CN218918895U

CN218918895U - 半导体元件

Info

Publication number: CN218918895U
Application number: CN202222762656.XU
Authority: CN
Inventors: 何焱腾; 陈乃榕
Original assignee: Ruilong Technology Co ltd
Current assignee: Ruilong Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2032-10-17

Abstract

本实用新型是一种半导体元件，包含有一二维半导体层、一二维金属导体层以及一金属层，二维半导体层是由二维半导体材料所形成，二维半导体材料具有一第一生成热(formationenergy)；二维金属导体层是由二维金属材料所形成且覆盖于该二维半导体层的表面，二维金属材料具有一第二生成热，第二生成热小于第一生成热；金属层是覆盖于二维金属导体层的表面；其中，二维金属导体层是由金属层中的阳离子与二维半导体层中的阴离子键结而成。借此，可有效降低二维材料与金属间的接触电阻，使二维材料能成功应用在场效晶体管等半导体元件上。

Description

半导体元件

技术领域

本实用新型与半导体元件有关，特别是指一种应用二维材料的半导体元件。

背景技术

二维材料是指在形成晶体结构时，在垂直的方向只有一层分子，就像一张纸。以二硫化钼(MoS₂)为例，从侧面看，钼原子居中，上下各有一硫原子，单一层厚度约为0.7纳米；从上方来看，这些重复的二硫化钼分子形成六边形的蜂巢状结构。在5nm以下半导体制程中首先被考虑的就是二硫化钼，应用于晶体管的通道(channel)。主要的好处是它的漏电流远较硅小几个数量级，因此功耗也很小，造成这现象的主要原因是二硫化钼的电子等效质量(effective mass)较硅大3倍左右，实验上已展示将之用在场效晶体管拥有极佳的性质，这使得二硫化钼等二维材料可望取代硅成为2纳米节点以下技术的主要半导体通道材料。

然由于二维材料表面无悬键，与金属不易形成共价键，且界面中的范德瓦间距(Van der Waals gap)将使得萧特机能障(Schottky barrier)不易降低。伴随金属/二维半导体界面易有费米能阶钉札机制(fermi level pinning)，因此与金属之间的高接触电阻仍为二维材料应用在场效晶体管的阻碍。

为达成二维材料与金属之间的欧姆接触，目前有利用氢(H₂)或氦(He)电浆对二维材料如WSe₂表面进行处理，可在表面形成硒缺(Se vacancy)而提高室温下的表面载子浓度(N_D)>4×10¹⁷cm^–3，高载子浓度WSe₂表面与金属接触可降低萧特基能障(Schottkybarrier)，进而降低接触电阻。但此作法会对WSe₂表面造成损伤，损伤的表面易受环境中氧气氧化，制程稳定性不易控制。

另外，有人利用具有金属特性的二维材料如石墨烯(graphene)插入Ag与MoS₂之间，显示良好的电器电性，萧特机能障(SBH)由300meV大幅降至190meV，并提升电流开关比达4×10⁸。然而石墨烯目前成熟的制程主要需藉高温成长于铜箔上再以撕贴法转植于元件上，不易与半导体CMOS制程相容。

因此，如何以稳定且可行的方式制作二维材料与金属的欧姆接触，使二维材料能成功应用在场效晶体管等半导体元件上，即成为目前业界亟待解决的课题。

实用新型内容

本实用新型的一目的在于提供一种半导体元件，可有效降低二维材料与金属间的接触电阻，使二维材料能成功应用在场效晶体管等半导体元件上。

为了达成上述目的，本实用新型的半导体元件包含有一二维半导体层、一二维金属导体层以及一金属层，该二维半导体层是由二维半导体材料所形成，该二维半导体材料具有一第一生成热(formation energy)；该二维金属导体层是由二维金属材料所形成且覆盖于该二维半导体层的表面，该二维金属材料具有一第二生成热，该第二生成热小于第一生成热；该金属层是覆盖于该二维金属导体层的表面；其中，该二维金属导体层是由该金属层中的阳离子与该二维半导体层中的阴离子键结而成。借此，可有效降低二维材料与金属间的接触电阻，使二维材料能成功应用在场效晶体管等半导体元件上。

依据本实用新型一实施例，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合是二硫化钼(MoS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钒(VS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钼(MoS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钒(VS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)、或二硫化铂(PtS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)。

依据本实用新型一实施例，该金属层是由铌、钽、钒或铁所形成。

依据本实用新型一实施例，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合是二硒化钼(MoSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、或二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)。

依据本实用新型一实施例，该金属层是由铌、钽、钒或钛所形成。

依据本实用新型一实施例，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合是二碲化钼(MoTe₂)/二碲化铌(NbTe₂)、二碲化钼(MoTe₂)/二碲化钛(TiTe₂)、二碲化钼(MoTe₂)/二碲化铪(HfTe₂)、或二碲化钼(MoTe₂)/二碲化锆(ZrTe₂)。

依据本实用新型一实施例，该金属层是由铌、钛、铪或锆所形成。

依据本实用新型一实施例，该二维半导体层是为通道层，该金属层是为源极或漏极。

附图说明

图1为本实用新型一较佳实施例的半导体元件的局部制程示意图；

图2为本实用新型一较佳实施例的半导体元件应用于场效晶体管的示意图；

图3为本实用新型一较佳实施例的半导体元件应用于栅极环绕式场效晶体管的立体图；

图4为图3沿A-A方向的剖视图；

图5为本实用新型一较佳实施例的半导体元件应用于另一栅极环绕式场效晶体管的剖视图。

【符号说明】

1半导体元件

10基板

12二维半导体层

14二维金属导体层

16金属层

2场效晶体管

20基板

21通道层

22源极

23漏极

24介电层

25栅极

26源极垫

27漏极垫

3,4栅极环绕式场效晶体管

30基板

31,41通道层

32,42源极

33,43漏极

34介电层

35栅极

36绝缘层

具体实施方式

以下通过一较佳实施例配合附图，详细说明本实用新型的技术内容及特征，如图1所示，是本实用新型一较佳实施例所提供的半导体元件1的局部制程，包含有以下步骤：(A)于一基板10上以化学气相沉积(CVD)、分子束磊晶、或激光磊晶等方式形成一二维半导体层12，再于二维半导体层12上以溅镀、电子枪蒸镀、或热蒸镀等方式形成一金属层16；以及(B)在控制气氛中600～1000℃下进行退火，使该金属层16中的阳离子与该二维半导体层12中的阴离子产生键结，于该金属层16与该二维半导体层12之间形成一二维金属导体层14。

其中，该基板10的材质为一三维材料如硅(Si)，于其他实施例，该基板10材质可采用蓝宝石(sapphire)、石英(quartz)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、成长二氧化硅之硅(SiO₂/Si)、成长氮化硅之硅(SiN_x/Si)或其他非晶材料(amorphous)绝缘材料，或是二维材料如云母片(mica)等。

该二维半导体层12是由二维半导体材料如二硫化钼(MoS₂)所形成，具有半导体的特性，该二维半导体材料具有一第一生成热(formation energy)，于本实施例中，二硫化钼的生成热为-1.059eV/atom，生成热负值愈大(即数值愈小)代表合成反应物愈趋稳定愈容易形成。

该金属层16为铌(Nb)，该控制气氛包含有85vol％的氮气与15vol％的氢气，退火时，由于二硫化铌(NbS₂)的生成热-1.207eV/atom小于二硫化钼的生成热-1.059eV/atom，因此金属层12中的Nb⁺可与二维半导体层12(即二硫化钼)中的S^-产生键结，于该金属层16与该二维半导体层12之间形成二硫化铌层，由于二硫化铌是具有金属导体特性的二维金属材料，故将此二硫化铌层称为二维金属导体层14，结构上是覆盖于该二维半导体层12的表面，该二维金属材料具有一第二生成热，该第二生成热小于第一生成热。当二维金属导体层14形成后，金属层16在结构上即相当于覆盖在该二维金属导体层14的表面，其中，该二维金属导体层14是由该金属层16中的阳离子与该二维半导体层14中的阴离子键结而成。

由于该二维半导体层12的二硫化钼中的硫原子被铌抢走，而产生表面硫缺(Svacancy)的现象，如此可提高表面载子浓度，又无需付出损伤表面甚至遭到氧化的代价，而具有金属导体特性的二硫化铌则扮演已知技术中石墨烯(graphene)的角色，可大幅降低金属层16与二维半导体层12之间的萧特机能障，且本实用新型的制程又相容于半导体CMOS制程，因此，本实用新型所提供的制造方法可成功达成二维材料与金属的欧姆接触，降低二维材料与金属间的接触电阻，使二维材料能成功应用在场效晶体管等半导体元件上，从而达成本实用新型的目的。

需说明的是，步骤(B)中控制气氛包含有氮气与氢气，氮气与氢气的比例可在80:20～90:10之间依需要变化，进行退火的温度亦可依需要而调整。

除了前述实施例外，还有其他适用的二维半导体材料与二维金属材料，只要能符合前述第二生成热小于第一生成热的条件即可，表一是各种二维半导体材料(具有半导体特性)的第一生成热数值，表二则为各种二维金属材料(具有金属导体特性)的第二生成热数值。

表一

表二

由于表一与表二中的生成热都是在相同设备相同参数下所得出的数值，故其相对大小具有参考价值，依其进行配对，经过实际实验，针对硫化物而言，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合可为二硫化钼(MoS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钒(VS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钼(MoS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钒(VS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)、或二硫化铂(PtS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)，相对地，金属层16可采用铌、钽、钒或铁。

若针对硒化物而言，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合可为二硒化钼(MoSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、或二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)，相对地，金属层16可采用铌、钽、钒或钛。

若针对碲化物而言，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合可为二碲化钼(MoTe₂)/二碲化铌(NbTe₂)、二碲化钼(MoTe₂)/二碲化钛(TiTe₂)、二碲化钼(MoTe₂)/二碲化铪(HfTe₂)、或二碲化钼(MoTe₂)/二碲化锆(ZrTe₂)，相对地，金属层16可采用铌、钛、铪或锆。但可采用的二维半导体材料/二维金属材料并不限于以上所举之例。

本实用新型的半导体元件可应用至场效晶体管、栅极环绕式场效晶体管或其他元件。如图2所示，是本实用新型的半导体元件应用至场效晶体管2的示意图，该场效晶体管2具有一基板20、一通道层21、一源极22、一漏极23、一介电层24、一栅极25、一源极垫26以及一漏极垫27，其中该二维半导体层12是作为通道层21，该金属层16是作为源极22与漏极23，借此，以二维半导体材料做成的该通道层21与金属材质的源极22、漏极23之间会因二维金属导体层14的存在而具有良好的欧姆接触，有效降低已知技术中二维材料与金属间的接触电阻，使二维材料能成功应用在场效晶体管等半导体元件上。

又图3～4所示，是本实用新型的半导体元件应用至栅极环绕式场效晶体管3的示意图，该栅极环绕式场效晶体管3具有一基板30、三通道层31、一源极32、一漏极33、一介电层34、一栅极35以及三绝缘层36，其中该二维半导体层12是作为通道层31，该金属层16是作为源极32与漏极33，借此，以二维半导体材料做成的该通道层31与金属材质的源极32、漏极33之间会因二维金属导体层14的存在而具有良好的欧姆接触，从而达成本实用新型的目的。

如图5所示，是本实用新型的半导体元件应用至另一栅极环绕式场效晶体管4的示意图，该栅极环绕式场效晶体管4的结构与前述场效晶体管3大致相同，差异在于三通道层41的二端延伸入源极42与漏极43中，以二维半导体材料做成的该通道层41与金属材质的源极42、漏极43之间同样会因二维金属导体层14的存在而具有良好的欧姆接触，从而达成本实用新型的目的。

Claims

1.一种半导体元件，其特征在于，包含有：

一二维半导体层，是由二维半导体材料所形成，该二维半导体材料具有一第一生成热(formation energy)；

一二维金属导体层，是由二维金属材料所形成且覆盖于该二维半导体层的表面，该二维金属材料具有一第二生成热，该第二生成热小于第一生成热；以及

一金属层，是覆盖于该二维金属导体层的表面；

其中，该二维金属导体层是由该金属层中的阳离子与该二维半导体层中的阴离子键结而成。

2.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合是二硫化钼(MoS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钒(VS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化铌(NbS₂)、二硫化钼(MoS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钒(VS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化钽(TaS₂)、二硫化钨(WS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化铂(PtS₂)/二硫化钒(VS₂)、二硫化镍(NiS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)、二硫化钯(PdS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)、或二硫化铂(PtS₂)/二硫化亚铁(FeS₂)。

3.根据权利要求2所述的半导体元件，其特征在于，该金属层是由铌、钽、钒或铁所形成。

4.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合是二硒化钼(MoSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化铌(NbSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钽(TaSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钒(VSe₂)、二硒化钼(MoSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、二硒化钨(WSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、二硒化钯(PdSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)、或二硒化铂(PtSe₂)/二硒化钛(TiSe₂)。

5.根据权利要求4所述的半导体元件，其特征在于，该金属层是由铌、钽、钒或钛所形成。

6.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该二维半导体材料/该二维金属材料的组合是二碲化钼(MoTe₂)/二碲化铌(NbTe₂)、二碲化钼(MoTe₂)/二碲化钛(TiTe₂)、二碲化钼(MoTe₂)/二碲化铪(HfTe₂)、或二碲化钼(MoTe₂)/二碲化锆(ZrTe₂)。

7.根据权利要求6所述的半导体元件，其特征在于，该金属层是由铌、钛、铪或锆所形成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体元件，其特征在于，该二维半导体层是为通道层，该金属层是为源极或漏极。