上依次通过进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，获得镍金堆叠的第一金属层；
(3)使用原子层沉积技术在制备有第一金属层(底栅金属电极)的样品表面进行原子层沉积来生长HfLaO，形成第一栅介质层；
(4)将化学气相沉积制备的二硫化钼薄膜进行贴合并加热，以生长在第一栅介质层上，形成二硫化钼半导体薄膜层，具体的是，采用溶液法辅助转移化学气相沉积大面积制备的二硫化钼薄膜至上述生长有第一栅介质层的衬底层上；
(5)重复步骤(2)制备晶体管源漏叠层接触电极(即源接触电极与漏接触电极)，具体是，在所述二硫化钼半导体薄膜层上依次通过进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，获得镍金堆叠的源接触电极与漏接触电极；
(6)在所述二硫化钼半导体薄膜层上未具有源接触电极与漏接触电极的区域进行电子束曝光和电子束蒸发以生长铝，并进行氧化形成第二栅介质层，具体的，结合电子束曝光和电子束蒸发工艺，在二硫化钼沟道区域表面生长铝，利用热板加热氧化形成第二栅介质层；
(7)在前述样品上采用原子层沉积的方式进行原子层沉积，生长氧化铪，以形成第三栅介质层，并最终形成氧化铝/氧化铪叠层绝缘栅极介质；需要说明的是，所述第三栅介质层的两端是分别贴着源接触电极5与漏接触电极6 表面进行延伸并延伸至所述源接触电极5(或漏接触电极6)远离所述衬底层 1的一侧侧面；
(8)结合电子束曝光和电感耦合式等离子体刻蚀设备将介质层刻蚀出通孔，露出下层第一金属层，以使所述第一金属层与第二金属层通过通孔连接，形成一个统一栅极；
(9)重复步骤(2)制备顶栅金属电极(即第二金属层)，具体是，在所述第三栅介质层上依次通过进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，获得镍金堆叠的第二金属层，最终得到所述二硫化钼场效应晶体管。
本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法制备得到的二硫化钼场效应晶体管。
作为本发明再进一步的方案：本发明实施例提供一种电子器件，部分包含上述的二硫化钼场效应晶体管。
本发明实施例的另一目的在于提供上述的二硫化钼场效应晶体管在集成电路生产中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种二硫化钼场效应晶体管包括衬底层以及依次设置在所述衬底层上的第一金属层、第一栅介质层与二硫化钼半导体薄膜层，所述二硫化钼半导体薄膜层远离所述衬底层的一侧分别对称设置有源接触电极与漏接触电极；以及第二金属层，所述第二金属层通过叠层绝缘栅极介质与所述源接触电极以及所述漏接触电极接触，所述叠层绝缘栅极介质包括依次设置的第二栅介质层与第三栅介质层；通过设置了第一金属层与第二金属层分别作为底栅和顶栅来同时控制二硫化钼场效应晶体管的二硫化钼沟道，增强对沟道的静电控制能力，有助于进一步缩小尺寸；同时还可以有效降低栅极电阻，降低器件功耗和提升器件高频性能表现。而提供的制备方法可以与现有工艺兼容，制备的二硫化钼场效应晶体管相比于现有产品有效提升了二硫化钼晶体管的低功耗性能和高频性能，可以直接应用于二硫化钼大规模集成电路的生产，解决了现有二硫化钼场效应晶体管结构在低功耗性能和高频性能方面存在不足的问题。
附图说明
图1示意性地图示了本发明一实施例提供的二硫化钼场效应晶体管的垂直栅极剖面图，
图2示意性地图示了本发明一实施例提供的二硫化钼场效应晶体管的平行栅极剖面图。
图3示意性地图示了本发明一实施例提供的二硫化钼场效应晶体管的制备方法的工艺流程步骤示意图。
图中：1-硅衬底；2-第一金属层；3-第一栅介质层；4-二硫化钼半导体薄膜层；5-源接触电极；6-漏接触电极；7-第二栅介质层；8-第三栅介质层； 9-第二金属层；10-通孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。为了使本发明的技术方案更加清楚，本领域熟知的工艺步骤及器件结构在此省略。应理解的是，相同的符号始终代表相同的要素。进而，在附图中的各种要素和区域是概略地图示的。因此，本发明的概念不限于显示在附图中的相对大小或间隔。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
除非明确地另有所指，否则单数形式的表达还包括复数形式的表达。在本申请中，“包括”或“具有”等的表达应理解为用于制定记载于说明书中的特征、数量、步骤、动作、构成要素、部件，或其组合的存在，而不是提前排除一个或更多其他特征、数量、动作、构成要素、部件，或其组合的存在或附加的可能性。在可以不同地实现有些实施例的情况下，可以与描述顺序不同地进行特定工艺。例如，被连续描述的两个工艺在实际上可以被同时进行，也可以与描述的顺序相反的顺序进行。
以下结合附图和具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1-2所示，为本发明一个实施例提供的一种二硫化钼场效应晶体管的剖面结构示意图，其中，图1是所述二硫化钼场效应晶体管的垂直栅极剖面图，图2是所述二硫化钼场效应晶体管的平行栅极剖面图。
具体的，所述二硫化钼场效应晶体管包括：
衬底层1(具体是硅片衬底，也可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化物等常见的半导体的衬底材料)以及依次设置在所述衬底层1上的第一金属层2(具体是底栅金属电极)、第一栅介质层3与二硫化钼半导体薄膜层4，所述二硫化钼半导体薄膜层4远离所述衬底层1的一侧分别对称设置有源接触电极5 与漏接触电极6；以及
第二金属层9(具体是顶栅金属电极)，所述第二金属层9通过叠层绝缘栅极介质(具体是氧化铝/氧化铪叠层顶栅介质)和第一栅介质层与第一金属层接触。
在本发明实施例中，通过设置第一金属层2与第二金属层9分别作为底栅和顶栅来同时控制二硫化钼场效应晶体管的二硫化钼沟道，增强栅极对沟道的静电控制能力，有助于进一步缩小二硫化钼场效应晶体管栅极尺寸；同时，本结构设计还可以有效降低器件栅极电阻，提升器件高频性能表现。而提供的制备方法可以与现有工艺兼容，制备的二硫化钼场效应晶体管相比于现有产品有效提升了二硫化钼晶体管的低功耗性能和高频性能，与现阶段硅工艺兼容，可以直接应用于二硫化钼大规模集成电路的生产。
在本发明的一个实例中，所述叠层绝缘栅极介质包括依次设置的第三栅介质层8(具体是氧化铪介质层)与第二栅介质层7(具体是氧化铝介质层)，所述第三栅介质层8一侧与所述第二金属层9接触。
在本发明的又一个实例中，所述第三栅介质层8的材料是氧化铪，且厚度为10-12nm，所述第二栅介质层7的材料是氧化铝，且厚度为5-7nm。
优选的，所述第三栅介质层8的材料是氧化铪，且厚度为11nm，所述第二栅介质层7的材料是氧化铝，且厚度为6nm。
在本发明的又一个实例中，所述衬底层1的厚度为475-525μm。
在本发明的又一个实例中，所述第一金属层2是镍金堆叠形成，且在所述第一金属层2中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm。
在本发明的又一个实例中，所述第二金属层9是镍金堆叠形成，且在所述第二金属层9中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm。
优选的，所述第一金属层2是镍金堆叠形成，且在所述第一金属层2中，镍金堆叠的镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm；所述第二金属层9是镍金堆叠形成，且在所述第二金属层9中，镍金堆叠的镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm。
在本发明的又一个实例中，所述第一栅介质层3是采用高介电材料，所述高介电材料是指介电常数高于二氧化硅(二氧化硅的介电常数为3.7)的材料，所述第一栅介质层3的厚度是8-12nm。
优选的，所述第一栅介质层3的材料为HfLaO，其厚度为10nm。
在本发明的又一个实例中，所述二硫化钼半导体薄膜层4上可形成导电沟道，且所述导电沟道的厚度为0.7-3nm，对应的，所述二硫化钼半导体薄膜层4的层数为1-4层。
在本发明的又一个实例中，所述源接触电极5与漏接触电极6均是镍金堆叠形成，且在所述源接触电极5与所述漏接触电极6中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm。
优选的，所述源接触电极5与漏接触电极6均是镍金堆叠形成，且在所述源接触电极5与所述漏接触电极6中，镍金堆叠的镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm。
在本发明的又一个实例中，所述第一金属层2与第二金属层9通过通孔 10连接，形成一个统一栅极，以控制沟道区域二硫化钼的开通和关断。
在本发明的又一个实例中，还提供一种二硫化钼场效应晶体管的制备方法，所述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：
(1)将厚度为500±25μm的衬底层1(硅片衬底)采用标准的RCA清洗工艺(即RCA标准清洗法，是1965年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton 的RCA实验室首创)去除硅片衬底表面的杂质和有机残留以及自然氧化物，再用氮气枪吹干备用；
(2)结合现有技术中的电子束曝光工艺、电子束蒸发工艺以及剥离工艺，在所述衬底层1(硅片衬底)上依次通过进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，获得镍金堆叠的第一金属层2，其中镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm；
(3)使用原子层沉积技术在制备有第一金属层2(底栅金属电极)的样品表面进行原子层沉积来生长10nm厚的HfLaO，形成第一栅介质层3；
(4)将化学气相沉积制备的二硫化钼薄膜进行贴合并加热，以生长在第一栅介质层3上，形成二硫化钼半导体薄膜层4，具体的是，采用溶液法辅助转移化学气相沉积大面积制备的二硫化钼薄膜至上述生长有第一栅介质层3的衬底层1上；
(5)重复步骤(2)制备晶体管源漏叠层接触电极(即源接触电极5与漏接触电极6)，具体是，在所述二硫化钼半导体薄膜层4上依次通过进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，获得镍金堆叠的源接触电极5与漏接触电极6，其中镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm；
(6)在所述二硫化钼半导体薄膜层4上未具有源接触电极5与漏接触电极 6的区域进行电子束曝光和电子束蒸发以生长铝，并进行氧化形成第二栅介质层7，具体的，结合电子束曝光和电子束蒸发工艺，在二硫化钼沟道区域表面生长2nm厚的铝，利用热板90℃加热氧化形成6nm厚的第二栅介质层7；
(7)在前述样品上采用原子层沉积的方式进行原子层沉积，生长11nm厚的氧化铪，以形成第三栅介质层8，并最终形成氧化铝/氧化铪叠层绝缘栅极介质；需要说明的是，所述第二栅介质8的两端是分别贴着源接触电极5与漏接触电极6表面进行延伸并延伸至所述源接触电极5(或漏接触电极6)远离所述衬底层1的一侧侧面；
(8)结合电子束曝光和电感耦合式等离子体刻蚀设备将介质层刻蚀出通孔10，露出下层第一金属层2，以使所述第一金属层2与第二金属层9通过通孔10连接，形成一个统一栅极；
(9)重复步骤(2)制备顶栅金属电极(即第二金属层9)，具体是，在所述第三栅介质层8上依次通过进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，获得镍金堆叠的第二金属层9，其中镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm，最终得到所述二硫化钼场效应晶体管。
在本发明的另一个实施例中，所述二硫化钼场效应晶体管的构成如图1 和图2所示，包括依次设置的衬底层1(硅衬底)，厚度为500±25μm；镍金堆叠的第一金属层2，形成底栅金属电极，其中镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm；第一栅介质层3，采用高介电常数材料，作为底栅栅介质层；二硫化钼半导体薄膜层4，厚度为0.7-3nm；二硫化钼半导体薄膜层4上设有镍金堆叠的源接触电极5和镍金堆叠的漏接触电极6，其中镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm；6nm厚的第二栅介质层7，材料是氧化铝；第三栅介质层8，材料是氧化铪；镍金堆叠的第二金属层9，作为顶栅金属电极，其中镍层厚度为20nm，金层厚度为60nm。特别地，底栅金属电极和顶栅金属电极通过刻蚀形成的通孔10连接，形成一个统一栅极，控制沟道区域二硫化钼的开通和关断。
在本发明的一个实施例中，参照图3所示，还提供了一个上述实施例提供的二硫化钼场效应晶体管的制备方法，具体的，图3所示为本发明一实施例提供的二硫化钼场效应晶体管的制备方法的工艺流程步骤示意图，用于说明本发明的二硫化钼场效应晶体管如何进行制备。
在本实施例中，所述二硫化钼场效应晶体管的制备方法的工艺流程步骤包括：
步骤1：准备硅片衬底
将厚度为500±25μm的硅衬底采用标准的RCA清洗工艺去除硅片表面的杂质和有机残留以及自然氧化物，再用氮气枪吹干备用。
步骤2：制备底栅金属电极
2a)在上述清洗完成的硅片上旋涂一定厚度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯) 电子束光刻胶，其中旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为60s，随后使用热板 180℃加热90s，形成光刻胶层。
2b)采用电子束光刻的方法在上述匀有PMMA电子束光刻胶的衬底上制备一定宽度和长度的带状电极图案，并使用对应的显影液显现带状电极图案。
2c)在上述样品上采用电子束蒸发工艺生长镍金叠层金属作为底栅电极，工作真空小于9×10-6Torr。其中镍厚度为20nm，生长速率为
金的厚度为60nm，生长速率为
2d)将步骤2c)中带有镍金叠层金属的样品浸泡在50℃的丙酮中30mi n，剥离形成底栅电极。
步骤3：制备高介电常数底栅介质(第一栅介质层3)
使用原子层沉积技术在制备有底栅电极的样品表面生长10nm的HfLaO，其中，生长温度为300℃，TEMAHf(Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium) 是Hf的前驱体,La((iPr2N)2CH)3和O3分别是La和氧的前驱体。
步骤4：溶液法转移二硫化钼(MoS2)薄膜
4a)将带有二硫化钼薄膜的生长衬底以500rpm的转速旋涂PMMA保护层，时间为50s，随后利用热板在120℃的温度下加热5min，使PMMA固化。
4b)将匀好PMMA的生长衬底放入盛有辅助转移液的烧杯中，待PMMA/MoS2薄膜与生长衬底分离。
4c)将PMMA/MoS2薄膜使用步骤3中生长有HfLaO介质的衬底捞出，使用氮气枪轻吹样品表面，增强PMMA/MoS2薄膜与衬底的贴合。使用热板在120℃的条件下加热5min，进一步增强薄膜与衬底的贴合。
4d)将样品放入丙酮，浸泡一段时间将PMMA除去，随后使用异丙醇浸泡样品对其进一步的清洗，使用氮气枪吹干样品。
步骤5：微纳加工制备源漏叠层接触电极
5a)在转移有MoS2薄膜的硅片上旋涂一定厚度的PMMA电子束光刻胶，其中旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为60s，随后使用热板180℃加热90s，形成光刻胶层。
5b)采用电子束光刻的方法在上述匀有PMMA电子束光刻胶的衬底上制备一定宽度和长度的带状电极图案，并使用对应的显影液显现该带状电极图案。
5c)在上述样品上采用电子束蒸发工艺生长镍金叠层金属作为源漏接触电极，工作真空小于9×10-6Torr。其中镍厚度为20nm，生长速率为
金的厚度为60nm，生长速率为
5d)将带有镍金叠层金属的样品浸泡在50℃的丙酮中30min，剥离形成源漏金属电极。
步骤6：形成氧化铝叠层顶栅介质层
6a)将上述制备有源漏金属电极的样品依次旋涂PMMA，进行电子束曝光并显影，形成一定宽度和长度的带状图案。
6b)在上述样品上采用电子束蒸发工艺生长厚度为2nm金属铝膜，工作真空小于9×10-6Torr，生长速率为
6c)将上述样品放置在热板上90℃加热5min，将铝膜氧化成氧化铝介质层。
步骤7：形成氧化铪叠层顶栅介质层
在前述样品上采用原子层沉积的方式生长一定厚度的氧化铪作为绝缘栅极介质，其中生长腔体温度为90℃，铪源和氧源分别为TEMAHf和O3。
步骤8：刻蚀底栅介质形成通孔
8a)在上述样品旋涂一定厚度的Zep520电子束光刻胶，其中旋涂速度为 4000rpm，旋涂时间为60s，随后使用热板180℃加热180s，形成光刻胶层。
8b)采用电子束光刻的方法在上述匀有Zep520电子束光刻胶的衬底上制备一定宽度和长度的带状图案，并使用对应的显影液显现带状图案。
8c)在上述样品上采用电感耦合式等离子体刻蚀设备将介质层刻蚀出通孔，漏出下层底栅金属电极。
步骤9：制备叠层顶栅金属电极
采用电子束曝光和电子束蒸发工艺，在前述样品上制备顶栅金属电极，所采用的金属为镍金堆叠结构，其中镍厚度为20nm，金的厚度为60nm。
在本发明实施例中，使用氧化铝/氧化铪叠层介质层作为栅极介质，解决了直接在二维硫化钼材料表面原子层沉积高介电常数栅极介质的困难，有益于实现均匀致密高质量二硫化钼栅极介质的制备。
此外，本发明在制备二硫化钼场效应晶体管时，通过底栅和顶栅同时控制二硫化钼沟道，增强栅极对沟道的静电控制能力，有助于进一步缩小二硫化钼晶体管栅极尺寸。同时，双局域栅结构设计还可以有效降低器件栅极电阻，有益于提升器件高频性能表现。本发明的二硫化钼场效应晶体管结构，有助于提升二硫化钼晶体管的低功耗和高频性能，与现阶段硅工艺兼容，可以直接应用于二硫化钼大规模集成电路的生产。
本发明中，使用氧化铝和氧化铪结合充当栅极介质，解决了直接在二维硫化钼材料表面原子层沉积高介电常数栅极介质的困难，有益于实现均匀致密高质量二硫化钼栅极介质的制备。
进一步地，本发明还具有诸多特点和优点，例如，本发明可以通过控制底栅电极与源漏电极的交叠距离，实现对源漏接触区域接触电阻的调控，有益于降低二硫化钼晶体管的接触电阻，提升二硫化钼晶体管的直流性能表现。
需要说明的是，低功耗和高频高速器件是未来晶体管急需解决的重要问题，也是目前的技术难点，是实现二硫化钼大规模集成电路的重大挑战。然而，对于高频应用，需要器件具有较低的接触电阻和栅极电阻，以提升其截止频率和最大振荡频率。此外，对于低功耗应用，也需要进一步增强栅极对沟道区域的静电控制能力。本发明针对现有的二硫化钼晶体管结构设计存在的问题和缺点进行研发、改进，设计一种二硫化钼双局域栅场效应晶体管，通过底栅和顶栅同时控制二硫化钼沟道，增强栅极对沟道的静电控制能力，进一步缩小二硫化钼晶体管栅极尺寸。同时，双局域栅结构设计还可以有效降低器件栅极电阻，提升器件高频性能表现。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制，通过参照典型实施列对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按照规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种二硫化钼场效应晶体管，包括位于半导体元件一侧表面的电极焊垫，其特征在于，所述二硫化钼场效应晶体管还包括：
衬底层以及依次设置在所述衬底层上的第一金属层、第一栅介质层与二硫化钼半导体薄膜层，所述二硫化钼半导体薄膜层远离所述衬底层的一侧分别设置有源接触电极与漏接触电极；以及第二金属层，所述第二金属层通过叠层绝缘栅极介质和第一栅介质层与所述第一金属层接触，所述叠层绝缘栅极介质包括依次设置的第二栅介质层与第三栅介质层；
所述第三栅介质层一侧与所述第二金属层接触，所述第三栅介质层的材料是氧化铪，且厚度为10-12nm，所述第二栅介质层的材料是氧化铝，且厚度为5-7nm；
所述衬底层的厚度为475-525μm；
所述第一金属层是镍金堆叠形成，且在所述第一金属层中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm；所述第二金属层是镍金堆叠形成，且在所述第二金属层中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm；
所述第一栅介质层采用介电常数高于二氧化硅的材料，所述第一栅介质层的厚度是8-12nm；
所述源接触电极与漏接触电极均是镍金堆叠形成，且在所述源接触电极与所述漏接触电极中，镍金堆叠的镍层厚度为18-22nm，金层厚度为55-65nm；
所述第一金属层与第二金属层通过通孔连接，形成一个统一栅极。
2.一种如权利要求1所述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬底层依次进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，生成镍金堆叠的第一金属层；
在所述第一金属层表面进行原子层沉积来生长HfLaO，以形成第一栅介质层；
将采用化学气相沉积制备的二硫化钼薄膜与第一栅介质层表面进行贴合并加热，以形成二硫化钼半导体薄膜层；
在所述二硫化钼半导体薄膜层上依次进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，分别生成镍金堆叠的源接触电极与镍金堆叠的漏接触电极；
在所述二硫化钼半导体薄膜层上未生成源接触电极与漏接触电极的区域进行电子束曝光和电子束蒸发以生长铝，并进行氧化形成第二栅介质层；
在所述第二栅介质层上进行原子层沉积来生长氧化铪，以形成第三栅介质层；
通过刻蚀形成通孔，以使所述第一金属层与第二金属层通过通孔连接形成一个统一栅极；
在所述第三栅介质层上依次进行电子束曝光、电子束蒸发以及剥离，生成镍金堆叠的第二金属层，得到所述二硫化钼场效应晶体管。
3.一种采用权利要求2所述的二硫化钼场效应晶体管的制备方法制造得到的二硫化钼场效应晶体管。
4.一种如权利要求1或2或3所述的二硫化钼场效应晶体管在集成电路生产中的应用。
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