CN115513294A - 一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管及其制备方法，属于半导体器件技术领域。器件包括：p型掺杂硅衬底、设置在所述p型掺杂硅衬底上的二氧化硅栅介质、设置在所述二氧化硅栅介质上的3R相双层二硒化钨沟道材料及设置在所述3R相双层二硒化钨沟道材料表面的源漏电极。同时还提出了一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管制备方法。本发明制备的基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管能够提升场效应晶体管的电学性能，有利于未来过渡金属硫属族化合物的大规模器件集成。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
二维(2D)过渡金属二硫族化合物(TMDC)由于其在光电子学和10纳米以下晶体管中的潜在应用而成为重点研究的对象。二硒化钨作为过渡金属二硫族化合物材料之一，具有双极传输行为，在集成电路中具有广泛的运用前景。双层二硒化钨可以超越单层可以提供更好的与金属接触和更少的界面散射，具有更高的载流子迁移率和更小的禁带宽度，同时保持超薄的性质。
现有技术中，2H堆叠作为多种堆叠结构中最稳定的结构，同时也是最容易获得的堆叠结构，一直被认为是沟道材料的主要选择，但是经本发明的研究，但是现有的场效应晶体管器件的电学性能可待提升。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管及其制备方法，其目的在于提升场效应晶体管的电学性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管，包括：p型掺杂硅衬底、设置在所述p型掺杂硅衬底上的二氧化硅栅介质、设置在所述二氧化硅栅介质上的3R相双层二硒化钨沟道材料及设置在所述3R相双层二硒化钨沟道材料表面的源漏电极。
进一步地，所述3R相双层二硒化钨沟道材料的厚度为1.4纳米。
进一步地，所述二氧化硅栅介质的厚度为5-300纳米。
进一步地，所述源漏电极包括底层接触金属和上层金属；
所述底层接触金属材料为镍、铂、钯中的一种；
所述上层金属材料为金、银、钯、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种。
进一步地，所述底层接触金属材料为10-30纳米厚度的镍，所述上层金属材料为30-60纳米厚度的金。
按照本发明的另一方面，提供了一种如第一方面任意一项所述的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管的制备方法，所述方法包括：
步骤S1、清洗具有p型掺杂且表面为二氧化硅的硅衬底，高温快速退火；
步骤S2、采用盐辅助化学气相沉积生长3R相与2H相的双层二硒化钨；
步骤S3、对所述3R相与2H相的双层二硒化钨制备标记层；
步骤S4、隔离区域刻蚀，包括：利用标记层定位3R相双层二硒化钨的位置，在所述3R相双层二硒化钨的表面定义有源区和隔离区；
步骤S5、在所述3R相双层二硒化钨表面制备源漏电极。
进一步地，步骤S1中，对所述硅衬底进行高温快速退火过程中，使用高温快速退火炉装置，退火温度850-1050摄氏度，退火时间为1分钟。
进一步地，步骤S4中，所述刻蚀为反应离子刻蚀。
进一步地，步骤S2中，所述盐辅助化学气相沉积的条件参数为：氯化钾质量0～5毫克，二氧化钨质量30～50毫克，硫单质粉末质量为100～300毫克，生长温度850～1050摄氏度，通入90～110标准流量的氩气及8～12标准流量的氢气，生长压强1000～2500帕，生长时间10～20分钟。
进一步地，步骤S3中，所述标记层的材料包括底层接触金属和上层金属：底层接触金属为20纳米镍，上层金属为40纳米金。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出了在基于双层二硒化钨来制备场效应晶体管时，定向选择3R相的双层二硒化钨作为沟道材料以提升场效应晶体管的电学性能，并保持器件性能的一致性，弥补了现有技术中针对沟道材料的堆叠结构缺少主观选择的缺陷；同时，现有技术中，双层二硒化钨具有多种堆叠结构，但是化学气相沉积方法获得的双层二硒化钨绝大部分都为0度转角的3R堆叠和60度转角的2H堆叠，其他双层结构由于稳定性差无法可控的得到，2H堆叠作为多种堆叠结构中最稳定的结构，同时也是最容易获得的堆叠结构，一直被认为是沟道材料的主要选择，本发明否定了更稳定的结构代表着更好的电子特性，也否定了层数相同但是堆叠结构不同都具有一致的电子特性这一技术认知，克服了技术偏见，选择使用电学特性更好的3R堆叠作为场效应晶体管的沟道材料，进而提升了场效应晶体管的电学性能，有利于未来过渡金属硫属族化合物的大规模器件集成。
(2)本发明通过在直接生长得到的二硒化钨上原位制备器件，避免了传统转移方法引入的污染和对材料质量的影响，减少了工艺的复杂度，最大可能的保留了双层二硒化钨的本征属性，提升了电学性能。
总而言之，本发明的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管及其制备方法可以推动对二硒化钨等过渡金属二硫族化合物的研究以及双层二硒化钨在集成电路中的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管示意图。
图2为本发明实施例提供的基于2H相的p型二硒化钨场效应晶体管示意图。
图3为本发明实施例获得的100纳米二氧化硅上具有3R和2H堆叠的双层二硒化钨光学显微镜图像。
图4为本发明实施例获得的双层二硒化钨的光致发光光谱数据，其中，图4中的(a)和(b)分别表示2H相和3R相的双层二硒化钨的光致发光光谱数据。
图5为本发明实施例获得的双层二硒化钨的拉曼光谱数据，其中，图5中的(a)和(b)分别表示2H相和3R相的双层二硒化钨的拉曼光谱数据。
图6为本发明实施例获得的双层二硒化钨的低波数拉曼光谱数据，其中，图5中的(a)和(b)分别表示2H相和3R相的双层二硒化钨的低波数拉曼光谱数据。
图7为本发明实施例制备的场效应晶体管输出特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明提供的基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管，从下至上依次包括：p型掺杂硅衬底、设置在p型掺杂硅衬底上的二氧化硅栅介质、设置在二氧化硅栅介质上的3R相双层二硒化钨沟道材料及设置在3R相双层二硒化钨沟道材料表面的源漏电极。
其中，3R相双层二硒化钨沟道材料的厚度为1.4纳米。
二氧化硅栅介质的厚度为5-300纳米。
源漏电极包括底层接触金属和上层金属，其中，底层接触金属材料为镍、铂、钯中的一种，上层金属材料为金、银、钯、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种；本实施例中，源漏电极的底层接触金属材料为镍，上层金属材料为金；其中，镍的厚度为10-30纳米，金的厚度为30-60纳米。
实施例2
本发明实施例提供了一种基于3R相的二硒化钨场效应晶体管制备方法，其中，该场效应晶体管为实施例1中的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管，制备方法包括如下步骤：
步骤S1、清洗具有p型掺杂且表面为二氧化硅的硅衬底，高温快速退火；具体地，对硅衬底进行高温快速退火过程中，使用高温快速退火炉装置(RTA)，退火温度850～1050摄氏度，退火时间为1分钟。
步骤S2、采用盐辅助化学气相沉积生长3R相与2H相的双层二硒化；其中，在具有p型掺杂且表面为二氧化硅的硅衬底上直接生长二硒化钨；
步骤S3、对将步骤S2中的双层二硒化钨制备标记层(Mark)；具体地，标记层金属，底层为20纳米镍，上层为40纳米金。
步骤S4、隔离区域刻蚀，利用标记层确定3R相双层二硒化钨的位置，在3R相双层二硒化钨的表面定义有源区和隔离引线金属区，进行匀胶、电子束曝光并显影，刻蚀，去胶，去残胶；
步骤S5、在3R相双层二硒化钨表面制备源漏电极；具体包括：匀胶、电子束曝光并显影、沉积金属、剥离制备源漏层，得到场效应晶体管。
其中，步骤S2中，采用盐辅助化学气相沉积生长3R与2H堆叠的双层二硒化钨的沉积条件参数为：熔融盐为氯化钾、质量0～5毫克，钨源为二氧化钨、质量30～50毫克，硫源为硫单质粉末、质量为100～300毫克，生长温度850～1050摄氏度，通入90～110标准流量的氩气及8～12标准流量的氢气，生长压强1000～2500帕，生长时间10～20分钟。
其中，氯化钾与二氧化钨混合放置在刚玉舟中，二氧化硅衬底倒扣在其上，生长时刚玉舟位于加热炉中央；硒粉末放置在瓷舟中，生长时瓷舟位于加热炉边缘；加热炉在下游升温，温度达到生长温度后滑到上游进行保温开始生长计时。通过在二氧化钨中加入氯化钾，能够降低反应温度。
作为优选，氯化钾、二氧化钨及硫单质粉末的质量分别为2毫克、40毫克、200毫克，可以作为稳定的生长条件；作为优选，生长温度采用890摄氏度，生长压强稳定在低压1700帕，生长期间通入105标准流量的氩气与8标准流量的氢气，在优选的生长温度、生长压强、氯化钾/二氧化钨质量比下，熔融氯化钾和二氧化钨的混合物可以达到熔点以获得生长核点，并且满足双层二硒化钨生长需要的同时又不会使得层数超过预期；在优选的二氧化钨和硒粉末质量比下，二硒化钨可以在核点外围不断生长并且达到可观的尺寸，同时保持形貌的规整。
作为优选，衬底选用表面为100纳米二氧化硅的硅衬底，厚度约为500微米，将衬底进行1分钟的890摄氏度高温快速退火炉(RTA)退火，选择在和二硒化钨生长温度相同的890摄氏度下进行高温快速退火，对硅衬底进行热处理，可以改善二氧化硅的非晶结构，有利于二硒化钨在其表面生长时进行更好的晶格匹配，使得生长的二硒化钨材料质量得到提高。作为优选，步骤S4中，隔离区域刻蚀采用反应离子刻蚀。
本实施例中，步骤S1具体包括：
步骤S11、在玻璃皿中加入150毫升去离子水，30毫升氨水，放在热板上加热至70摄氏度；然后加入30毫升双氧水，继续加热，7～10分钟后从底部开始冒泡时放入表面为100纳米二氧化硅的硅晶圆，开始计时10分钟；10分钟后取出晶圆浸泡在去离子水中，然后取出硅片用去离子水冲洗，冲洗时将硅晶圆向镊子方向倾斜，去离子水从高的部分流向镊子一端以防止镊子上的脏东西留在硅晶圆上；用氮气枪吹干硅晶圆。
步骤S12、衬底高温快速退火：将清洗后的硅晶圆放入高温快速退火炉中，设置升温曲线，在890摄氏度保持1分钟，然后自然冷却至室温；将硅晶圆切割成1*1厘米大小的衬底。
步骤S2中，具体包括：
步骤S21、称量与放样：称量硒粉末200毫克于瓷舟中(硒粉质量分数大于等于99.5％)；称量二氧化钨40毫克于刚玉舟中(二氧化钨质量分数为99.99％)，称量氯化钾3毫克与二氧化钨混合(氯化钾为质量分数为99.999％)；将衬底正面倒扣在二氧化钨与氯化钾混合物上方；打开化学气相沉积系统，通入氩气进行破真空；将刚玉舟推入石英管加热炉中央位置，将瓷舟推入石英管加热炉边缘事先试验标定位置；抽真空至10帕以下。
步骤S22，化学气相沉积：通入每分钟105标准毫升的氩气与每分钟10标准毫升的氢气，打开加热炉，在石英管下游升温至890摄氏度，到达温度后将加热炉滑至上游，此时钨源位于加热炉中央，反应时间计时15分钟，期间不断调节角阀使得压强稳定在1700帕左右；时间到后将关闭加热炉，滑至下游进行自然降温，同时关闭氢气，全开角阀；自然冷却后通入氩气破真空取出瓷舟与刚玉舟，生长阶段完成。
步骤S3具体包括：将生长有二硒化钨的硅片表面滴聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)电子束光刻胶，以3000转每分钟的速度匀胶60秒；后在180摄氏度热板上烘干90秒；使用电子束曝光设备(EBL)曝光标记层版图；将硅片浸入甲基异丁基酮(MIBK)与异丙醇(IPA)质量比为1比3的显影液中，显影50秒，后用异丙醇浸泡清洗，氮气枪吹干；电子束蒸发(EBE)设备进行金属沉积，沉积20纳米的镍加40纳米的金；浸泡在50摄氏度的丙酮溶液中30分钟，用针管冲洗直到多余金属全部剥离，后用异丙醇浸泡清洗，氮气枪吹干。
步骤S4具体包括：绘制有源区与隔离区版图，硅片表面滴AR-P617电子束光刻胶，以4000转每分钟的速度匀胶60秒，后在150摄氏度热板上烘干60秒；使用电子束曝光设备曝光隔离区域版图；使用反应离子刻蚀(RIE)设备刻蚀，功率为3瓦，刻蚀时间6分钟；浸入N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中12小时去胶，后用异丙醇浸泡清洗，氮气枪吹干；使用高温退火炉继续去胶，去胶温度为300摄氏度，去胶时间2小时，期间通入100标准毫升的氩气。
步骤S5具体包括：匀胶、电子束曝光和显影工艺同S3标记层一致；电子束蒸发设备进行源漏金属沉积，沉积20纳米的镍加40纳米的金；浸泡在50摄氏度的丙酮溶液中30分钟，用针管冲洗直到多余金属全部剥离，后用异丙醇浸泡清洗，氮气枪吹干，器件制备完毕。
通过上述方法，可以在一硅片上获得了具有3R与2H堆叠的双层二硒化钨，利用光学显微镜、拉曼光谱、低波数拉曼光谱、光致发光光谱对二硫化钨进行观察与表征，筛选3R堆叠的双层二硒化钨，并在其之上进行背栅场效应晶体管的制备，得到基于3R相的双层二硒化钨场效应管，如图1所示。
同样，在上述制备方法中，在步骤S4、S5中，利用标记层确定2H相双层二硒化钨的位置，在2H相双层二硒化钨表面制备源漏电极，得到的是基于2H相的双层二硒化钨场效应管，如图2所示。
步骤S2中制备的3R与2H堆叠的双层二硒化钨的光学显微镜图像如图3所示，双层区域的颜色比单层区域更深，双层与单层之间没有转角的为3R堆叠结构，双层与单层之间有60度转角的为2H堆叠结构，双层区域的尺寸大多数在40微米左右。
为了对3R与2H堆叠双层二硒化钨进行更好的区别，本实施例中，在100纳米二氧化硅衬底上对在两种堆叠的单层区域与双层区域进行光致发光光谱表征、拉曼光谱及低波数拉曼光谱表征，所用激光为532纳米。
本发明实施例中获得的双层二硒化钨光致发光光谱数据如图4中的(a)和(b)所示，两种堆叠的单层区域禁带宽度均为1.60电子伏特，峰强度高，表现出明显的直接带隙特征；图中将双层的峰强扩大了20倍作图，双层二硒化钨具有两个峰，主峰为直接跃迁峰，次峰为间接跃迁峰；两种堆叠的区别在于双层区域的间接跃迁峰，3R堆叠的间接跃迁禁带宽度为1.55电子伏特，2H堆叠的间接跃迁禁带宽度为1.56电子伏特，3R堆叠的间接跃迁禁带宽度小于2H堆叠。
本发明实施例中获得的双层二硒化钨的拉曼光谱数据如图5中的(a)和(b)所示，二硒化钨的主要特征峰为248.5波数与260波数，分别对应于A1g振动模式与2LA振动模式；两种堆叠的拉曼光谱区别在于3R堆叠的双层强度弱于单层，为单层的一半；而2H堆叠的双层强度强于单层，为单层的2倍到3倍。
双层二硒化钨低波数拉曼光谱如图6中的(a)和(b)所示，低波数区间的拉曼光谱可以观察到层与层之间的剪切振动模式(S)与呼吸振动模式(LB)，单层区域由于不存在层之间的振动所以没有峰出现；双层区域存在明显的区别，3R堆叠的剪切振动模式与呼吸振动模式位于15.3波数与26.4波数，剪切振动峰强微弱，2H堆叠的剪切振动模式与呼吸振动模式位于16.4波数与28.5波数，剪切振动的峰强度为呼吸振动的3倍左右。
通过使用半导体参数分析仪B1500A与低温探针台，对基于2H相的双层二硒化钨场效应管和基于3R相的双层二硒化钨场效应管进行电学性能测试，3R与2H堆叠的双层二硒化钨场效应晶体管的输出电流曲线如图7所示，计算得到的3R堆叠的双层二硒化钨背栅场效应晶体管的迁移率为140cm2V-1s-1，而2H堆叠的双层二硒化钨场效应迁移率为93cm2V-1s-1，远低于3R堆叠。基于此，通过选择3R堆叠，可以有效的提高p型二硒化钨场效应晶体管的性能，因此，本发明选择3R堆叠的双层二硒化钨作为沟道材料以制备场效应晶体管。
本发明通过在直接生长得到的二硒化钨上原位制备器件，避免了传统转移方法引入的污染和对材料质量的影响，减少了工艺的复杂度，最大可能的保留了双层二硒化钨的本征属性，提升了电学性能。
同时，通过实验还发现，双层二硒化钨相比于单层二硒化钨可以提供更好的金属欧姆接触，达到更大的源漏电流，又比更多层二硒化钨具有更薄的厚度以满足晶体管尺寸不断缩放的需求。
双层二硒化钨中的单层具有三个原子层厚度，表现出三角棱柱形几何形状，其中外部的硫原子与中心钨原子共价键合，层与层之间由范德华力控制，范德华力较弱，允许相邻层间的滑动与转动，产生不同的堆叠结构。材料的电子特性对双层之间的相互作用非常敏感，不同的堆叠结构将改变导带最小值(CBM)与导带最大值(VBM)，双层二硒化钨的直接带隙与间接带隙的大小将会有所区分，将会明显影响传输特性，所以堆叠模式可以作为调整电学性能的关键参数。
本发明通过比较制备的3R堆叠场效应晶体管与2H堆叠场效应晶体管的电学测试结果，发现3R堆叠具有更加优异的电学性能。主要表现在基于3R堆叠的双层二硒化钨背栅场效应晶体管的迁移率为140cm2V-1s-1，而2H堆叠的双层二硒化钨场效应迁移率为93cm2V- 1s-1，远低于3R堆叠。基于此，本发明通过选择3R堆叠的双层二硒化钨来制备效应晶体管，能够提升效应晶体管的电学性能。
本发明提出了在基于双层二硒化钨来制备场效应晶体管时，定向选择3R相的双层二硒化钨作为沟道材料以提升场效应晶体管的电学性能，并保持器件性能的一致性，弥补了现有技术中针对沟道材料缺少主观选择的缺陷；同时，现有技术中，2H堆叠作为多种堆叠结构中最稳定的结构，同时也是最容易获得的堆叠结构，一直被认为是沟道材料的主要选择，本发明否定了更稳定的结构代表着更好的电子特性，也否定了层数相同但是堆叠结构不同都具有一致的电子特性这一技术认知，克服了技术偏见，选择使用电学特性更好的3R堆叠作为场效应晶体管的沟道材料，进而提升了场效应晶体管的电学性能，有利于未来过渡金属硫属族化合物的大规模器件集成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于3R相的p型二硒化钨场效应晶体管，其特征在于，包括：
p型掺杂硅衬底、设置在所述p型掺杂硅衬底上的二氧化硅栅介质、设置在所述二氧化硅栅介质上的3R相双层二硒化钨沟道材料及设置在所述3R相双层二硒化钨沟道材料表面的源漏电极。
2.根据权利要求1所述的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管，其特征在于，所述3R相双层二硒化钨沟道材料的厚度为1.4纳米。
3.根据权利要求1所述的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管，其特征在于，所述二氧化硅栅介质的厚度为5-300纳米。
4.根据权利要求1所述的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管，其特征在于，所述源漏电极包括底层接触金属和上层金属；
所述底层接触金属材料为镍、铂、钯中的一种；
所述上层金属材料为金、银、钯、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管，其特征在于，所述底层接触金属材料为10-30纳米厚度的镍，所述上层金属材料为30-60纳米厚度的金。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的基于3R相的二硒化钨场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、清洗具有p型掺杂且表面为二氧化硅的硅衬底，高温快速退火；
步骤S2、采用盐辅助化学气相沉积生长3R相与2H相的双层二硒化钨；
步骤S3、对所述3R相与2H相的双层二硒化钨制备标记层；
步骤S4、隔离区域刻蚀，包括：利用标记层定位3R相双层二硒化钨的位置，在所述3R相双层二硒化钨的表面定义有源区和隔离区；
步骤S5、在所述3R相双层二硒化钨表面制备源漏电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，对所述硅衬底进行高温快速退火过程中，使用高温快速退火炉装置，退火温度850-1050摄氏度，退火时间为1分钟。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述刻蚀为反应离子刻蚀。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述盐辅助化学气相沉积的条件参数为：氯化钾质量0～5毫克，二氧化钨质量30～50毫克，硫单质粉末质量为100～300毫克，生长温度850～1050摄氏度，通入90～110标准流量的氩气及8～12标准流量的氢气，生长压强1000～2500帕，生长时间10～20分钟。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述标记层的材料包括底层接触金属和上层金属：底层接触金属为20纳米镍，上层金属为40纳米金。
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