JP2024009495A - Method for manufacturing chalcogenide layered material and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Kenjiro Hayashi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide chalcogenide layered materials with few atomic defects.
SOLUTION: A manufacturing method has a first step of forming a metal chalcogenide film with a compound of metal and chalcogen on a substrate, a second step of forming a chalcogen film with chalcogen on the metal chalcogenide film, a third step of placing graphene or hexagonal boron nitride on the chalcogen film, and a fourth step of heating the chalcogen film and the metal chalcogenide film after the third step.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本発明は、カルコゲナイド系層状物質の製造方法および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a chalcogenide-based layered material and a method for manufacturing a semiconductor device.

層状物質は、共有結合等により互いに強く結合した複数の原子を有する原子層が、ファンデルワールス力等によって互いに弱く結合した物質である。当該原子層自体も、層状物質と呼ばれる。例えば、グラファイトは、炭素の原子層(すなわち、グラフェン)が互いに弱く結合した層状物質である。グラフェン自体も、層状物質である。 A layered material is a material in which atomic layers each having a plurality of atoms strongly bonded to each other by covalent bonds or the like are weakly bonded to each other by van der Waals forces or the like. The atomic layer itself is also called a layered material. For example, graphite is a layered material in which atomic layers of carbon (ie, graphene) are weakly bonded to each other. Graphene itself is also a layered material.

カルコゲナイド系層状物質は、近年注目されている層状物質である(例えば、特許文献1~4参照)。カルコゲナイド系層状物質は、金属とカルコゲンとの化合物である。このため、カルコゲナイド系層状物質は、金属カルコゲナイドとも呼ばれる(例えば、特許文献2参照)。 Chalcogenide-based layered materials are layered materials that have attracted attention in recent years (see, for example, Patent Documents 1 to 4). A chalcogenide-based layered material is a compound of a metal and a chalcogen. For this reason, chalcogenide-based layered materials are also called metal chalcogenides (see, for example, Patent Document 2).

多数存在する金属カルコゲナイドのうち特に注目されている物質は、MoSおよびWSeである。数層以下のMoSおよびWSeは、柔軟性を有する半導体である。このため、MoSおよびWSeは、フレキシブルデバイスおよび半導体装置への応用が期待されている(例えば、特許文献1~4参照)。 Among the many metal chalcogenides that exist, substances that have attracted particular attention are MoS 2 and WSe 2 . MoS 2 and WSe 2 with a few layers or less are flexible semiconductors. Therefore, MoS 2 and WSe 2 are expected to be applied to flexible devices and semiconductor devices (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

MoSおよびWSe以外の金属カルコゲナイド(例えば、WTe)も、その層数が数層以下になると、バルク結晶とは異なる物性を呈する。このため、MoSおよびWSe以外の金属カルコゲナイド(特に、WTe)も注目されている。 Metal chalcogenides other than MoS 2 and WSe 2 (eg, WTe 2 ) also exhibit physical properties different from those of bulk crystals when the number of layers is less than a few. For this reason, metal chalcogenides other than MoS 2 and WSe 2 (particularly WTe 2 ) are also attracting attention.

米国特許出願公開第2021/0375619号明細書US Patent Application Publication No. 2021/0375619 米国特許出願公開第2020/0347494号明細書US Patent Application Publication No. 2020/0347494 特開2020-84323号公報JP2020-84323A 特開2018―100194号公報JP 2018-100194 Publication

金属カルコゲナイドの主な合成方法は、化学気相堆積法(Chemical Vapor Deposition: 以下、CVD法と略す)および熱硫化法である。これらの方法によって合成された金属カルコゲナイドは、その合成中、高温に曝される。このため、これらの方法によって合成された金属カルコゲナイドは、カルコゲン原子の大きな欠損(すなわち、不足)を有する。これは、カルコゲンの蒸気圧が、金属の蒸気圧より高いためである。かかるカルコゲン原子の欠損は、意図しないキャリアの発生および低い移動度を、金属カルコゲナイドにもたらす。 The main methods for synthesizing metal chalcogenides are chemical vapor deposition (hereinafter abbreviated as CVD) and thermal sulfidation. Metal chalcogenides synthesized by these methods are exposed to high temperatures during their synthesis. Therefore, metal chalcogenides synthesized by these methods have a large deficiency (ie, lack) of chalcogen atoms. This is because the vapor pressure of chalcogen is higher than that of metals. Such chalcogen atom deficiencies lead to unintended carrier generation and low mobility in metal chalcogenides.

カルコゲン原子が不足すると、カルコゲン原子の空孔が発生する。この空孔は、大気中の水分または酸素と結合して、金属カルコゲナイドに、好ましくない化学変化(例えば、酸化膜の形成等)をもたらす。従って、カルコゲン原子の欠損(以下、原子欠損と呼ぶ)は、金属カルコゲナイドを化学的に不安定にする。 When there is a shortage of chalcogen atoms, chalcogen atom vacancies are generated. These vacancies combine with moisture or oxygen in the atmosphere, causing undesirable chemical changes (eg, formation of an oxide film, etc.) in the metal chalcogenide. Therefore, defects in chalcogen atoms (hereinafter referred to as atomic defects) make metal chalcogenides chemically unstable.

そこで、本発明は、このような問題を解決することを課題とする。 Therefore, it is an object of the present invention to solve such problems.

上記の問題を解決するために、一つの実施の形態では、製造方法は、金属とカルコゲンとの化合物を有する金属カルコゲナイド膜を基板上に形成する第1工程と、前記金属カルコゲナイド膜の上に前記カルコゲンとは異なる別のカルコゲンおよび前記カルコゲンの少なくとも一方を有するカルコゲン膜を形成する第2工程と、前記カルコゲン膜の上にグラフェンまたは六方晶窒化ホウ素を配置する第3工程と、前記第3工程の後に、前記カルコゲン膜と前記金属カルコゲナイド膜とを加熱する第4工程とを有する。 In order to solve the above problem, in one embodiment, a manufacturing method includes a first step of forming a metal chalcogenide film having a compound of metal and chalcogen on a substrate, and a step of forming a metal chalcogenide film on the metal chalcogenide film. a second step of forming a chalcogen film having another chalcogen different from chalcogen and at least one of the chalcogen; a third step of disposing graphene or hexagonal boron nitride on the chalcogen film; Thereafter, a fourth step of heating the chalcogen film and the metal chalcogenide film is included.

一つの側面では、本発明によれば、原子欠損が少ないカルコゲナイド系層状物質を提供できる。 In one aspect, according to the present invention, a chalcogenide-based layered material with few atomic defects can be provided.

図1は、実施の形態1による製造方法の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the manufacturing method according to the first embodiment. 図2は、図1に示した製造方法の工程断面図である。FIG. 2 is a process cross-sectional view of the manufacturing method shown in FIG. 図3は、図1に示した製造方法の工程断面図である。FIG. 3 is a process cross-sectional view of the manufacturing method shown in FIG. 図4は、図1に示した製造方法の工程断面図である。FIG. 4 is a process cross-sectional view of the manufacturing method shown in FIG. 図5は、CVD法により堆積した単層MoSの側面図の一例である。FIG. 5 is an example of a side view of a single layer MoS 2 deposited by CVD. 図6は、CVD法により堆積した単層MoSの平面図である。FIG. 6 is a plan view of a single layer MoS 2 deposited by CVD. 図7は、S原子の欠損を補填する別の方法を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing another method for compensating for the deficiency of S atoms. 図8は、S原子112が、グラフェン122を通り抜けられない理由を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the reason why the S atoms 112 cannot pass through the graphene 122. 図9は、加熱後の銅箔の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the copper foil after heating. 図10は、CVD法による金属カルコゲナイド膜の形成の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of forming a metal chalcogenide film by the CVD method. 図11は、熱硫化法による金属カルコゲナイド膜の形成の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of formation of a metal chalcogenide film by a thermal sulfurization method. 図12は、S膜20に、グラフェン22を転写する工程の一例を示す工程断面図である。FIG. 12 is a process cross-sectional view showing an example of the process of transferring graphene 22 to the S film 20. 図13は、S膜20に、グラフェン22を転写する工程の一例を示す工程断面図である。FIG. 13 is a process cross-sectional view showing an example of the process of transferring graphene 22 to the S film 20. 図14は、実施の形態2による製造方法の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the manufacturing method according to the second embodiment. 図15は、図14に示した製造方法の工程断面図である。FIG. 15 is a process cross-sectional view of the manufacturing method shown in FIG. 14. 図16は、図14に示した製造方法の工程断面図である。FIG. 16 is a process cross-sectional view of the manufacturing method shown in FIG. 14.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。図面が異なっても同じ構造を有する部分等には同一の符号を付し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof. Even if the drawings are different, parts having the same structure will be designated by the same reference numerals, and their explanation will be omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1は、カルコゲナイド系層状物質(すなわち、金属カルコゲナイド)の製造方法に関するものである。図1は、実施の形態1による製造方法の一例を示す図である。図2~4は、図1に示した製造方法の工程断面図である。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 relates to a method for producing a chalcogenide-based layered material (ie, metal chalcogenide). FIG. 1 is a diagram showing an example of the manufacturing method according to the first embodiment. 2 to 4 are process cross-sectional views of the manufacturing method shown in FIG. 1.

図1~4に例示した製造方法は、二硫化モリブデン(すなわち、MoS)を製造する方法である。しかし、図1~4に例示した製造方法は、前駆体等を適宜変更する事で、他のカルコゲナイド系層状物質(例えば、WSeおよびWTe)の製造にも適用できる。 The manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4 is a method for manufacturing molybdenum disulfide (ie, MoS 2 ). However, the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4 can also be applied to manufacturing other chalcogenide-based layered materials (eg, WSe 2 and WTe 2 ) by appropriately changing the precursors and the like.

(1)製造方法
(1-1)金属カルコゲナイド膜の形成(図1に示す第1工程S1)
まず、基板16(図2(a)参照)の上に、CVD法によりMoS膜18を堆積する。
(1) Manufacturing method (1-1) Formation of metal chalcogenide film (first step S1 shown in FIG. 1)
First, a MoS 2 film 18 is deposited on a substrate 16 (see FIG. 2(a)) by CVD.

基板16は例えば、熱酸化膜付きシリコン基板である。堆積するMoS膜18の層数は、例えば単層~数層である。MoS膜18の層数は、単層~数層より多くても良い。 The substrate 16 is, for example, a silicon substrate with a thermal oxide film. The number of layers of the MoS 2 film 18 to be deposited is, for example, from a single layer to several layers. The number of layers of the MoS 2 film 18 may be more than a single layer to several layers.

CVD法の詳細は、下記「(5)金属カルコゲナイド膜の形成方法」に記載されている。以下の説明では、CVD法によって膜を形成する事を、CVDと呼ぶ。 Details of the CVD method are described in "(5) Method for forming metal chalcogenide film" below. In the following explanation, forming a film by the CVD method will be referred to as CVD.

物質Xを表す単語と「膜」とをこの順に有する合成語(例えば、MoS膜)は、物質Xを有する膜を意味する。「膜」は、ある物の表面を覆う薄い物を意味する。従って、上記合成語は、物質Xを有し、ある物の表面を覆う薄い物を意味する。故に、MoS膜18(図2(a)参照)は、MoSを有し、基板16の表面を覆う薄い物(ここでは、原子層)である。 A compound word containing a word representing material X and "membrane" in this order (eg, MoS 2 film) means a film having material "Membrane" means a thin substance that covers the surface of something. Therefore, the above compound word means a thin object that has substance X and covers the surface of something. Therefore, the MoS 2 film 18 (see FIG. 2(a)) is a thin film (here, an atomic layer) containing MoS 2 and covering the surface of the substrate 16.

図5は、CVD法により堆積した単層MoS(すなわち、層数が一つのMoS)の側面図の一例である。図6は、この単層MoSの平面図である。 FIG. 5 is an example of a side view of a single layer MoS 2 (ie, one layer of MoS 2 ) deposited by CVD. FIG. 6 is a plan view of this single layer MoS 2 .

単層MoSは、図5に示すように、第1面2の上に配置された複数のS原子12(すなわち、硫黄原子)と、第1面2の上方に位置する第2面6の上に配置された複数のMo原子8とを有する。単層MoSは更に、第2面6の上方に位置する第3面10の上に配置された複数のS原子12を有する。 As illustrated in FIG . and a plurality of Mo atoms 8 arranged on top. The monolayer MoS 2 further has a plurality of S atoms 12 arranged on the third surface 10 located above the second surface 6.

単層MoSは、真上から見ると、図6に示すように、隙間無く配置された正六角形(図示せず)の頂点に交互に位置する2種類の原子を有する。かかる2種類の原子は、Mo原子8とS原子12とである。Moは、金属元素である。Sは、カルコゲン元素である。 When viewed from directly above, the single-layer MoS 2 has two types of atoms located alternately at the vertices of a regular hexagon (not shown) arranged without gaps, as shown in FIG. These two types of atoms are Mo atoms 8 and S atoms 12. Mo is a metal element. S is a chalcogen element.

カルコゲン(例えば、硫黄S)は、蒸気圧が金属(例えば、Mo)より高い元素である。CVDの間中、堆積膜は、高温に曝される。このため、CVDで合成されたMoS膜は、S原子の大きな欠損(すなわち、不足)を有する。かかるMoS膜には、S原子の空孔14が多数存在する。 Chalcogen (eg, sulfur S) is an element with a higher vapor pressure than metals (eg, Mo). During CVD, the deposited film is exposed to high temperatures. Therefore, the MoS 2 film synthesized by CVD has a large deficiency (that is, a shortage) of S atoms. In such a MoS 2 film, there are many vacancies 14 of S atoms.

CVD法以外の方法でMoS膜を形成しても、S原子の欠損は発生する。MoS膜以外の金属カルコゲナイド膜についても、同様である。付言するならば、自然界で産出される金属カルコゲナイドの結晶も、カルコゲン原子の欠損を有する。 Even if a MoS 2 film is formed by a method other than the CVD method, defects in S atoms occur. The same applies to metal chalcogenide films other than the MoS 2 film. Additionally, metal chalcogenide crystals produced in nature also have chalcogen atom defects.

なお、金属カルコゲナイドの構成元素となり得るカルコゲンは、硫黄(S),セレン(Se),テルル(Te)のいずれかである。従って、特に断らない限り、「カルコゲン」とは、硫黄(S)、セレン(Se)、およびテルル(Te)のいずれかを意味する。 Note that chalcogen that can be a constituent element of metal chalcogenide is sulfur (S), selenium (Se), or tellurium (Te). Therefore, unless otherwise specified, "chalcogen" means any one of sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te).

(1-2)カルコゲン膜の形成(図1に示す第2工程S2)
次に、第1工程S1において形成したMoS膜18(図2(b)参照)の上に、硫黄膜20(以下、S膜と呼ぶ)を形成する。S膜20は、例えば真空蒸着により形成する。形成するS膜20の厚さは、例えば1nm~1000nmである。S膜20は、好ましくは、硫黄の単体である。
(1-2) Formation of chalcogen film (second step S2 shown in FIG. 1)
Next, a sulfur film 20 (hereinafter referred to as an S film) is formed on the MoS 2 film 18 (see FIG. 2(b)) formed in the first step S1. The S film 20 is formed, for example, by vacuum deposition. The thickness of the S film 20 to be formed is, for example, 1 nm to 1000 nm. The S film 20 is preferably made of simple sulfur.

(1-3)グラフェンによるカルコゲン膜の被覆(図1に示す第3工程S3)
第2工程S2において形成したS膜20(図2(c)参照)の上に、グラフェン22を配置する。その結果、S膜20が、グラフェン22によって被覆される。グラフェン22は、単層および多層のいずれであっても良い。
(1-3) Covering the chalcogen film with graphene (third step S3 shown in Figure 1)
Graphene 22 is placed on the S film 20 (see FIG. 2(c)) formed in the second step S2. As a result, the S film 20 is covered with graphene 22. Graphene 22 may be either a single layer or a multilayer.

具体的には、先ず、基板16とは別の基板上に、グラフェン22を形成する。その後、このグラフェン22を、S膜20に転写する。グラフェンの転写方法は、「(6)グラフェンの転写方法」に示す。 Specifically, first, graphene 22 is formed on a substrate different from substrate 16. Thereafter, this graphene 22 is transferred to the S film 20. The graphene transfer method is shown in "(6) Graphene transfer method".

(1-4)金属カルコゲナイド膜およびカルコゲン膜の加熱(図1に示す第4工程S4)
第3工程S3の後、グラフェン22によって被覆したS膜20とMoS膜18とを、加熱する(図3(a)参照)。
(1-4) Heating the metal chalcogenide film and chalcogen film (fourth step S4 shown in FIG. 1)
After the third step S3, the S film 20 and the MoS 2 film 18 covered with the graphene 22 are heated (see FIG. 3(a)).

この加熱により熱エネルギーを得た、S膜中のS原子は、MoS膜18に移動して、S原子の空孔14(図6参照)を取り囲むMo原子108と結合する。換言するならば、MoS膜18が有する原子欠損が、S膜20のS原子によって補填される。 The S atoms in the S film, which have obtained thermal energy through this heating, move to the MoS 2 film 18 and combine with the Mo atoms 108 surrounding the S atom vacancies 14 (see FIG. 6). In other words, the atomic vacancies in the MoS 2 film 18 are compensated for by the S atoms in the S film 20.

この際、第3工程S3で形成したグラフェン22が、S原子が雰囲気中に拡散する事を抑制するので、第1工程S1で形成したMoS膜18に存在する原子欠損は、S膜20のS原子によって効果的に補填される(「(2)比較例参照」)。なお、上記「雰囲気」は、基板16を囲む気体を意味する。 At this time, since the graphene 22 formed in the third step S3 suppresses the diffusion of S atoms into the atmosphere, the atomic defects present in the MoS 2 film 18 formed in the first step S1 are removed from the S film 20. It is effectively compensated by S atoms (see "(2) Comparative Example"). Note that the above-mentioned "atmosphere" means the gas surrounding the substrate 16.

第4工程は、具体的には、MoS膜18、S膜20、およびグラフェン22がこの順に積層された基板16を、例えば大気圧に保たれた不活性雰囲気中で加熱する工程である(図3(a)参照)。基板16の加熱は、例えば、ヒータ24を有する電気炉(図示せず)によって行われる。加熱温度は例えば、200℃~1000℃である。加熱時間は例えば、1分~24時間である。 Specifically, the fourth step is a step of heating the substrate 16 on which the MoS 2 film 18, the S film 20, and the graphene 22 are laminated in this order in an inert atmosphere maintained at atmospheric pressure, for example. (See Figure 3(a)). The substrate 16 is heated, for example, by an electric furnace (not shown) having a heater 24. The heating temperature is, for example, 200°C to 1000°C. The heating time is, for example, 1 minute to 24 hours.

(1-5)グラフェンの除去(図1に示す第5工程S5)
第4工程S4の後、グラフェン22を、例えば酸素プラズマ処理により除去する(図3(b)参照)。このプラズマ処理を行う時間は、グラフェン22が残らず除去される時間である。プラズマ処理を行う時間は例えば、10秒~60分である。
(1-5) Removal of graphene (fifth step S5 shown in Figure 1)
After the fourth step S4, the graphene 22 is removed by, for example, oxygen plasma treatment (see FIG. 3(b)). The time for performing this plasma treatment is the time for all graphene 22 to be removed. The time for performing the plasma treatment is, for example, 10 seconds to 60 minutes.

(1-6)カルコゲン膜の除去(図1に示す第6工程S6)
第5工程S5の後、排気された空間26(図4(a)参照)において、S膜20(図3(b)参照)を除去する。
(1-6) Removal of chalcogen film (sixth step S6 shown in Figure 1)
After the fifth step S5, the S film 20 (see FIG. 3(b)) is removed in the evacuated space 26 (see FIG. 4(a)).

具体的には、S膜20(図3(b)参照)が露出した基板16を、真空装置の内部(すなわち、排気された空間26)において加熱する。基板16の加熱は例えば、真空装置の内部に設けられたヒータ124によって行われる。 Specifically, the substrate 16 with the S film 20 (see FIG. 3(b)) exposed is heated inside the vacuum apparatus (that is, the evacuated space 26). The substrate 16 is heated, for example, by a heater 124 provided inside the vacuum device.

すると、蒸気圧が高いS(すなわち、硫黄)が蒸発して、MoS膜18が露出する(図4(a)参照)。加熱温度は例えば、100℃~600℃である。加熱時間は例えば、10秒~60分である。 Then, S (that is, sulfur) having a high vapor pressure evaporates, and the MoS 2 film 18 is exposed (see FIG. 4(a)). The heating temperature is, for example, 100°C to 600°C. The heating time is, for example, 10 seconds to 60 minutes.

後述するように、S膜とは異なる別のカルコゲン膜を用いても、MoS膜18におけるカルコゲン原子の欠損を補填する事は可能である(「(4)カルコゲン膜のバリエーション」参照)。別のカルコゲン膜を用いる場合、基板16は、この別のカルコゲン膜の蒸発に適した温度において加熱される。 As will be described later, it is possible to compensate for chalcogen atom deficiencies in the MoS 2 film 18 by using a chalcogen film different from the S film (see "(4) Variations of chalcogen film"). If a separate chalcogen film is used, the substrate 16 is heated at a temperature suitable for evaporation of the separate chalcogen film.

(1-7)絶縁膜による金属カルコゲナイド膜の被覆(図1に示す第7工程S7)
第6工程S6の後に、排気された空間26において、MoS膜18の上に、絶縁膜28(図4(b)参照)を形成する。その結果、MoS膜18が、絶縁膜28によって被覆される。空間26は、S膜20を除去する第6工程S6の始めからMoS膜18を絶縁膜28によって被覆する第7工程S7の終わりまで、排気され続ける。
(1-7) Covering the metal chalcogenide film with an insulating film (seventh step S7 shown in FIG. 1)
After the sixth step S6, an insulating film 28 (see FIG. 4(b)) is formed on the MoS 2 film 18 in the evacuated space 26. As a result, the MoS 2 film 18 is covered with the insulating film 28. The space 26 continues to be evacuated from the beginning of the sixth step S6 in which the S film 20 is removed to the end of the seventh step S7 in which the MoS 2 film 18 is covered with the insulating film 28.

具体的には、排気された真空装置の内部(すなわち、排気された空間26)において、MoS膜18の上に絶縁膜28を蒸着する。最後に、この真空装置に大気を導入しその後、絶縁膜28が蒸着された基板16を、真空装置から取り出す。 Specifically, the insulating film 28 is deposited on the MoS 2 film 18 inside the evacuated vacuum device (ie, the evacuated space 26). Finally, the atmosphere is introduced into the vacuum apparatus, and then the substrate 16 on which the insulating film 28 is deposited is taken out from the vacuum apparatus.

絶縁膜28は、例えばSiO膜である。絶縁膜28は、他の絶縁体(例えば、Al膜またはHfO膜)であっても良い。絶縁膜28の厚さは例えば、0.5nm~100nmである。 The insulating film 28 is, for example, a SiO 2 film. The insulating film 28 may be another insulator (for example, an Al 2 O 3 film or a HfO 2 film). The thickness of the insulating film 28 is, for example, 0.5 nm to 100 nm.

第6~第7工程は真空一貫プロセスなので、第4工程S4において原子欠損が補填されたMoS膜18を、大気に曝さずに絶縁膜28によって被覆できる。従って、第6~第7工程によれば、大気によるMoS膜18の劣化(例えば、酸化)を抑制できる。 Since the sixth and seventh steps are vacuum integrated processes, the MoS 2 film 18 whose atomic vacancies have been compensated for in the fourth step S4 can be covered with the insulating film 28 without being exposed to the atmosphere. Therefore, according to the sixth and seventh steps, deterioration (for example, oxidation) of the MoS 2 film 18 due to the atmosphere can be suppressed.

第5~第7工程は、省略されても良い。第5~第7工程が省略されても、第1~第4工程は実行されるので、第1工程S1で形成するMoS膜18が有する原子欠損は、カルコゲン膜から補充されるカルコゲン原子によって効果的に補填される。 The fifth to seventh steps may be omitted. Even if the fifth to seventh steps are omitted, the first to fourth steps are executed, so the atomic vacancies in the MoS 2 film 18 formed in the first step S1 are replaced by chalcogen atoms replenished from the chalcogen film. effectively compensated.

(2)比較例
図1~4を参照して説明した例では、MoS膜18(図3(a)参照)と、S膜20と、グラフェン22とが、この順に積層された基板16を加熱する事で、MoS膜18に存在する、S原子の欠損を補填する。
(2) Comparative Example In the example described with reference to FIGS. 1 to 4, the MoS 2 film 18 (see FIG. 3(a)), the S film 20, and the graphene 22 are layered in this order on the substrate 16. By heating, deficiencies in S atoms present in the MoS 2 film 18 are compensated for.

しかし、別の方法によっても、S原子の欠損を補填する事は可能である。図7は、S原子の欠損を補填する別の方法の一例(以下、比較例と呼ぶ)を示す図である。この比較例では、MoS膜18が形成された基板16を、固体の硫黄120と共に、一つの容器30(例えば、石英アンプル)に密閉する。次に、この容器30ごと、MoS膜18および硫黄120を、例えばヒータ224によって加熱する。 However, it is also possible to compensate for the deficiency of S atoms by other methods. FIG. 7 is a diagram showing an example of another method (hereinafter referred to as a comparative example) for compensating for the deficiency of S atoms. In this comparative example, the substrate 16 on which the MoS 2 film 18 is formed is sealed together with solid sulfur 120 in one container 30 (for example, a quartz ampoule). Next, the MoS 2 film 18 and the sulfur 120 are heated together with the container 30 using, for example, a heater 224.

すると、加熱された硫黄120から、硫黄の蒸気(以下、S蒸気と呼ぶ)が発生する。このS蒸気とMoS膜18が接触すると、S蒸気中のS原子が、MoS膜18中の空孔14(すなわち、S原子の空孔)を取り囲むMo原子と結合する。換言するならば、MoS膜18が有する原子欠損が、S蒸気からのS原子によって補填される。 Then, sulfur vapor (hereinafter referred to as S vapor) is generated from the heated sulfur 120. When this S vapor comes into contact with the MoS 2 film 18, the S atoms in the S vapor combine with the Mo atoms surrounding the vacancies 14 (that is, the vacancies of S atoms) in the MoS 2 film 18. In other words, atomic vacancies in the MoS 2 film 18 are compensated for by S atoms from the S vapor.

一方、MoS膜中のS原子の一部は、MoS膜18から抜け出して、雰囲気中に拡散する。その結果、MoS膜18には、S原子の新たな欠損が発生する。このため、図7に示す比較例により、全体として、S原子の欠損を十分に減少させる事は困難である。MoS膜以外の金属カルコゲナイド膜についても、事情は同じである。 On the other hand, some of the S atoms in the MoS 2 film escape from the MoS 2 film 18 and diffuse into the atmosphere. As a result, new defects of S atoms occur in the MoS 2 film 18. Therefore, in the comparative example shown in FIG. 7, it is difficult to sufficiently reduce the defects of S atoms as a whole. The same situation applies to metal chalcogenide films other than MoS 2 films.

一方、図1~4を参照して説明した例によれば、加熱されたMoS膜18(図3(a)参照)から雰囲気中に拡散するS原子を、比較例より少なくできる。これは、S原子がグラフェン22を殆ど通り抜けられないため、MoS膜18を囲む雰囲気中へのS原子の拡散が抑制されるためである。 On the other hand, according to the example described with reference to FIGS. 1 to 4, the amount of S atoms diffused into the atmosphere from the heated MoS 2 film 18 (see FIG. 3(a)) can be reduced compared to the comparative example. This is because the S atoms hardly pass through the graphene 22, so that the diffusion of the S atoms into the atmosphere surrounding the MoS 2 film 18 is suppressed.

図8は、S原子112が、グラフェン122を殆ど通り抜けられない理由を説明する図である。グラフェンは、一つの面上に規則正しく配置された複数の炭素原子を有する単層である。 FIG. 8 is a diagram illustrating the reason why S atoms 112 hardly pass through graphene 122. Graphene is a single layer with multiple carbon atoms regularly arranged on one surface.

グラフェン内における、炭素原子の原子間距離dは、0.142nmである。この距離は、S原子112の半径R(=0.105nm)と同程度である。このため、S原子112は、図8に示すように、グラフェン122を殆ど通り抜けられない。S原子112より大きい硫黄分子については、尚更である。他のカルコゲン(すなわち、SeおよびTe)についても、事情は同じである。 The interatomic distance d of carbon atoms in graphene is 0.142 nm. This distance is approximately the same as the radius R (=0.105 nm) of the S atom 112. Therefore, as shown in FIG. 8, the S atoms 112 hardly pass through the graphene 122. This is even more true for sulfur molecules larger than 112 S atoms. The situation is the same for other chalcogens (namely Se and Te).

発明者は、原子半径がカルコゲンより小さい酸素さえグラフェンを殆ど通り抜けられない事を、以下の実験により確認した。先ず、CVD法によって、部分的に銅箔を被覆するグラフェンを形成した。その後、大気中でこの銅箔を加熱し、表面を観察した。加熱温度は、200℃である。 The inventor confirmed through the following experiment that even oxygen, whose atomic radius is smaller than chalcogen, hardly passes through graphene. First, graphene was formed to partially cover the copper foil using the CVD method. Thereafter, this copper foil was heated in the air and the surface was observed. The heating temperature is 200°C.

図9は、加熱後の銅箔32の断面図である。この銅箔32のうちグラフェン122によって被覆された部分は、加熱前と同じく銅色をしていた。一方、グラフェン122によって被覆されていない部分34(以下、露出部分と呼ぶ)は、変色していた。 FIG. 9 is a cross-sectional view of the copper foil 32 after heating. The portion of this copper foil 32 covered with graphene 122 had the same copper color as before heating. On the other hand, a portion 34 not covered with graphene 122 (hereinafter referred to as an exposed portion) was discolored.

これらの事実は、露出部分34は酸化されたが、グラフェン122で被覆された部分は酸化されなかった事を示している。この事は、酸素が、グラフェン122を殆ど通り抜けられない事を示している。 These facts indicate that the exposed portion 34 was oxidized, but the portion covered with graphene 122 was not. This shows that oxygen can hardly pass through the graphene 122.

六方晶窒化ホウ素は、原子間距離がグラフェンと略同じ層状物質である。従って、グラフェン22(図3(a)参照)の代わりに、単層~数層の六方晶窒化ホウ素でS膜20を被覆しても良い。 Hexagonal boron nitride is a layered material with approximately the same interatomic distance as graphene. Therefore, instead of the graphene 22 (see FIG. 3(a)), the S film 20 may be covered with a single layer to several layers of hexagonal boron nitride.

ところで、図1~4を参照して説明した例では、S膜20(図3(a)参照)のS原子によって、MoS膜18が有する原子欠損を補填する。S膜20に含まれる硫黄の量は、比較例で使用する硫黄120(図7参照)の量に比べ、極めて僅かである。従って、図1~4を参照して説明した例によれば、比較例に比べ極めて僅かな硫黄によって、S原子の欠損を補填できる。 By the way, in the example described with reference to FIGS. 1 to 4, the atomic vacancies in the MoS 2 film 18 are compensated for by the S atoms of the S film 20 (see FIG. 3(a)). The amount of sulfur contained in the S film 20 is extremely small compared to the amount of sulfur 120 (see FIG. 7) used in the comparative example. Therefore, according to the examples described with reference to FIGS. 1 to 4, the deficiency of S atoms can be compensated for with a much smaller amount of sulfur than in the comparative example.

同様に、S膜以外のカルコゲン膜(「(4)カルコゲン膜のバリエーション」参照)によって、カルコゲン原子の欠損を補填する場合も、僅かなカルコゲンによって、原子欠損を補填できる。 Similarly, when chalcogen atoms are compensated for by a chalcogen film other than the S film (see "(4) Chalcogen film variations"), the atomic deficiencies can be compensated for by a small amount of chalcogen.

(3)金属カルコゲナイド膜のバリエーション
図1~4に例示した製造方法では、第1工程S1(図1参照)で、MoS膜18を形成する。しかし、第1工程S1では、MoS膜18以外の金属カルコゲナイド膜を形成しても良い。第1工程S1で形成する金属カルコゲナイド膜は、単層および多層のいずれであっても良い。
(3) Variation of metal chalcogenide film In the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4, the MoS 2 film 18 is formed in the first step S1 (see FIG. 1). However, in the first step S1, a metal chalcogenide film other than the MoS 2 film 18 may be formed. The metal chalcogenide film formed in the first step S1 may be either a single layer or a multilayer.

例えば、第1工程S1で形成する金属カルコゲナイド膜は、遷移金属ダイカルコゲナイド、13族カルコゲナイド、14族カルコゲナイド、およびビスマスカルコゲナイドのいずれかを有する金属カルコゲナイド膜であって良い。 For example, the metal chalcogenide film formed in the first step S1 may be a metal chalcogenide film having any one of a transition metal dichalcogenide, a group 13 chalcogenide, a group 14 chalcogenide, and a bismuth chalcogenide.

遷移金属ダイカルコゲナイドとは、遷移金属(すなわち、Mo、Nb、W、Ta、Ti、Zr、Hf、V等)と、カルコゲン(すなわち、S、Se、Te)との化合物を意味する。13族カルコゲナイドは、13族元素(すなわち、Ga、In、Tl)とカルコゲンとの化合物を意味する。14族カルコゲナイドとは、14族元素(すなわち、Ge、Sn、Pb)と、カルコゲンとの化合物を意味する。ビスマスカルコゲナイドとは、ビスマスとカルコゲンとの化合物を意味する。 Transition metal dichalcogenide means a compound of a transition metal (ie, Mo, Nb, W, Ta, Ti, Zr, Hf, V, etc.) and a chalcogen (ie, S, Se, Te). Group 13 chalcogenide means a compound of a Group 13 element (ie, Ga, In, Tl) and chalcogen. Group 14 chalcogenide means a compound of a Group 14 element (ie, Ge, Sn, Pb) and chalcogen. Bismuth chalcogenide means a compound of bismuth and chalcogen.

(4)カルコゲン膜のバリエーション
図1~4に例示した製造方法では、第2工程S2(図1参照)で、S膜20(図2(b)参照)を形成する。しかし、第2工程S2では、S膜以外のカルコゲン膜を形成しても良い。第2工程S2で形成可能な主なカルコゲン膜は、以下に説明する第1~第3タイプに分類できる。
(4) Variation of Chalcogen Film In the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4, the S film 20 (see FIG. 2(b)) is formed in the second step S2 (see FIG. 1). However, in the second step S2, a chalcogen film other than the S film may be formed. The main chalcogen films that can be formed in the second step S2 can be classified into the first to third types described below.

-第1タイプのカルコゲン膜-
ところで、金属カルコゲナイド膜は、金属カルコゲナイドを有し、ある物(例えば、基板)の表面を覆う物体のことである。以下の説明では、上記「金属カルコゲナイド」(例えば、MoS)の構成元素(例えば、MoおよびS)のうちのカルコゲン(例えば、S)を、カルコゲン構成元素と呼ぶこととする。
-The first type of chalcogen film-
By the way, a metal chalcogenide film is an object that includes metal chalcogenide and covers the surface of a certain object (for example, a substrate). In the following description, chalcogen (eg, S) among the constituent elements (eg, Mo and S) of the above-mentioned "metal chalcogenide" (eg, MoS 2 ) will be referred to as a chalcogen constituent element.

第1タイプのカルコゲン膜は、第1工程S1で形成する金属カルコゲナイド膜が有するカルコゲン構成元素の単体である。図1~4に例示した製造方法では、第1工程S1でMoS膜を形成する。従って、図1~4に例示した製造方法における第1タイプのカルコゲン膜は、Sの単体である。 The first type of chalcogen film is a simple substance of the chalcogen constituent element that the metal chalcogenide film formed in the first step S1 has. In the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4, a MoS 2 film is formed in the first step S1. Therefore, the first type of chalcogen film in the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4 is composed of S alone.

第1工程S1でWSeを形成する場合は、第1タイプのカルコゲン膜は、Seの単体である。第1工程S1でWTeを形成する場合は、第1タイプのカルコゲン膜は、Teの単体である。 When WSe 2 is formed in the first step S1, the first type of chalcogen film is Se alone. When WTe 2 is formed in the first step S1, the first type of chalcogen film is a simple substance of Te.

第1タイプのカルコゲン膜は、金属カルコゲナイド膜のカルコゲン構成元素によって、金属カルコゲナイド膜の原子欠損を補填する。従って、第1タイプのカルコゲン膜によれば、不純物濃度を増加させずに、金属カルコゲナイド膜の原子欠損を補填できる。 The first type of chalcogen film compensates for atomic vacancies in the metal chalcogenide film by chalcogen constituent elements of the metal chalcogenide film. Therefore, according to the first type of chalcogen film, atomic vacancies in the metal chalcogenide film can be compensated for without increasing the impurity concentration.

-第2タイプのカルコゲン膜-
第2タイプのカルコゲン膜は、第1工程S1で形成する金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)が有するカルコゲン構成元素(例えば、S)とは異なる別のカルコゲン(例えば、Se)の単体である。
-Second type of chalcogen membrane-
The second type of chalcogen film is a simple substance of another chalcogen (e.g., Se) different from the chalcogen constituent element (e.g., S) contained in the metal chalcogenide film (e.g., MoS 2 film 18) formed in the first step S1. be.

図1~4に例示した製造方法では、第1工程S1でMoS膜を形成する。従って、第2タイプのカルコゲン膜は、Seの単体またはTeの単体である。 In the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4, a MoS 2 film is formed in the first step S1. Therefore, the second type of chalcogen film is a simple substance of Se or a simple substance of Te.

第2タイプのカルコゲン膜によれば、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜)の原子欠損を補填できるだけでなく、この金属カルコゲナイド膜へのドーピングも可能になる。この場合のドーパントは、金属カルコゲナイド膜のカルコゲン構成元素(例えば、S)とは異なる「別のカルコゲン」(例えば、Se)である。 The second type of chalcogen film not only makes it possible to compensate for atomic vacancies in a metal chalcogenide film (for example, MoS 2 film), but also makes it possible to dope the metal chalcogenide film. The dopant in this case is "another chalcogen" (eg, Se) different from the chalcogen constituent element (eg, S) of the metal chalcogenide film.

-第3タイプのカルコゲン膜-
第3タイプのカルコゲン膜は、第1工程S1で形成する金属カルコゲナイド膜が有するカルコゲン構成元素の単体、およびこのカルコゲン構成元素とは異なる「別のカルコゲン」の単体の双方を含む混合物である。
-Third type of chalcogen film-
The third type of chalcogen film is a mixture containing both a simple substance of the chalcogen constituent element included in the metal chalcogenide film formed in the first step S1 and a simple substance of "another chalcogen" different from this chalcogen constituent element.

図1~4に例示した製造方法では、第1工程S1でMoS膜を形成する。従って、第3タイプのカルコゲン膜は、例えば、Sの単体とSeの単体との混合物である。 In the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4, a MoS 2 film is formed in the first step S1. Therefore, the third type of chalcogen film is, for example, a mixture of a simple substance of S and a simple substance of Se.

第3タイプのカルコゲン膜によっても、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜)の原子欠損を補填できるだけでなく、この金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜)へのドーピングも可能である。この場合も、ドーパントは、上記「別のカルコゲン」(例えば、Se)である。 The third type of chalcogen film can not only compensate for atomic defects in a metal chalcogenide film (eg, MoS 2 film), but also allow doping into this metal chalcogenide film (eg, MoS 2 film). Again, the dopant is the above-mentioned "another chalcogen" (eg, Se).

更に、第3タイプのカルコゲン膜に混在する「別のカルコゲン」の割合を制御すれば、金属カルコゲナイドに導入されるドーパントの密度を制御できる。 Furthermore, by controlling the proportion of "another chalcogen" mixed in the third type chalcogen film, the density of the dopant introduced into the metal chalcogenide can be controlled.

第1~第3タイプのカルコゲン膜が含むカルコゲンの種類は2つまでであるが、第2工程で形成するカルコゲン膜は、3種類のカルコゲン(すなわち、S,Se,Te)を全て含む物質であっても良い。 The first to third types of chalcogen films contain up to two types of chalcogen, but the chalcogen film formed in the second step is a substance containing all three types of chalcogen (i.e., S, Se, Te). It's okay to have one.

(5)金属カルコゲナイド膜の形成方法
図1~4に例示した製造方法の第1工程S1(図1参照)では、CVD法を用いて、金属カルコゲナイド膜を形成する。しかし、第1工程S1では、CVD法以外の方法(例えば、熱硫化法)によって、金属カルコゲナイド膜を形成しても良い。ここでは、CVD法および熱硫化法を説明する。
(5) Method for Forming Metal Chalcogenide Film In the first step S1 (see FIG. 1) of the manufacturing method illustrated in FIGS. 1 to 4, a metal chalcogenide film is formed using the CVD method. However, in the first step S1, the metal chalcogenide film may be formed by a method other than the CVD method (for example, a thermal sulfurization method). Here, the CVD method and the thermal sulfurization method will be explained.

(5-1)CVD法
図10は、CVD法による金属カルコゲナイド膜の形成の一例を示す図である。図10に示す例では、MoS膜が形成される。図10に示すCVD法は、大気圧下で行われる。
(5-1) CVD method FIG. 10 is a diagram showing an example of forming a metal chalcogenide film by the CVD method. In the example shown in FIG. 10, a MoS 2 film is formed. The CVD method shown in FIG. 10 is performed under atmospheric pressure.

先ず、別々のヒータ36a,36b,36cで囲まれた3つのゾーンを有する反応管38の内部に、基板16、MoO40(三酸化モリブデン)、およびS42(例えば、硫黄の粉末)をこの順に配置する。基板16は、第1ヒータ36aに囲まれた第1ゾーンに配置する。MoO40は、第2ヒータ36bに囲まれた第2ゾーンに配置する。S42は、第3ヒータ36cに囲まれた第3ゾーンに配置する。なお、図10には、形成中のMoS膜18が示されている。 First, a substrate 16, MoO 3 40 (molybdenum trioxide), and S42 (e.g., sulfur powder) are placed in this order inside a reaction tube 38 having three zones surrounded by separate heaters 36a, 36b, 36c. Deploy. The substrate 16 is placed in a first zone surrounded by the first heater 36a. MoO 3 40 is placed in a second zone surrounded by the second heater 36b. S42 is arranged in the third zone surrounded by the third heater 36c. Note that FIG. 10 shows the MoS 2 film 18 being formed.

第2ゾーンに配置するMoO40の重量は、例えば1mg~100mgである。第3ゾーンに配置するS42の重量は、例えば10mg~1000mgである。 The weight of MoO 3 40 placed in the second zone is, for example, 1 mg to 100 mg. The weight of S42 placed in the third zone is, for example, 10 mg to 1000 mg.

この状態で、反応管38の両端のうちS42に最も近い一端から、反応管38にArガス44を導入する。Arガスの流量は、例えば100sccm~1000sccmである。Arガス44は、キャリアガスである。 In this state, Ar gas 44 is introduced into the reaction tube 38 from one end closest to S42 among both ends of the reaction tube 38. The flow rate of Ar gas is, for example, 100 sccm to 1000 sccm. Ar gas 44 is a carrier gas.

次に、第1ヒータ36aによって基板16を、500℃~1000℃に加熱する。更に、第2ヒータ36bによってMoO40を、300℃~600℃に加熱する。更に、第3ヒータ36cによってS42を、100℃~200℃に加熱する。すると、MoO40からMoOの蒸気が発生し、S42からはSの蒸気が発生する。 Next, the substrate 16 is heated to 500° C. to 1000° C. by the first heater 36a. Further, the MoO 3 40 is heated to 300° C. to 600° C. by the second heater 36b. Furthermore, S42 is heated to 100° C. to 200° C. by the third heater 36c. Then, MoO 3 vapor is generated from MoO 3 40, and S vapor is generated from S42.

このMoOの蒸気とSの蒸気とが気相中で反応して、基板16の上にMoS膜18が析出する。すなわち、基板16の上に、MoS膜18が形成される。 This MoO 3 vapor and S vapor react in the gas phase, and a MoS 2 film 18 is deposited on the substrate 16 . That is, a MoS 2 film 18 is formed on the substrate 16 .

図10を参照して説明したCVD法は一例であって、種々の変更が可能である。例えば、図10に示した例では、キャリアガスは、Arガス44である。しかし、キャリアガスは、Arガス44以外の不活性ガスであっても良い。これらのキャリアガスは、水素を含んでも良い。 The CVD method described with reference to FIG. 10 is an example, and various modifications are possible. For example, in the example shown in FIG. 10, the carrier gas is Ar gas 44. However, the carrier gas may be an inert gas other than Ar gas 44. These carrier gases may also contain hydrogen.

図10に示す例では、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)は、大気圧下で形成される。しかし、金属カルコゲナイド膜は、減圧下(例えば、真空中)で形成されても良い。 In the example shown in FIG. 10, the metal chalcogenide film (eg, MoS 2 film 18) is formed under atmospheric pressure. However, the metal chalcogenide film may also be formed under reduced pressure (eg, in a vacuum).

金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜)の前駆体は、単体および化合物のいずれであっても良い。上記「化合物」は、酸化物、塩化物、フッ化物、水素化物、および有機化合物のいずれであっても良い。ただし、上記「単体」および上記「化合物」は、金属カルコゲナイド膜の構成元素を含む物質である。 The precursor of the metal chalcogenide film (for example, MoS 2 film) may be either a single substance or a compound. The above-mentioned "compound" may be any of oxides, chlorides, fluorides, hydrides, and organic compounds. However, the above-mentioned "single substance" and the above-mentioned "compound" are substances containing constituent elements of the metal chalcogenide film.

図10に示す例では、前駆体は、複数の物質である。しかし、金属カルコゲナイド膜の前駆体は、金属カルコゲナイド膜の構成元素を全て含む単一の物質であっても良い。 In the example shown in FIG. 10, the precursors are multiple substances. However, the precursor of the metal chalcogenide film may be a single substance containing all the constituent elements of the metal chalcogenide film.

MoSは、かかる前駆体の一例である。HSを含む不活性ガス中でMoSを加熱すると、MoSがMoSに変化して、基板上に析出する。MoS、Mo、Mo、およびMoも、HSを含む不活性ガス中で加熱されると、MoSに変化して、基板上に析出する。これらの化合物も、金属カルコゲナイド膜の構成元素を全て含む単一の前駆体である。 MoS 3 is an example of such a precursor. When MoS 3 is heated in an inert gas containing H 2 S, MoS 3 changes to MoS 2 and is deposited on the substrate. When MoS 4 , Mo 2 S 3 , Mo 2 S 5 , and Mo 3 S 4 are also heated in an inert gas containing H 2 S, they change to MoS 2 and precipitate on the substrate. These compounds are also single precursors containing all the constituent elements of the metal chalcogenide film.

前駆体の形態は、固体、液体、および気体のいずれであっても良い。個体の前駆体は、結晶およびアモルファスのいずれであっても良い。前駆体が固体または液体の場合、加熱処理等によって前駆体を気化させる。気化した前駆体は、金属カルコゲナイド膜の構成元素を、基板まで輸送する。前駆体の蒸発量は、前駆体の加熱温度、雰囲気の圧力、反応管に装填する前駆体の量、および前駆体の蒸気圧に依存する。 The form of the precursor may be solid, liquid, or gas. The solid precursor may be either crystalline or amorphous. When the precursor is solid or liquid, the precursor is vaporized by heat treatment or the like. The vaporized precursor transports the constituent elements of the metal chalcogenide film to the substrate. The amount of evaporation of the precursor depends on the heating temperature of the precursor, the pressure of the atmosphere, the amount of the precursor loaded into the reaction tube, and the vapor pressure of the precursor.

前駆体に関するこれらのパラメータ(すなわち、加熱温度等)は、基板上に形成する金属カルコゲナイド膜(例えば、図10に示す基板16)の厚さおよび面積が、それぞれの目標値に達するように設定される。更に、金属カルコゲナイド膜が形成される基板の加熱温度も、基板上に形成する金属カルコゲナイド膜の厚さ、面積、および品質が、それぞれの目標値に達するように設定される。 These parameters regarding the precursor (i.e., heating temperature, etc.) are set so that the thickness and area of the metal chalcogenide film formed on the substrate (e.g., the substrate 16 shown in FIG. 10) reach respective target values. Ru. Further, the heating temperature of the substrate on which the metal chalcogenide film is formed is also set so that the thickness, area, and quality of the metal chalcogenide film formed on the substrate reach their respective target values.

種々の基板が、金属カルコゲナイド膜を形成するための基板16として使用可能である。例えば、熱酸化膜付きシリコン基板、サファイア基板、および酸化マグネシウム基板等が使用できる。 A variety of substrates can be used as substrate 16 for forming the metal chalcogenide film. For example, a silicon substrate with a thermal oxide film, a sapphire substrate, a magnesium oxide substrate, etc. can be used.

金属カルコゲナイド膜を合成する容器(例えば、図10に示す反応管38)内における基板および前駆体の配置は、図10に示す例には限られない。基板等の適切な配置は、金属カルコゲナイド膜の合成条件および反応炉の構造等によって変わる。 The arrangement of the substrate and the precursor in the container for synthesizing the metal chalcogenide film (for example, the reaction tube 38 shown in FIG. 10) is not limited to the example shown in FIG. Appropriate arrangement of the substrate etc. varies depending on the synthesis conditions of the metal chalcogenide film, the structure of the reactor, etc.

複数のゾーンの温度が別々に制御される反応炉(以下、多温度反応炉と呼ぶ)によれば、2つの前駆体を、別々の温度に加熱できる。図10に示した装置(すなわち、反応管38と3つのヒータ36a,36b,36cを有する装置)は、この様な反応炉の一例である。 According to a reactor in which the temperatures of a plurality of zones are controlled separately (hereinafter referred to as a multi-temperature reactor), two precursors can be heated to different temperatures. The apparatus shown in FIG. 10 (ie, the apparatus having a reaction tube 38 and three heaters 36a, 36b, 36c) is an example of such a reactor.

多温度反応炉によれば、複数の前駆体それぞれの加熱温度を別々に制御できるので、複数の前駆体それぞれの蒸発量を、独立に制御できる。従って、多温度反応炉によれば、基板上に形成する金属カルコゲナイド膜の化学量論的組成比を、制御できる。 According to the multi-temperature reactor, since the heating temperature of each of the plurality of precursors can be controlled separately, the amount of evaporation of each of the plurality of precursors can be independently controlled. Therefore, according to the multi-temperature reactor, the stoichiometric composition ratio of the metal chalcogenide film formed on the substrate can be controlled.

(5-2)熱硫化法
図11は、熱硫化法による金属カルコゲナイド膜の形成の一例を示す図である。図11に示す例では、MoS膜が形成される。図11に示す熱硫化法は、大気圧下で行われる。
(5-2) Thermal sulfurization method FIG. 11 is a diagram showing an example of formation of a metal chalcogenide film by the thermal sulfurization method. In the example shown in FIG. 11, a MoS 2 film is formed. The thermal sulfurization method shown in FIG. 11 is performed under atmospheric pressure.

先ず、別々のヒータ36a,36b,36cで囲まれた3つのゾーンを有する反応管38の内部に、Mo膜46(好ましくは、純粋なモリブデン膜)で表面が覆われた基板116と、S142(例えば、硫黄の粉末)をこの順に配置する。基板116は、第1ヒータ36aに囲まれた第1ゾーンに配置する。S142は、第3ヒータ36cに囲まれた第3ゾーンに配置する。なお、図11には、形成中のMoS膜118が示されている。 First, a substrate 116 whose surface is covered with a Mo film 46 (preferably a pure molybdenum film) and an S142 ( For example, sulfur powder) are placed in this order. The substrate 116 is placed in a first zone surrounded by the first heater 36a. S142 is arranged in the third zone surrounded by the third heater 36c. Note that FIG. 11 shows the MoS 2 film 118 being formed.

基板116の表面を覆うMo膜46の厚さは、例えば0.5nm~1000nmである。第3ゾーンに配置するS142の重量は、例えば1mg~1000mgである。 The thickness of the Mo film 46 covering the surface of the substrate 116 is, for example, 0.5 nm to 1000 nm. The weight of S142 placed in the third zone is, for example, 1 mg to 1000 mg.

この状態で、反応管38の両端のうちS142に最も近い一端から、反応管38にArガス44を導入する。Arガスの流量は、例えば10sccm~1000sccmである。 In this state, Ar gas 44 is introduced into the reaction tube 38 from one end of the reaction tube 38 that is closest to S142. The flow rate of Ar gas is, for example, 10 sccm to 1000 sccm.

次に、第1ヒータ36aによって基板116を、500℃~1000℃に加熱する。更に、第3ヒータ36cによってS142を、100℃~300℃に加熱する。すると、S142から、Sの蒸気が発生する。このSの蒸気と、基板116を覆うMo膜46が反応して、基板116の上にMoS膜118が析出する。すなわち、基板116の上に、MoS膜118が形成される。基板116およびS142を加熱する時間は、例えば1秒~10時間である。この時間は、基板116の上に形成するMoS膜118の厚さおよび面積が、それぞれの目標値に達するように設定される。 Next, the substrate 116 is heated to 500° C. to 1000° C. by the first heater 36a. Further, S142 is heated to 100° C. to 300° C. by the third heater 36c. Then, S vapor is generated from S142. This S vapor reacts with the Mo film 46 covering the substrate 116, and a MoS 2 film 118 is deposited on the substrate 116. That is, a MoS 2 film 118 is formed on the substrate 116. The time for heating the substrate 116 and S142 is, for example, 1 second to 10 hours. This time is set so that the thickness and area of the MoS 2 film 118 formed on the substrate 116 reach their respective target values.

基板116の表面を覆うMo膜46は、Moの単体ではなく、Moの化合物(例えば、MoO、MoCl等)であっても良い。Mo膜46は、例えば真空蒸着法またはスパッタリング法により、基板116の上に堆積する。Mo膜46を堆積する際の基板温度は、例えば室温~500℃である。Mo膜46の膜厚の目標値は、所望の厚さの金属カルコゲナイド膜が、基板116の上に形成される膜厚である。 The Mo film 46 covering the surface of the substrate 116 may be a compound of Mo (eg, MoO 3 , MoCl 5 , etc.) instead of Mo alone. The Mo film 46 is deposited on the substrate 116 by, for example, a vacuum evaporation method or a sputtering method. The substrate temperature when depositing the Mo film 46 is, for example, room temperature to 500°C. The target value of the film thickness of the Mo film 46 is a film thickness at which a metal chalcogenide film of a desired thickness is formed on the substrate 116.

図11を参照して説明した熱硫化法は一例であって、種々の変更が可能である。例えば、図11に示した例では、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜118)の形成は、大気圧下で行われる。しかし、金属カルコゲナイドの形成は、減圧下または加圧下で行われても良い。 The thermal sulfurization method described with reference to FIG. 11 is an example, and various modifications are possible. For example, in the example shown in FIG. 11, the formation of the metal chalcogenide film (eg, MoS 2 film 118) is performed under atmospheric pressure. However, the formation of metal chalcogenides may also be carried out under reduced pressure or under increased pressure.

図11を参照して説明した例では、カルコゲンの供給源は、固体(例えば、硫黄の粉末)である。しかし、カルコゲンの供給源は、固体でなくても良い。例えば、カルコゲンの供給源は、気体(例えば、硫化水素)であっても良い。 In the example described with reference to FIG. 11, the source of chalcogen is a solid (eg, sulfur powder). However, the source of chalcogen does not have to be solid. For example, the source of chalcogen may be a gas (eg, hydrogen sulfide).

カルコゲンの供給源が固体の場合、この固体を蒸発させる事で、カルコゲンを基板116まで輸送する。供給源から蒸発するカルコゲンの量は、供給源の加熱温度、雰囲気の圧力、反応炉に装填する供給源の量、および供給源の蒸気圧に依存する。 If the source of chalcogen is a solid, the chalcogen is transported to the substrate 116 by evaporating the solid. The amount of chalcogen that evaporates from the source depends on the heating temperature of the source, the pressure of the atmosphere, the amount of source loaded into the reactor, and the vapor pressure of the source.

従って、供給源に関するこれらのパラメータは、基板(例えば、図11に示す基板116)の上に形成する金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜118)の厚さおよび面積が、それぞれの目標値に達するように設定される。同様に、基板の加熱温度も、基板上に形成する金属カルコゲナイド膜の厚さ、面積、および品質が、それぞれの目標値に達するように設定される。 Therefore, these parameters regarding the source are such that the thickness and area of the metal chalcogenide film (e.g., MoS 2 film 118) formed on the substrate (e.g., the substrate 116 shown in FIG. 11) reaches the respective target values. It is set as follows. Similarly, the heating temperature of the substrate is also set so that the thickness, area, and quality of the metal chalcogenide film formed on the substrate reach their respective target values.

種々の基板が、金属カルコゲナイド膜が形成される基板116として使用可能である。例えば、熱酸化膜付きシリコン基板、サファイア基板、および酸化マグネシウム基板等が使用可能である。 A variety of substrates can be used as the substrate 116 on which the metal chalcogenide film is formed. For example, a silicon substrate with a thermal oxide film, a sapphire substrate, a magnesium oxide substrate, etc. can be used.

金属カルコゲナイド膜を合成する容器(例えば、反応管38)内における、基板116およびカルコゲン供給源(例えば、S142)の配置は、図11に示す例には限られない。基板等の最適な配置は、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜118)の合成条件および反応炉の構造等によって決まる。 The arrangement of the substrate 116 and the chalcogen supply source (for example, S142) in the container (for example, reaction tube 38) for synthesizing a metal chalcogenide film is not limited to the example shown in FIG. 11. The optimum arrangement of the substrate etc. is determined by the synthesis conditions of the metal chalcogenide film (for example, the MoS 2 film 118), the structure of the reactor, etc.

(6)グラフェンの転写方法
グラフェンの転写とは、例えばCVD法により触媒の上に形成したグラフェンを、触媒とは別の基板上に移すことである。図12~13は、S膜20(図2(c)参照)に、グラフェン22を転写する工程の一例を示す工程断面図である。図12~13に示す方法によってグラフェン22をS膜20に転写すると、高い被覆率(例えば、99%)を達成できる。
(6) Graphene transfer method Graphene transfer means transferring graphene formed on a catalyst by, for example, a CVD method onto a substrate different from the catalyst. 12 and 13 are process cross-sectional views showing an example of the process of transferring graphene 22 to the S film 20 (see FIG. 2(c)). When graphene 22 is transferred to S film 20 by the method shown in FIGS. 12 and 13, a high coverage rate (for example, 99%) can be achieved.

先ず、触媒50(図12(a)参照)とグラフェン22とがこの順に積層された基板48を、用意する。この様な基板48の代わりに、グラフェンが形成された自立した触媒箔を、用意しても良い。触媒50は、例えばFe、Ni、およびCuのいずれかの単体である。グラフェン22は、例えばCVDにより触媒50の上に形成された原子膜である。 First, a substrate 48 on which a catalyst 50 (see FIG. 12(a)) and graphene 22 are stacked in this order is prepared. Instead of such a substrate 48, a free-standing catalyst foil on which graphene is formed may be prepared. The catalyst 50 is, for example, one of Fe, Ni, and Cu. Graphene 22 is an atomic film formed on catalyst 50 by, for example, CVD.

次に、グラフェン22の上に、例えば厚さ0.1μm~100μmの支持膜52(図12(b)参照)を形成する。具体的には、先ず、グラフェン22の上に、スピンコート等によりレジストを塗布する。レジストの代わりに、ポリマーを塗布しても良い。その後、塗布したレジスト(または、ポリマー)を加熱する。加熱温度は、例えば室温~200℃である。 Next, a support film 52 (see FIG. 12(b)) having a thickness of 0.1 μm to 100 μm, for example, is formed on the graphene 22. Specifically, first, a resist is applied onto the graphene 22 by spin coating or the like. A polymer may be applied instead of a resist. The applied resist (or polymer) is then heated. The heating temperature is, for example, room temperature to 200°C.

すると、塗布したレジスト(または、ポリマー)が固化して、支持膜52になる。支持膜52は、上記以外の方法(例えば、真空蒸着)によって形成しても良い。 Then, the applied resist (or polymer) solidifies and becomes the support film 52. The support film 52 may be formed by a method other than the above (eg, vacuum deposition).

次に、支持膜52によって支持されたグラフェン22を、触媒50から剥離する(図12(c)参照)。具体的には、触媒50とグラフェン22と支持膜52とがこの順に積層された基板48を、触媒50のエッチング液に浸す。すると、サイドエッチングにより、触媒50が除去される。エッチング液は、例えば塩化鉄(III)(すなわち、FeCl)の水溶液である。 Next, the graphene 22 supported by the support film 52 is peeled off from the catalyst 50 (see FIG. 12(c)). Specifically, the substrate 48 on which the catalyst 50, graphene 22, and support film 52 are stacked in this order is immersed in an etching solution for the catalyst 50. Then, the catalyst 50 is removed by side etching. The etching solution is, for example, an aqueous solution of iron(III) chloride (ie, FeCl 3 ).

ここまでの処理により、支持膜52で支持されたグラフェン22(以下、支持膜付きグラフェン222と呼ぶ)が、形成される。その後、支持膜付きグラフェン222に付着したエッチング液を、水洗により除去する。 Through the processing up to this point, graphene 22 supported by the support film 52 (hereinafter referred to as graphene with support film 222) is formed. Thereafter, the etching solution adhering to the supporting film-attached graphene 222 is removed by washing with water.

次に、支持膜付きグラフェン222とS膜20とが接するように、支持膜付きグラフェン222とS膜20とを、重ね合わせる(図13(a)参照)。この状態で基板16を加熱して、支持膜付きグラフェン222とS膜20とを密着(すなわち、ぴったりと付着)させる。加熱温度は、例えば室温~300℃である。 Next, the graphene 222 with a supporting film and the S film 20 are overlapped so that the graphene 222 with a supporting film and the S film 20 are in contact with each other (see FIG. 13(a)). In this state, the substrate 16 is heated to bring the support film-attached graphene 222 and the S film 20 into close contact (that is, to make them tightly adhere). The heating temperature is, for example, room temperature to 300°C.

最後に、例えば有機溶剤(例えば、アセトン)で支持膜52を溶解する事で、支持膜52を除去する(図13(b)参照)。以上により、S膜20へのグラフェン22の転写が完了する。 Finally, the support film 52 is removed by dissolving it with, for example, an organic solvent (for example, acetone) (see FIG. 13(b)). Through the above steps, the transfer of the graphene 22 to the S film 20 is completed.

実施の形態1による製造方法は、金属(例えば、Mo)とカルコゲン(例えば、S)との化合物(例えば、MoS)を有する金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)を、基板上に形成する第1工程S1(図2(a)参照)を有する。 In the manufacturing method according to the first embodiment, a metal chalcogenide film (e.g., MoS 2 film 18) having a compound (e.g., MoS 2 ) of metal (e.g., Mo) and chalcogen (e.g., S) is formed on a substrate. The method includes a first step S1 (see FIG. 2(a)).

実施の形態1による製造方法は、更に、上記金属カルコゲナイド膜の上に、カルコゲン膜(例えば、S膜20)を形成する第2工程S2(図2(b)参照)を有する。かかるカルコゲン膜は、上記カルコゲン(例えば、S)とは異なる別のカルコゲン(例えば、SeまたはTe)および上記カルコゲン(例えば、S)の少なくとも一方を有する。 The manufacturing method according to the first embodiment further includes a second step S2 (see FIG. 2(b)) of forming a chalcogen film (eg, S film 20) on the metal chalcogenide film. Such a chalcogen film has at least one of another chalcogen (eg, Se or Te) different from the above chalcogen (eg, S) and the above chalcogen (eg, S).

実施の形態1による製造方法は、更に、上記カルコゲン膜(例えば、S膜20)の上に、グラフェン22または六方晶窒化ホウ素を配置する第3工程S3(図2(c)参照)を有する。 The manufacturing method according to the first embodiment further includes a third step S3 (see FIG. 2(c)) of disposing graphene 22 or hexagonal boron nitride on the chalcogen film (for example, S film 20).

実施の形態1による製造方法は、更に、第3工程S3の後に、上記カルコゲン膜(例えば、S膜20)と上記金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)とを加熱する第4工程S4(図3(a)参照)を有する。上記「カルコゲン」は、硫黄、セレン、およびテルルのいずれかである。更に、上記「別のカルコゲン」も、硫黄、セレン、およびテルルのいずれかである。 The manufacturing method according to the first embodiment further includes, after the third step S3, a fourth step S4 of heating the chalcogen film (for example, the S film 20) and the metal chalcogenide film (for example, the MoS 2 film 18). (see FIG. 3(a)). The above-mentioned "chalcogen" is sulfur, selenium, or tellurium. Furthermore, the above-mentioned "another chalcogen" is also one of sulfur, selenium, and tellurium.

第4工程S4によって、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)が有する、カルコゲン原子(例えば、S原子)の欠損が、補填される。一方、金属カルコゲナイド膜中のカルコゲン原子の一部は、金属カルコゲナイド膜から抜け出して、雰囲気中に拡散する。 In the fourth step S4, deficiencies in chalcogen atoms (eg, S atoms) in the metal chalcogenide film (eg, MoS 2 film 18) are compensated for. On the other hand, some of the chalcogen atoms in the metal chalcogenide film escape from the metal chalcogenide film and diffuse into the atmosphere.

金属カルコゲナイド膜からカルコゲン原子が抜け出すと、後にはカルコゲン原子の空孔が残される。すなわち、新たな原子欠損が、金属カルコゲナイド膜に生成されてしまう。 When chalcogen atoms escape from the metal chalcogenide film, vacancies of chalcogen atoms are left behind. That is, new atomic defects are generated in the metal chalcogenide film.

しかし、カルコゲン膜上のグラフェン(または、六方晶窒化ホウ素)を、カルコゲン原子は殆ど通り抜けられないので、金属カルコゲナイド膜には、新たな原子欠損は殆ど発生しない。従って、実施の形態1によれば、原子欠損が少ない金属カルコゲナイド膜(すなわち、カルコゲナイド系層状物質)を製造できる。 However, since chalcogen atoms hardly pass through the graphene (or hexagonal boron nitride) on the chalcogen film, almost no new atomic defects are generated in the metal chalcogenide film. Therefore, according to the first embodiment, a metal chalcogenide film (that is, a chalcogenide-based layered material) with few atomic defects can be manufactured.

実施の形態1の製造方法は、好ましくは、更に第5~第7工程を有する。第5工程S5は、第4工程S4の後に、グラフェン22(または、六方晶窒化ホウ素)を除去する工程である。第6工程S6は、第5工程S5の後に、排気された空間26(例えば、真空装置の内部)において、カルコゲン膜(例えば、S膜20)を除去する工程である。第7工程S7は、第6工程S6の後に、排気された上記空間26において、金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)の上に、絶縁膜28を形成する工程である。ただし、空間26は、第6工程S6の始めから第7工程S7の終わりまで、排気され続ける。 The manufacturing method of Embodiment 1 preferably further includes fifth to seventh steps. The fifth step S5 is a step of removing graphene 22 (or hexagonal boron nitride) after the fourth step S4. The sixth step S6 is a step of removing the chalcogen film (for example, the S film 20) in the evacuated space 26 (for example, inside the vacuum device) after the fifth step S5. The seventh step S7 is a step of forming an insulating film 28 on the metal chalcogenide film (for example, the MoS 2 film 18) in the space 26 evacuated after the sixth step S6. However, the space 26 continues to be exhausted from the beginning of the sixth step S6 to the end of the seventh step S7.

第5~第7工程によれば、第1~第4工程によって原子欠損が補填された金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)を、大気に曝さずに絶縁膜28によって被覆できる。従って、第5~第7工程によれば、第1~第4工程によって原子欠損が補填された金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜18)が、大気によって劣化(例えば、酸化)する事を抑制できる。 According to the fifth to seventh steps, the metal chalcogenide film (for example, the MoS 2 film 18) whose atomic vacancies have been compensated for in the first to fourth steps can be covered with the insulating film 28 without being exposed to the atmosphere. Therefore, according to the fifth to seventh steps, the metal chalcogenide film (for example, the MoS 2 film 18) whose atomic vacancies have been compensated for in the first to fourth steps is prevented from being degraded (for example, oxidized) by the atmosphere. can.

(実施の形態2)
実施の形態2は、金属カルコゲナイド膜と複数の電極とを有する半導体装置の製造方法に関するものである。図14は、実施の形態2による製造方法の一例を示す図である。図15~16は、図14に示した製造方法の工程断面図である。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a metal chalcogenide film and a plurality of electrodes. FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the manufacturing method according to the second embodiment. 15 and 16 are process cross-sectional views of the manufacturing method shown in FIG. 14.

図14~16に示す一例では、MoS膜と複数の電極とを有する半導体装置が製造される。しかし、図14~16に示す例は、MoS膜以外の金属カルコゲナイド膜を有する半導体装置に適用しても良い。 In an example shown in FIGS. 14 to 16, a semiconductor device having a MoS 2 film and a plurality of electrodes is manufactured. However, the examples shown in FIGS. 14 to 16 may be applied to semiconductor devices having metal chalcogenide films other than MoS 2 films.

(1)金属カルコゲナイド膜の形成~絶縁膜による金属カルコゲナイド膜の被覆(図1または14に示す第1工程S1~第7工程S7)
まず、実施の形態1で説明した第1~7工程(図1~4参照)に従って、原子欠損が補填されたMoS膜18(図4(b)参照)と、このMoS膜18を被覆する絶縁膜28とを基板16の上に形成する。
(1) Formation of metal chalcogenide film ~ Covering the metal chalcogenide film with an insulating film (first step S1 to seventh step S7 shown in FIG. 1 or 14)
First, in accordance with the first to seventh steps (see FIGS. 1 to 4) described in Embodiment 1, a MoS 2 film 18 (see FIG. 4(b)) in which atomic vacancies have been compensated and a coating film 18 is formed. An insulating film 28 is formed on the substrate 16.

(2)電極形成工程(図14に示す第8工程S8)
第7工程S7の後に、上記複数の電極を形成する。
(2) Electrode formation step (eighth step S8 shown in FIG. 14)
After the seventh step S7, the plurality of electrodes are formed.

具体的には先ず、上記基板16が配置された空間26(図4(b)参照)に大気を導入して、この空間26から基板16を取り出す。その後、リソグラフィ技術により絶縁膜28(図15(a)参照)の上に、帯状のフォトレジスト膜54を形成する。図15は、このフォトレジスト膜54を横切る断面図である。 Specifically, first, the atmosphere is introduced into the space 26 (see FIG. 4(b)) in which the substrate 16 is placed, and the substrate 16 is taken out from this space 26. Thereafter, a band-shaped photoresist film 54 is formed on the insulating film 28 (see FIG. 15(a)) using a lithography technique. FIG. 15 is a cross-sectional view across this photoresist film 54.

このフォトレジスト膜54を介して、絶縁膜28およびMoS膜18を、エッチングする。このエッチングは、例えばドライエッチングにより行われる。このエッチングにより、絶縁膜28を帯状の絶縁膜128(図15(b)参照)に成形し更に、MoS膜18を帯状のMoS膜218に成形する。 The insulating film 28 and the MoS 2 film 18 are etched through the photoresist film 54. This etching is performed, for example, by dry etching. By this etching, the insulating film 28 is formed into a band-shaped insulating film 128 (see FIG. 15(b)), and the MoS 2 film 18 is further formed into a band-shaped MoS 2 film 218.

次に、帯状の絶縁膜128の中央を露出させる第1開口56a(図15(c)参照)と、絶縁膜128の側面に接する第2~第3開口56b,56cとを有するフォトレジスト膜154を、リソグラフィ技術により形成する。 Next, a photoresist film 154 is formed which has a first opening 56a (see FIG. 15(c)) that exposes the center of the strip-shaped insulating film 128, and second and third openings 56b and 56c that are in contact with the side surfaces of the insulating film 128. is formed by lithography technology.

このフォトレジスト膜154を介して、基板16の上に金属膜58(図16(a)参照)を蒸着する。金属膜58の蒸着は、帯状のMoS膜218より金属膜58が過度に厚くならないように制御される。金属膜58の厚さは、例えば10nm~100nmである。金属膜58は、例えばTi/Au膜またはPd膜である。 A metal film 58 (see FIG. 16(a)) is deposited on the substrate 16 via this photoresist film 154. The deposition of the metal film 58 is controlled so that the metal film 58 is not excessively thicker than the strip-shaped MoS 2 film 218. The thickness of the metal film 58 is, for example, 10 nm to 100 nm. The metal film 58 is, for example, a Ti/Au film or a Pd film.

金属膜58の形成後、フォトレジスト膜154を除去する。すると、金属膜58のうちフォトレジスト膜154を覆う部分が除去される。その結果、帯状の絶縁膜128(図16(b)参照)の上に、トップゲート電極TGが形成される。更に、帯状のMoS膜218の側面の一方に接するソース電極Sと、帯状のMoS膜218の側面の他方に接するドレイン電極Dとが形成される。すなわち、リフトオフによって、トップゲート電極TGと、ソース電極Sと、ドレイン電極Dとを形成する。 After forming the metal film 58, the photoresist film 154 is removed. Then, the portion of the metal film 58 that covers the photoresist film 154 is removed. As a result, the top gate electrode TG is formed on the strip-shaped insulating film 128 (see FIG. 16(b)). Further, a source electrode S in contact with one side surface of the strip-shaped MoS 2 film 218 and a drain electrode D in contact with the other side surface of the strip-shaped MoS 2 film 218 are formed. That is, a top gate electrode TG, a source electrode S, and a drain electrode D are formed by lift-off.

以上の工程により、MoS膜218を有する活性層60と、トップゲート電極TGと、ソース電極Sと、ドレイン電極Dとを有するトップゲート型トランジスタ62が完成する。 Through the above steps, a top gate transistor 62 having an active layer 60 having the MoS 2 film 218, a top gate electrode TG, a source electrode S, and a drain electrode D is completed.

図14~16に例示した製造方法は、トップゲート型トランジスタを製造する方法である。しかし、図14~16に例示した製造方法は、例えば第8工程S8で形成する電極を変更する事で、トップゲート型トランジスタ以外の半導体素子(例えば、熱電変換素子)の製造にも適用できる。 The manufacturing method illustrated in FIGS. 14 to 16 is a method for manufacturing a top-gate transistor. However, the manufacturing method illustrated in FIGS. 14 to 16 can also be applied to manufacturing semiconductor elements other than top-gate transistors (eg, thermoelectric conversion elements) by changing the electrodes formed in the eighth step S8, for example.

以上のように、実施の形態2による製造方法は、実施の形態1で説明した第1~第4工程と、第4工程の後に、複数の電極(例えば、トップゲート電極TG、ソース電極S、およびドレイン電極D)を形成する電極形成工程とを有する。 As described above, in the manufacturing method according to the second embodiment, a plurality of electrodes (for example, top gate electrode TG, source electrode S, and an electrode forming step of forming a drain electrode D).

実施の形態2による製造方法は、実施の形態1で説明した第1~第4工程を有する。従って、実施の形態2による製造方法によれば、カルコゲン原子の欠損が少ない活性層60を有する半導体装置を製造できる。活性層60は、原子欠損が補填された金属カルコゲナイド膜である。 The manufacturing method according to the second embodiment includes the first to fourth steps described in the first embodiment. Therefore, according to the manufacturing method according to the second embodiment, it is possible to manufacture a semiconductor device having an active layer 60 with fewer chalcogen atoms. The active layer 60 is a metal chalcogenide film with atomic vacancies compensated for.

実施の形態2による製造方法は、実施の形態1による製造方法と同様、好ましくは第5~第7工程を有する。更に、複数の電極のうちの一つ(例えば、トップゲート電極TG)は、絶縁膜128の上に形成される。 Like the manufacturing method according to Embodiment 1, the manufacturing method according to the second embodiment preferably includes the fifth to seventh steps. Further, one of the plurality of electrodes (for example, top gate electrode TG) is formed on the insulating film 128.

第5~第7工程によれば、大気によって活性層60が劣化する事を抑制できる(実施の形態1参照)。ただし、第5~第7工程は、実施の形態1と同様、省略されても良い。 According to the fifth to seventh steps, deterioration of the active layer 60 due to the atmosphere can be suppressed (see Embodiment 1). However, the fifth to seventh steps may be omitted as in the first embodiment.

以上、本発明の実施形態について説明したが、実施の形態1~2は、例示であって制限的なものではない。例えば、実施の形態1~2に例示した第3工程S3は、カルコゲナイド膜に、グラフェン(または、六方晶窒化ホウ素)を転写する工程である。しかし、第3工程は、カルコゲナイド膜に直接、グラフェン(または、六方晶窒化ホウ素)を成長する工程であっても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the first and second embodiments are illustrative and not restrictive. For example, the third step S3 illustrated in Embodiments 1 and 2 is a step of transferring graphene (or hexagonal boron nitride) to a chalcogenide film. However, the third step may be a step of growing graphene (or hexagonal boron nitride) directly on the chalcogenide film.

更に、実施の形態1~2に例示した金属カルコゲナイド膜(例えば、MoS膜)は、金属カルコゲナイドとは異なる物質は含まない。しかし、実施の形態1~2における金属カルコゲナイド膜は、金属カルコゲナイドとは異なる物質を含んでも良い。 Furthermore, the metal chalcogenide films (eg, MoS 2 films) exemplified in Embodiments 1 and 2 do not contain any substance different from metal chalcogenide. However, the metal chalcogenide film in Embodiments 1 and 2 may contain a substance different from metal chalcogenide.

例えば、実施の形態1~2における金属カルコゲナイド膜は、金属(例えば、Mo)と金属カルコゲナイド(例えば、MoS)とをこの順に有する複合膜であっても良い。この様な複合膜は、例えば、熱硫化法によって金属カルコゲナイド膜を形成する際に形成される事がある。 For example, the metal chalcogenide film in Embodiments 1 and 2 may be a composite film containing a metal (eg, Mo) and a metal chalcogenide (eg, MoS 2 ) in this order. Such a composite film may be formed, for example, when forming a metal chalcogenide film by a thermal sulfurization method.

熱硫化法によって金属カルコゲナイド膜を形成する場合、基板116(図11参照)の上に形成した金属膜(例えば、Mo膜46)が厚すぎると、金属カルコゲナイドと基板116との間に、未反応の金属(例えば、Mo)が取り残される。その結果、金属カルコゲナイド(例えば、MoS)と金属とをこの順に有する金属カルコゲナイド膜が、基板116の上に形成される。 When forming a metal chalcogenide film by a thermal sulfurization method, if the metal film (for example, Mo film 46) formed on the substrate 116 (see FIG. 11) is too thick, unreacted parts may form between the metal chalcogenide and the substrate 116. of metal (eg, Mo) is left behind. As a result, a metal chalcogenide film including metal chalcogenide (eg, MoS 2 ) and metal in this order is formed on the substrate 116.

以上の実施の形態1~2に関し、更に以下の付記を開示する。 Regarding the first and second embodiments described above, the following additional notes are further disclosed.

(付記1)
金属とカルコゲンとの化合物を有する金属カルコゲナイド膜を、基板上に形成する第1工程と、
前記金属カルコゲナイド膜の上に、前記カルコゲンとは異なる別のカルコゲンおよび前記カルコゲンの少なくとも一方を有するカルコゲン膜を形成する第2工程と、
前記カルコゲン膜の上に、グラフェンまたは六方晶窒化ホウ素を配置する第3工程と、
前記第3工程の後に、前記カルコゲン膜と前記金属カルコゲナイド膜とを加熱する第4工程とを有する
カルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Additional note 1)
A first step of forming a metal chalcogenide film having a compound of metal and chalcogen on the substrate;
a second step of forming a chalcogen film having at least one of the chalcogen and another chalcogen different from the chalcogen on the metal chalcogenide film;
a third step of arranging graphene or hexagonal boron nitride on the chalcogen film;
A method for manufacturing a chalcogenide-based layered material, comprising a fourth step of heating the chalcogen film and the metal chalcogenide film after the third step.

(付記2)
前記カルコゲンおよび前記別のカルコゲンは、それぞれ硫黄、セレン、およびテルルのいずれかであることを
特徴とする付記1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Additional note 2)
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to Supplementary Note 1, wherein the chalcogen and the other chalcogen are each one of sulfur, selenium, and tellurium.

(付記3)
前記カルコゲン膜は、前記カルコゲンの単体であることを
特徴とする付記1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Additional note 3)
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to Supplementary Note 1, wherein the chalcogen film is a simple substance of the chalcogen.

(付記4)
前記カルコゲン膜は、前記別のカルコゲンの単体であることを
特徴とする付記1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Additional note 4)
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to Supplementary Note 1, wherein the chalcogen film is a simple substance of the other chalcogen.

(付記5)
前記カルコゲン膜は、前記カルコゲンの単体および前記別のカルコゲンの単体の双方を含むことを
特徴とする付記1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Appendix 5)
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to Supplementary Note 1, wherein the chalcogen film contains both the simple substance of the chalcogen and the simple substance of the other chalcogen.

(付記6)
前記第4工程の後に、前記グラフェンまたは前記六方晶窒化ホウ素を除去する第5工程と、
前記第5工程の後に、排気された空間において、前記カルコゲン膜を除去する第6工程と、
前記第6工程の後に、前記空間において更に、前記金属カルコゲナイド膜の上に、絶縁膜を形成する第7工程とを有し、
前記空間は、前記第6工程の始めから前記第7工程の終わりまで、排気され続けることを
特徴とする付記1~5のいずれか1項に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Appendix 6)
a fifth step of removing the graphene or the hexagonal boron nitride after the fourth step;
a sixth step of removing the chalcogen film in the evacuated space after the fifth step;
After the sixth step, further comprising a seventh step of forming an insulating film on the metal chalcogenide film in the space,
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to any one of Supplementary Notes 1 to 5, wherein the space is continuously evacuated from the beginning of the sixth step to the end of the seventh step.

(付記7)
前記第6工程は、前記空間において、前記カルコゲン膜を加熱する工程であることを
特徴とする付記6に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Appendix 7)
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to appendix 6, wherein the sixth step is a step of heating the chalcogen film in the space.

(付記8)
前記第3工程は、前記グラフェンまたは前記六方晶窒化ホウ素を、前記カルコゲン膜に転写する工程であることを
特徴とする付記1~7のいずれか1項に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
(Appendix 8)
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to any one of Supplementary Notes 1 to 7, wherein the third step is a step of transferring the graphene or the hexagonal boron nitride to the chalcogen film.

(付記9)
金属とカルコゲンとの化合物を有する金属カルコゲナイド膜と、複数の電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記金属カルコゲナイド膜を、基板上に形成する第1工程と、
前記金属カルコゲナイド膜の上に、前記カルコゲンとは異なる別のカルコゲンおよび前記カルコゲンの少なくとも一方を有するカルコゲン膜を形成する第2工程と、
前記カルコゲン膜の上に、グラフェンまたは六方晶窒化ホウ素を配置する第3工程と、
前記第3工程の後に、前記カルコゲン膜と前記金属カルコゲナイド膜とを加熱する第4工程と、
前記第4工程の後に、前記複数の電極を形成する電極形成工程とを有する
半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
A method for manufacturing a semiconductor device having a metal chalcogenide film having a compound of metal and chalcogen, and a plurality of electrodes, the method comprising:
a first step of forming the metal chalcogenide film on a substrate;
a second step of forming a chalcogen film having at least one of the chalcogen and another chalcogen different from the chalcogen on the metal chalcogenide film;
a third step of arranging graphene or hexagonal boron nitride on the chalcogen film;
a fourth step of heating the chalcogen film and the metal chalcogenide film after the third step;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising, after the fourth step, an electrode forming step of forming the plurality of electrodes.

(付記10)
前記カルコゲンおよび前記別のカルコゲンは、それぞれ硫黄、セレン、およびテルルのいずれかであることを、
特徴とする付記9に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
the chalcogen and the other chalcogen are each one of sulfur, selenium, and tellurium;
A method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 9.

(付記11)
前記第4工程の後に、前記グラフェンまたは前記六方晶窒化ホウ素を除去する第5工程と、
前記第5工程の後に、排気された空間において、前記カルコゲン膜を除去する第6工程と、
前記第6工程の後に、前記空間において更に、前記金属カルコゲナイド膜の上に絶縁膜を形成する第7工程とを有し、
前記空間は、前記第6工程の始めから前記第7工程の終わりまで排気され続け、
前記複数の電極のうちの一つは、前記絶縁膜の上に形成されることを
特徴とする付記9または10に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 11)
a fifth step of removing the graphene or the hexagonal boron nitride after the fourth step;
a sixth step of removing the chalcogen film in the evacuated space after the fifth step;
After the sixth step, further comprising a seventh step of forming an insulating film on the metal chalcogenide film in the space,
The space continues to be evacuated from the beginning of the sixth step to the end of the seventh step,
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 9 or 10, wherein one of the plurality of electrodes is formed on the insulating film.

16 :基板
18 :MoS
20 :S膜
22 :グラフェン
26 :空間
28 :絶縁膜
16: Substrate 18: MoS 2 film 20: S film 22: Graphene 26: Space 28: Insulating film

Claims (9)

金属とカルコゲンとの化合物を有する金属カルコゲナイド膜を、基板上に形成する第1工程と、
前記金属カルコゲナイド膜の上に、前記カルコゲンとは異なる別のカルコゲンおよび前記カルコゲンの少なくとも一方を有するカルコゲン膜を形成する第2工程と、
前記カルコゲン膜の上に、グラフェンまたは六方晶窒化ホウ素を配置する第3工程と、
前記第3工程の後に、前記カルコゲン膜と前記金属カルコゲナイド膜とを加熱する第4工程とを有する
カルコゲナイド系層状物質の製造方法。
A first step of forming a metal chalcogenide film having a compound of metal and chalcogen on the substrate;
a second step of forming a chalcogen film having at least one of the chalcogen and another chalcogen different from the chalcogen on the metal chalcogenide film;
a third step of arranging graphene or hexagonal boron nitride on the chalcogen film;
A method for manufacturing a chalcogenide-based layered material, comprising a fourth step of heating the chalcogen film and the metal chalcogenide film after the third step.
前記カルコゲンおよび前記別のカルコゲンは、それぞれ硫黄、セレン、およびテルルのいずれかであることを
特徴とする請求項1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to claim 1, wherein the chalcogen and the other chalcogen are each one of sulfur, selenium, and tellurium.
前記カルコゲン膜は、前記カルコゲンの単体であることを
特徴とする請求項1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to claim 1, wherein the chalcogen film is a simple substance of the chalcogen.
前記カルコゲン膜は、前記別のカルコゲンの単体であることを
特徴とする請求項1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to claim 1, wherein the chalcogen film is a simple substance of the other chalcogen.
前記カルコゲン膜は、前記カルコゲンの単体および前記別のカルコゲンの単体の双方を含むことを
特徴とする請求項1に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to claim 1, wherein the chalcogen film contains both the chalcogen alone and the other chalcogen alone.
前記第4工程の後に、前記グラフェンまたは前記六方晶窒化ホウ素を除去する第5工程と、
前記第5工程の後に、排気された空間において、前記カルコゲン膜を除去する第6工程と、
前記第6工程の後に、前記空間において更に、前記金属カルコゲナイド膜の上に、絶縁膜を形成する第7工程とを有し、
前記空間は、前記第6工程の始めから前記第7工程の終わりまで、排気され続けることを
特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載のカルコゲナイド系層状物質の製造方法。
a fifth step of removing the graphene or the hexagonal boron nitride after the fourth step;
a sixth step of removing the chalcogen film in the evacuated space after the fifth step;
After the sixth step, further comprising a seventh step of forming an insulating film on the metal chalcogenide film in the space,
The method for producing a chalcogenide-based layered material according to any one of claims 1 to 5, wherein the space is continuously evacuated from the beginning of the sixth step to the end of the seventh step.
金属とカルコゲンとの化合物を有する金属カルコゲナイド膜と、複数の電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記金属カルコゲナイド膜を、基板上に形成する第1工程と、
前記金属カルコゲナイド膜の上に、前記カルコゲンとは異なる別のカルコゲンおよび前記カルコゲンの少なくとも一方を有するカルコゲン膜を形成する第2工程と、
前記カルコゲン膜の上に、グラフェンまたは六方晶窒化ホウ素を配置する第3工程と、
前記第3工程の後に、前記カルコゲン膜と前記金属カルコゲナイド膜とを加熱する第4工程と、
前記第4工程の後に、前記複数の電極を形成する電極形成工程とを有する
半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device having a metal chalcogenide film having a compound of metal and chalcogen, and a plurality of electrodes, the method comprising:
a first step of forming the metal chalcogenide film on a substrate;
a second step of forming a chalcogen film having at least one of the chalcogen and another chalcogen different from the chalcogen on the metal chalcogenide film;
a third step of arranging graphene or hexagonal boron nitride on the chalcogen film;
a fourth step of heating the chalcogen film and the metal chalcogenide film after the third step;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising, after the fourth step, an electrode forming step of forming the plurality of electrodes.
前記カルコゲンおよび前記別のカルコゲンは、それぞれ硫黄、セレン、およびテルルのいずれかであることを
特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
8. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the chalcogen and the other chalcogen are each one of sulfur, selenium, and tellurium.
前記第4工程の後に、前記グラフェンまたは前記六方晶窒化ホウ素を除去する第5工程と、
前記第5工程の後に、排気された空間において、前記カルコゲン膜を除去する第6工程と、
前記第6工程の後に、前記空間において更に、前記金属カルコゲナイド膜の上に絶縁膜を形成する第7工程とを有し、
前記空間は、前記第6工程の始めから前記第7工程の終わりまで排気され続け、
前記複数の電極のうちの一つは、前記絶縁膜の上に形成されることを
特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。
a fifth step of removing the graphene or the hexagonal boron nitride after the fourth step;
a sixth step of removing the chalcogen film in the evacuated space after the fifth step;
After the sixth step, further comprising a seventh step of forming an insulating film on the metal chalcogenide film in the space,
The space continues to be evacuated from the beginning of the sixth step to the end of the seventh step,
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein one of the plurality of electrodes is formed on the insulating film.
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