JP7782895B2

JP7782895B2 - 保護膜により覆われた遷移金属ジカルコゲニドを含む電界効果トランジスター及びこの製造方法

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Publication number: JP7782895B2
Application number: JP2025066761A
Authority: JP
Inventors: パク，ジュンホン
Original assignee: インダストリー－アカデミックコーオペレイションファウンデーションキョンサンナショナルユニバーシティ
Priority date: 2024-04-15
Filing date: 2025-04-15
Publication date: 2025-12-09
Anticipated expiration: 2045-04-15
Also published as: US12400925B1; EP4637295A1; JP2025162546A; KR102775383B1

Description

本発明は、電界効果トランジスターに関し、より詳しくは、保護膜により覆われた遷移金属ジカルコゲニドを含む電界効果トランジスター及びこの製造方法に関する。

遷移金属ジカルコゲニド（ＴＭＤ；Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）をはじめとする２次元（２Ｄ）の半導体物質は、オン／オフ電流比の特性に優れていてキャリアの移動度が抜群であるというメリットがあることから、電子素子のチャンネル層として用いられる核心素子としての研究が行われてきている。しかしながら、遷移金属ジカルコゲニド物質の表面は大気環境や素子の作製工程などといったような多種多様な外部の環境に晒されるときに、表面に存在する色々な種類の分子の吸着が生じてしまい、これらが散乱又は捕獲の中心として働いてチャンネル内の局部的なかつ不均一な電子の分布を引き起こしてしまう結果、キャリアの移動度の低下や、順方向バイアスと逆方向バイアスとの間に履歴現象（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）などをもたらして半導体素子の信頼性を低下させてしまうという問題がある。したがって、遷移金属ジカルコゲニドの表面への不純分子の吸着による欠陥を防ぎ、電気的な性能を保持するための遮蔽効果を得るために、この表面に備えられる保護膜が必要である。

本発明は、上述した問題を解決するために案出されたものであって、その目的は、保護膜を備える電界効果トランジスター及びこの製造方法を提供することである。

前記技術的課題を達成するために、本発明の好適な態様による電界効果トランジスターは、基板の上に備えられ、遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備えるチャンネル層と、前記チャンネル層上の一部に互いに離れるように配置される複数の電極と、前記チャンネル層又は前記チャンネル層と前記電極を備えて覆われ、前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜と接触してファンデルワールスギャップを形成し、ハイドロカーボンを含む保護膜と、を備えていてもよい。

前記ハイドロカーボンは非晶質であり、ラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において１３５０ｃｍ^－１ピーク（Ｄ）及び／又は１６００ｃｍ^－１ピーク（Ｇ）が示す結晶質炭素構造を部分的に含んでいてもよい。

前記保護膜の誘電定数は、１０～４０であってもよい。

前記保護膜の膜厚は、０．１～５ｎｍであってもよい。

前記ファンデルワールスギャップは、１～５Åであってもよい。

前記保護膜は、外部の環境に晒されても電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することを特徴とし、前記電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することは、空気及び酸素との接触が数ヶ月間行われたときに、電子移動度の減少率が１０％未満として測定されることであってもよい。

前記技術的課題を達成するために、本発明の好適な態様による電界効果トランジスターの製造方法は、基板の上にハイドロカーボン薄膜を成長させるステップ（Ｓ０１）と、遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備えるチャンネル層及び前記チャンネル層上の残りの一部に互いに離れるように配置される複数の電極を備える電界効果トランジスターを用意するステップ（Ｓ０２）と、前記ハイドロカーボン薄膜を転写して前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜及び前記電極を覆い、前記ハイドロカーボン薄膜と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜はファンデルワールスギャップを形成するステップ（Ｓ０３）と、を含んでいてもよい。

前記ハイドロカーボン薄膜を成長させるステップは、低温化学気相蒸着（ＬＴＣＶＤ；ＬｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ－ＣＶＤ；ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ－ＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ；ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、常圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ；ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、金属有機化学気相蒸着（ＭｏＣＶＤ；ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）またはこれらのうちから選択される２以上の方法を含んでいてもよい。

前記ハイドロカーボン薄膜を成長させるステップの成長温度は、５００Ｋ～９００Ｋの範囲であってもよい。

前記ハイドロカーボン薄膜の誘電定数は、１０～４０であってもよい。

前記ハイドロカーボン薄膜の膜厚は、０．１～５ｎｍであってもよい。

前記ハイドロカーボン薄膜は、外部の環境に晒されても電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することを特徴とし、前記電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することは、空気及び酸素との接触が数ヶ月間行われたときに、電子移動度の減少率が１０％未満として測定されることであってもよい。

上記のような本発明によれば、本発明の好適な実施形態に係るハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた遷移金属ジカルコゲニドをチャンネル層として備える電界効果トランジスター（ＦＥＴ；Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、遷移金属ジカルコゲニドの表面にセンチメートルスケールの広い面積を有する誘電体薄膜を保護膜として形成することにより、周辺環境に存在する酸素、水分などの不純分子が遷移金属ジカルコゲニドの表面に吸着して欠陥として働いて、チャンネル内のキャリアの散乱ないし捕獲による電界効果トランジスターの電気的な性能が低下してしまうという問題を補完し、長期間にわっての保管安定性を向上させることができる。

本発明の効果は、上述した効果に何ら制限されるものではなく、明細書の全般にわたっての記載から通常の技術者にとって明らかに理解できるものの、明示的に言及されていない他の効果をも含む。

本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスターの断面を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスターの製造方法を示すフローチャートである。本発明の実施例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ２の断面を撮影した（ａ）走査型電子顕微鏡および（ｂ）高解像度透過型電子顕微鏡画像である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の光学顕微鏡写真である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜のラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の結果である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の（ａ）原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の結果、（ｂ）高倍率原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の結果、及び赤実線に沿って走査された表面高さの結果である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の誘電定数の測定のための金属－誘電体－半導体（ＭＩＳ；Ｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子の構造である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜のＭＩＳ素子の光学顕微鏡写真である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜のＣ－Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ－ｖｏｌｔａｇｅ）特性の結果である。本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の２端子ＩＶ特性の結果である。本発明の実施例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターの複数が２ｘ２ｃｍの基板に形成された光学顕微鏡写真である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対するＨＣ保護膜の有無に応じた伝送特性の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対するＨＣ保護膜無しの比較例１の出力特性の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対するＨＣ保護膜付きの実施例１の出力特性の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対するＨＣ保護膜の有無に応じた電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ）の統計の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対するＨＣ保護膜の有無に応じたＶ_ｔｈヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の統計の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、積層されたＨＣ／ＭｏＳｅ_２構造の模式図である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、ＭｏＳｅ_２（上）及びＨＣ（下）の投影状態密度（ＰＤｏＳ；Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓ）の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、バンド構造計算結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、差電荷密度（赤色：電子蓄積、緑色：電子空乏）の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、平面平均電荷密度差（正数値：電子蓄積、負数値：電子空乏）の結果である。本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、静電ポテンシャルの計算結果である。本発明の製造例１、実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対して３ヶ月間の保管後のラマン分光法の結果である。本発明の製造例１、実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対してＨＣ保護膜無しの比較例１の出力特性の結果である。本発明の製造例１、実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対してＨＣ保護膜付きの実施例１の出力特性の結果である。本発明の製造例１、実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対して保護膜の有無に応じた電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ）の統計の結果である。本発明の製造例１、実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対してＨＣ保護膜の有無に応じたＶ_ｔｈヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の統計の結果である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の好適な実施形態をより詳しく説明する。本発明の利点及び特徴、並びにそれらを成し遂げる方法は、添付図面と結び付けられて詳しく後述されている実施形態を参照すればより一層明らかになる筈である。しかしながら、本発明の技術的思想は以下に開示される実施形態に何ら限定されるものではなく、異なる様々な形態に具体化でき、単にこれらの実施形態は本発明の開示を完全たるものにし、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲の範ちゅうによって定義されるだけである。なお、明細書の全般にわたって、同一の参照符号は、同一の構成要素を指す。

また、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、技術的用語及び科学的用語を含めてこの明細書中に用いられる全ての用語は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって共通して理解可能な意味として使えるはずである。なお、一般に用いられる、辞書に定義されているような用語は、この開示において明らかに定義しない限り、理想的な意味として、または過度に形式的な意味として解釈されない。本明細書中において用いられた用語は、単に実施形態を説明するために用いられたものであり、本発明を制限しようとする意図はない。本明細書中において、単数の表現は、文脈からみて明らかに他の意味を有さない限り、複数の言い回しを含む。

本明細書中において用いられる「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの言い回しは、言及されている構成要素、段階、動作及び／又は素子の存在または付加を排除しない。

ハイドロカーボン保護膜により覆われた遷移金属ジカルコゲニドチャンネル層を備える電界効果トランジスター

図１は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスターの断面を示す模式図である。

図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスターは、チャンネル層１２０と、複数の電極１３０及び保護膜１４０を備える。より具体的には、チャンネル層１２０は、基板１１０の上に備えられ、遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備え、電極１３０は、チャンネル層１２０上の一部に互いに離れるように配置され、保護膜１４０は、チャンネル層１２０又はチャンネル層１２０と電極１３０を備えて覆われ、前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜と接触してファンデルワールスギャップを形成し、ハイドロカーボンを含む。

基板１１０は、半導体物質としてシリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳｏＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）などの半導体基板が使用可能であり、具体的には、表面に数～数百ナノメートルの層厚の誘電体層１１２、例えば、シリコンオキシドなどが形成されたシリコン１１１基板が使用可能である。また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２ｏ_３）などのワイドバンドギャップ半導体基板を用いることも可能である。基板１１０は、さらにドーパント（ｄｏｐａｎｔ）によりドープされたものを用いることも可能である。

チャンネル層１２０は、電気信号が印加されれば、電気的な変化の発生による反応する役割を果たす層であって、２次元の半導体物質を含んでいてもよい。具体的には、２次元（２Ｄ）の半導体物質は、単層内において強い共有結合をなしており、層と層との間においては相対的に弱いファンデルワールス力（Ｖａｎｄｅｒｗａａｌｓｆｏｒｃｅ）により結合された構造を有していてもよい。前記２次元の半導体物質は、チャンネル層１２０内において層状構造の極超薄膜又は極超薄板状の粒子、例えば、フレーク状に含まれてもよく、単層（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）又は２層以上の複層（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ）として含まれる層状物質であってもよい。具体的には、前記２次元の半導体物質は、数層の複層構造として含まれてもよい。前記２次元の半導体物質は、バルク又は通常の膜厚の薄膜状態では間接遷移特性を示すものの、単層又は数層以内の膜厚である場合に直接遷移特性を示し、光反応性に優れており、透明である他、柔らかいという特性があるため、光電子（ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）素子として適用されることも可能である。

また、前記２次元の半導体物質は、構成原子の間に非常に強い共有結合を保持する各層が存在し、各層間の弱いファンデルワールス力（ＶａｎｄｅｒＷａａｌｓｆｏｒｃｅ）による結合をする層状構造を有している。層の外に延び出るダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇｂｏｎｄ）が存在しないことから原理的に構成原子と２次元的な相互作用しかしないため、キャリアの輸送が、通常の薄膜やバルク物質とは異なり、弾度輸送の様相を示し、これにより、高移動度、高速、低電力の半導体として適用可能である。

前記２次元の半導体物質は、遷移金属ジカルコゲニド（ＴＭＤ；Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）を含んでいてもよい。具体的には、前記遷移金属ジカルコゲニド物質は、一般式ＭＸ_２で表され得、ここで、Ｍは、遷移金属元素であって、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ又はこれらの組み合わせのうちから選択される少なくともいずれか１種を含んでいてもよく、Ｘは、カルコゲン（ｃｈａｌｃｏｇｅｎ）元素であって、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ又はこれらの組み合わせのうちから選択される少なくともいずれか１種を含んでいてもよい。具体的には、前記遷移金属ジカルコゲニド物質は、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、ＭｏＴｅ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２、ＷＴｅ_２、ＺｒＳ_２、ＺｒＳｅ_２、ＨｆＳ_２、ＨｆＳｅ_２、ＮｂＳｅ_２、ＲｅＳｅ_２、ＰｄＴｅ_２又はこれらの組み合わせのうちから選択される少なくともいずれか１種を含んでいてもよい。さらに具体的には、前記遷移金属ジカルコゲニド物質は、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２又はこれらのうちから選択される少なくともいずれか１種を含んでいてもよく、一実施態様において、ＭｏＳｅ_２を含んでいてもよいが、これに何ら制限されるものではない。

前記遷移金属ジカルコゲニド物質の結晶構造（ｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、遷移金属であるＭとカルコゲン元素であるＸとの間に共有結合をしており、これに基づいて、平面方向に六方晶系の（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）構造を有していてもよい。さらなる相変化段階ないしドープ段階を通じて結晶構造を改変することも可能である。

特に、前記遷移金属ジカルコゲニドは、層状構造の極超薄膜又は極超薄板状の粒子、例えば、フレーク状に含まれてもよく、単層（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）又は２層以上の複層（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ）として含まれてもよい。前記遷移金属ジカルコゲニド物質がフレーク状に含まれる場合、この平均直径が数ナノメートル～数マイクロメートル（μｍ）スケールの大きさであるものが使用可能である。例えば、前記フレークの平均直径は、１ｎｍ～１００μｍであってもよい。

電極１３０は、金属又は金属化合物を含んでいてもよい。前記金属又は金属化合物は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ及びこれらの組み合わせのうちから選択される少なくともいずれか１種を含む金属元素を含んでいてもよく、金属電極（ｍｅｔａｌｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、金属配線（ｍｅｔａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）などの電子素子用に適用されるのに好適な種類の金属元素を含む種類のものであれば、非制限的に使用可能である。

保護膜１４０は、前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜が外部の環境に晒されるときに生じ得る諸問題を防ぐために覆われるパッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）膜であってもよい。遷移金属ジカルコゲニド物質の表面は、大気環境や電界効果トランジスターの作製工程などといったような多種多様な外部の環境に晒されるときに、表面に存在する色々な種類の分子の吸着が生じてしまい、これらが散乱又は捕獲の中心として働いてチャンネル内の局部的なかつ不均一な電子の分布を引き起こし、キャリアの移動度の低下や、順方向バイアスと逆方向バイアスとの間に履歴現象（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）などをもたらして電界効果トランジスターの性能を減少させるという問題がある。したがって、遷移金属ジカルコゲニドの表面に不純分子、例えば、酸素、水分などの吸着による欠陥を防ぎ、電気的な性能を保持するための遮蔽効果を得るために、この表面に保護膜１４０が備えられてもよい。

保護膜１４０は、チャンネル層１２０の表面を覆っており、外部の環境に晒されても電界効果トランジスターの電気的な性能を保持する役割を果たすことができる。

保護膜１４０は、ハイドロカーボン（ＨＣ；Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）を含んでいてもよい。前記ハイドロカーボン（ＨＣ）とは、炭素原子と水素原子との結合を主な骨格とする化合物のことを意味するものであり、ｓｐ^３結合又はｓｐ^２結合をランダム（ｒａｎｄｏｍ）に含有する非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）物質であって、具体的には、ｓｐ^３結合又はｓｐ^２結合のみから構成されていない化学的な構造を意味することがあり、固定された自由ラジカルを意味するいわゆるダングリングボンド（Ｄａｎｇｌｉｎｇｂｏｎｄ）が所定の割合にて含有されている構造を意味することがある。あるいは、結晶質のｓｐ^３結合又はｓｐ^２結合を一部含有し、残りの一部に非結晶質部分を含有する構造を意味することがある。例えば、本発明の一実施態様のラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において結晶質炭素を意味する１３５０ｃｍ^－１ピーク（Ｄ）及び／又は１６００ｃｍ^－１ピーク（Ｇ）が示す結晶質炭素構造を部分的に含んでいてもよい。このようなハイドロカーボン（ＨＣ）膜は、非晶質物質であって、グラフェン、ダイアモンドなどに代表される結晶質構造の炭化水素物質に比べて、一定のレベル以上の誘電率などの特性を有していてもよい。また、本発明において適用されたハイドロカーボン（ＨＣ）膜は、非晶質物質であって、結晶質とは異なり、大面積の成長及び転写工程を非常に行い易い。

前記ハイドロカーボン（ＨＣ）の誘電定数は、１０～４０であってもよく、具体的には１５～３５、さらに具体的には２０～３０であってもよい。前記範囲内の誘電定数を有する場合、高誘電体（ｈｉｇｈＫ）を用いるゲートの制御にも活用することができるので好適である場合がある。また、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）に所望の誘電的な性質を与えるために、さらなる化学処理を用いたドープないし改質の段階を付加して利用してもよい。一実施態様において、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）の誘電定数は２６であってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

また、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）は、外部の環境に晒されても電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の電気的な性能を保持する役割を果たすことができる。前記電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の電気的な性能を保持することは、空気及び酸素との接触が数ヶ月間行われたときに、電界効果トランジスターの電子移動度の減少率が小さいことを意味することがある。前記電界効果トランジスターの電子移動度の減少率が１０％未満、具体的には８％未満、さらに具体的には６％未満として測定されてもよい。一実施態様において、前記電子移動度の減少率は５．５％であってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

さらに、前記電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の電気的な性能を保持することは、空気及び酸素との接触が数ヶ月間行われたときに、電界効果トランジスターのヒステリシス増加幅が小さいことを意味することがある。前記電界効果トランジスターのヒステリシス増加幅は、具体的には１０Ｖ_ｔｈ未満、さらに具体的には７Ｖ_ｔｈ未満として測定されてもよい。一実施態様において、前記電界効果トランジスターのヒステリシス増加幅は５Ｖ_ｔｈであってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

さらに、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）は、前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜と接触して電界効果トランジスターの電子移動度を３０～８０％向上させる特性を与えることができる。一実施態様において、保護膜無しの遷移金属ジカルコゲニド薄膜の電子移動度（μ）は概ね２０～３０ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１のレベルであるが、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜付きの遷移金属ジカルコゲニド薄膜の電子移動度（μ）は４０～５０ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１のレベルに向上できるが、これに何ら制限されるものではない。

また、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）は、前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜と接触して順方向バイアスと逆方向バイアスとの間のスイーピングの間の履歴現象（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）を減少させる特性を与えることができる。一実施態様において、保護膜無しの遷移金属ジカルコゲニド薄膜のヒステリシスは概ね２０～３０Ｖ_ｔｈのレベルと高いものの、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜付きの遷移金属ジカルコゲニド薄膜のヒステリシスは１０～１５Ｖ_ｔｈのレベルまで下がる可能性があるが、これに何ら制限されるものではない。

一方、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜付きの前記チャンネル層は、空気及び酸素との接触が数ヶ月間行われたときに、電子移動度の減少率が１０％未満として測定されて電気的な特性が保持される特性を示すことができる。一実施態様において、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜付きのチャンネル層を備える電界効果トランジスターは、約３５～４０ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１の電子移動度と約１０～２０Ｖ_ｔｈのヒステリシス増加幅を示したが、３ヶ月が経った後にも依然として３５～４０ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１の電子移動度を示し、ヒステリシス増加幅を保持することができる。

これらに加えて、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）は、外部の環境に晒されても電界効果トランジスターの電気的な性能を保持する役割を果たすように、透湿性、低い酸素透過度、耐化学性などの物性をさらに有していてもよい。

前記ハイドロカーボン（ＨＣ）は、薄肉の薄膜状に含まれてもよく、このようなハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜は、底面がピン孔なしに柔らかくて連続的な表面特徴を示すことができながらも、かつ、横又は縦の長さが数～数十センチメートルスケールの規模の薄膜であってもよい。また、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜の膜厚は、数ナノメートルの膜厚であってもよく、１～５ｎｍ、具体的には２～３ｎｍであってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜は、化学気相蒸着（ＣＶＤ；ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法により成長可能であり、例えば、低温化学気相蒸着（ＬＴＣＶＤ；ＬｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ－ＣＶＤ；ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ－ＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ；ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、常圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ；ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、金属有機化学気相蒸着（ＭｏＣＶＤ；ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）又はこれらのうちから選択される２以上の方法を含んでいてもよい。一実施態様において、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜の成長は、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ－ＣＶＤ；ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ－ＣＶＤ）を用いて行われてもよいが、これに何ら制限されるものではない。

前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜は、十分に大きな面積を有していてもよく、チャンネル層１２０又はチャンネル層１２０と電極１３０を両方とも備えるように覆って（カバーして）保護膜として形成されてもよい。このとき、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜は、電界効果トランジスターのチャンネル層１２０の表面に酸素と水分といったような分子が吸着されて電界効果トランジスターの電気的な性能を減少させないために、外部の環境との物質的な交流を遮断し、遮蔽効果を与えるパッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）の役割を果たすことができる。

このとき、前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜が保護膜として形成される過程において、チャンネル層１２０及び電極１３０と密着される可能性があり、このような接触過程を促すために、さらなる低温熱処理、例えば、８０～１２０℃の温度において低温熱処理を施す過程が追加されてもよい。

前記ハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜は、上述したチャンネル層１２０と接触するように位置して２次元の半導体物質、例えば、遷移金属ジカルコゲニド薄膜と接触してこれらの界面においてファンデルワールスギャップ（ＶａｎｄｅｒＷａａｌｓｇａｐ）を形成することができる。前記ファンデルワールスギャップは、１ｎｍ以下の間隔、すなわち、数オングストローム（Å）の単位の間隔であってもよい。前記ファンデルワールスギャップは、１～５Åであってもよく、一実施態様において、３Åであってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

ハイドロカーボン保護膜により覆われた遷移金属ジカルコゲニドチャンネル層を備える電界効果トランジスターの製造方法

図２は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスターの製造方法を示すフローチャートである。

図２を参照すると、本発明の一実施形態に係るハイドロカーボン保護膜により覆われた遷移金属ジカルコゲニドチャンネル層を備える電界効果トランジスターの製造方法は、まず、基板の上にハイドロカーボン薄膜を成長させるステップ（Ｓ０１）を含んでいてもよい。

前記ハイドロカーボン薄膜を成長させるステップは、例えば、低温化学気相蒸着（ＬＴＣＶＤ；ＬｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ－ＣＶＤ；ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ－ＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ；ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、常圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ；ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、金属有機化学気相蒸着（ＭｏＣＶＤ；ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）又はこれらのうちから選択される２以上の方法が利用可能である。一実施態様において、前記ハイドロカーボン薄膜を成長させるステップは、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ－ＣＶＤ）を用いて行われてもよいが、これに何ら制限されるものではない。

前記ハイドロカーボン薄膜を基板の上に成長させるために、前記基板は、表面に数～数百ナノメートルの層厚の誘電体層、例えば、シリコンオキシドが形成されたシリコン基板が使用可能である。

前記基板の上へのハイドロカーボンの成長のための触媒として金属触媒層を形成することができる。前記金属触媒層は、数～数百ナノメートルの膜厚に蒸着された金属薄膜であってもよく、ナノ寸法の金属触媒粒子が一様に分散された薄膜であってもよい。前記金属触媒としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ及びＮｉのうちから選択される少なくともいずれか１種以上が使用可能である。一実施態様において、前記金属触媒は、Ａｇであってもよく、前記金属触媒層の層厚は、１５０～２５０ｎｍであってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

その後、前記金属触媒層が形成された基板をチャンバー内に位置させ、炭化水素ガスとキャリアガスを注入するとともに、ハイドロカーボンの成長温度に達するように加熱するステップが行われてもよい。

前記炭化水素ガスとしては、Ｃ１～Ｃ３の炭素及び水素を含む炭化水素物質、例えば、メタン、エタン、プロパンなどが使用可能であり、一実施態様において、前記炭化水素ガスとしては、メタン（ＣＨ_４）が使用可能である。

前記ハイドロカーボンの成長温度は、５００Ｋ～９００Ｋの範囲であってもよい。前記範囲内の成長温度において成長したハイドロカーボンは非晶質であり、ラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において１３５０ｃｍ^－１ピーク（Ｄ）及び／又は１６００ｃｍ^－１ピーク（Ｇ）が示す結晶質炭素構造を部分的に含む構造であり、約２６の誘電率が示されるハイドロカーボン物質が製造されてもよい。前記範囲未満の成長温度において成長したハイドロカーボンの化学構造は、非晶質物質のみから構成されてこの炭素構造を正確に把握することができず、前記範囲を超える成長温度を適用する場合に高い結晶性を帯びる結晶質炭素構造を有する物質から製造されて所望の物性のハイドロカーボン薄膜を製造し難くなる虞がある。具体的には、前記ハイドロカーボンの成長温度は、６００Ｋ～８００Ｋ、さらに具体的には６５０Ｋ～７５０Ｋであってもよい。一実施態様において、前記ハイドロカーボンの成長温度は、７３７Ｋであってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

前記方法により成長したハイドロカーボン薄膜は、前記基板の大きさに見合う分の広い面積に成長することができ、例えば、数～数十平方センチメートル（ｃｍ^２）のスケールの面積に形成されることができる。

前記基板の上に成長したハイドロカーボン薄膜の表面に高分子溶液を塗布し、締め固めて高分子塗装、例えば、ポリメタクリル酸メチル(ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）塗装を製造し、前記基板から引き離してハイドロカーボン薄膜が形成された高分子塗装を用意することができる。これを通じて、後述する電界効果トランジスターにハイドロカーボン薄膜を転写して保護膜を形成することができる。

この後、遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備えるチャンネル層及び前記チャンネル層上の残りの一部に互いに離れるように配置される複数の電極を備える電界効果トランジスターを用意するステップ（Ｓ０２）を含んでいてもよい。

前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜及び前記電極を用意するステップは、上述したハイドロカーボン保護膜により覆われた遷移金属ジカルコゲニドチャンネル層を備える電界効果トランジスターの部分において説明したものと同様に利用可能であり、これについての詳しい説明は、簡潔な記載のために省略する。

前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜を形成する方法としては、具体的には、層状バルク物質から粘着物質を用いて機械的に剥離する方法などの機械的な方法が利用可能であり、あるいは、単結晶の薄膜の蒸着のためのエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長方法により高真空又は超高真空の条件下で上手く成長されたシード（ｓｅｅｄ）に基づいて結晶成長する分子線エピタキシャル成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）方法、溶融塩を補助した熱化学気相蒸着方法などの化学的方法を利用することもできる。但し、上述した方法は単なる１つの例示に過ぎず、遷移金属ジカルコゲニド層を形成するために、既知の非制限的な方法を利用することもできる。

前記電極は、金属又は金属化合物を含んでいてもよい。前記金属又は金属化合物は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ及びこれらの組み合わせのうちから選択される少なくともいずれか１種を含む金属元素を含んでいてもよく、金属電極（ｍｅｔａｌｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、金属配線（ｍｅｔａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）などの電子素子用に適用されるのに好適な種類の金属元素を含む種類のものであれば、非制限的に使用可能である。

前記電極を蒸着するステップは、チャンネル層の欠陥を誘導しないレベルのエネルギーが印加される金属薄膜の蒸着方法、例えば、電子ビーム蒸着装置、熱蒸着装置、スパッターリングなどの方法を非制限的に利用可能である。

その後、前記ハイドロカーボン薄膜を転写して前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜及び前記電極を覆い、前記ハイドロカーボン薄膜と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜はファンデルワールスギャップを形成するステップ（Ｓ０３）を含んでいてもよい。

前記製造されたハイドロカーボン薄膜が形成された高分子塗装を前記ハイドロカーボンが形成された部分と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜が位置している部分とが接合されるように位置させることができる。その後、製造された高分子／ハイドロカーボン／遷移金属ジカルコゲニド薄膜を低温熱処理、例えば、８０～１２０℃の温度において熱処理して高分子塗装を平らにするとともに、前記ハイドロカーボン薄膜と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜との接触力を強化させることができる。

前記ハイドロカーボン薄膜と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜とが接触した界面においてファンデルワールスギャップが形成されてもよい。換言すれば、前記ハイドロカーボン薄膜と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜とは直接的に接触してファンデルワールス力（ｖｄＷ；ｖａｎｄｅｒＷａａｌｓｆｏｒｃｅ）による結合により接合されることができる。前記ファンデルワールスギャップが形成されることにより、表面反応性の高いダングリングボンド（Ｄａｎｇｌｉｎｇｂｏｎｄ）が取り除かれ、チャンネル層固有の物性が保存されることができ、チャンネル層内のキャリアの漏れを遮断し、準理想的な界面を形成することができるので、遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備えるチャンネル層内のキャリアの移動度が向上し、電界効果トランジスターの履歴現象が低減されるという効果が与えられることができる。

前記ファンデルワールスギャップは、１ｎｍ以下の間隔、すなわち、数オングストローム単位の間隔であってもよい。前記ファンデルワールスギャップは、１～５Åであってもよく、一実施態様において、３Åであってもよいが、これに何ら制限されるものではない。

以下、本発明を実施例及び比較例を用いてさらに詳しく説明する。しかしながら、下記の実施例及び比較例は、本発明の例証のためのものであり、本発明の範囲がこれに制限されることはない。

製造例１：ＩＣＰ－ＣＶＤ方法によるハイドロカーボン（ＨＣ）の製造
誘導結合プラズマ化学気相蒸着法（ＩＣＰ－ＣＶＤ；ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いてハイドロカーボン（ＨＣ）薄膜を形成する方法においては、まず、ハイドロカーボン（ＨＣ）の成長のための触媒として２００ｎｍの厚さのＡｇが蒸着されたＳｉｏ_２／Ｓｉ基板をチャンバー内に位置させ、ＣＨ_４ガス２０ｓｃｃｍ、Ａｒ＋Ｈ_２の混合ガス（９０：１０の体積％）１００ｓｃｃｍを注入するとともに、ハイドロカーボン（ＨＣ）の成長温度（７３７Ｋ）までチャンバーの温度を昇温させた。この後、ＣＨ_４ガス２０ｓｃｃｍの注入下で電力６００Ｗ及びチャンバー圧力１Ｔｏｒｒの条件下で誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を取り込ませた。これを通じて、ＩＣＰ－ＣＶＤ方法によりハイドロカーボン（ＨＣ；ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）膜を成長させた。

製造例２：多層ＭｏＳｅ_２電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の製造
多層ＭｏＳｅ_２電界効果トランジスター（ＦＥＴ）を作製するために、まず、バルクＭｏＳｅ_２からスコッチテープを用いて機械的に剥離することにより、多層ＭｏＳｅ_２フレークを製造し、これを３００ｎｍの層厚のＳｉｏ_２誘電層が形成されたｐ－Ｓｉ基板（２ｃｍｘ２ｃｍ）の上に転写した。多層ＭｏＳｅ_２フレークの転写過程において残留する化学物質を取り除くために、基板をアセトンに２時間かけて浸漬した後、イソプロピルアルコールにより濯ぎ、乾燥させた。ソース及びドレイン電極の場合、２０ｎｍの厚さのＴｉ及び２００ｎｍの厚さのＮｉを電子ビーム蒸着法を用いて蒸着し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを用いて電極のパターン化を行った。この後、有機残基を取り除き、金属電極とチャンネル層をもってＭｏＳｅ_２の間の接触抵抗を減少させるために、Ａｒ＋Ｈ_２の混合ガスの雰囲気下で２００℃、２時間かけてアニール（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を行った。２ｃｍｘ２ｃｍの大きさの基板の上に多層ＭｏＳｅ_２電界効果トランジスター（ＦＥＴ）が数十～数百個形成された。

実施例１：ハイドロカーボン（ＨＣ）膜を保護膜として適用した電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の製造
製造例１により製造されたハイドロカーボン（ＨＣ）膜の表面にＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）溶液を塗布してコートしかつ乾燥させ、形成されたＰＭＭＡ／ＨＣ／基板をフッ化水素（ＨＦ）エッチング水溶液により約３分間エッチングしてＰＭＭＡ／ＨＣ塗装を製造し、これを脱イオン水にて１５分間水洗いした。この後、ハイドロカーボン膜が形成されたＰＭＭＡ／ＨＣ塗装を２ｃｍｘ２ｃｍの大きさの製造例２により製造された多層ＭｏＳｅ_２ＦＥＴの上に載せ、数百個の多層ＭｏＳｅ_２ＦＥＴをいずれも覆うように位置させて保護膜の転写過程を行った。製造されたＰＭＭＡ／ＨＣ／多層ＭｏＳｅ_２ＦＥＴを３７３Ｋのホットプレートにおいて１日間加熱してＰＭＭＡフィルムを平坦化させ、ＭｏＳｅ_２層とハイドロカーボン（ＨＣ）との接着を促す過程を経た。その後、アセトンにより洗浄してＰＭＭＡを取り除いた。このようにして製造されたＨＣ／多層ＭｏＳｅ_２ＦＥＴをイソプロパノールにより濯ぎ、１００℃において１５分間加熱乾燥させ、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２電界効果トランジスター（ＦＥＴ）を製造した。

比較例１：保護膜無しの電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の製造
製造例２の多層ＭｏＳｅ_２電界効果トランジスター（ＦＥＴ）をそのまま用いて保護膜無しの電界効果トランジスターを製造した。

実験例１：ハイドロカーボン保護膜の物性の測定
図４は、本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の光学顕微鏡写真であり、図５は、本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜に対するラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の結果であり、図６は、本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜に対する（ａ）原子力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の結果、（ｂ）高倍率の原子力顕微鏡（ＡＦＭ）の結果及び赤実線に沿ってスキャンされた表面高さの結果である。

図４から図６を参照すると、本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜は、約２ｘ２ｃｍの大きさを有する大面積の薄膜として製造され、ＰＭＭＡ／ＨＣ／ＭｏＳｅ_２をアセトンに２４時間かけて浸漬してＰＭＭＡを取り除くことにより製造されたことを確認することができる。７３７Ｋにおいて合成されたＨＣ膜（製造例１）は、六方晶系のハニーコム構造が破壊されて無秩序な結晶性を帯びる２つの炭素ピーク、すなわち、１３５０ｃｍ^－１ピーク（Ｄ）及び１６００ｃｍ^－１ピーク（Ｇ）を示した。一方、４７３Ｋにおいて合成されたＨＣ膜の場合、２つのピークの強度が確認されず、炭素構造のエントロピーが増加、すなわち、有意味な炭素構造は確認されないことを類推することができる。次いで、ＡＦＭ像では、基板から剥離されたＨＣ膜の底面がピン孔なしに柔らかくて連続的な表面を有することを確認することができる。大面積に一様に蒸着された薄膜であることを考慮するとき、本発明の製造例１に従い成長したＨＣ膜は、表面粗さのＲＭＳ（二乗平均平方根）が約２．６ｎｍに過ぎず、一様に成長したことを確認することができる。したがって、ＨＣ／ＭｏＳｅ_２積層において無欠陥のファンデルワールスギャップを形成することができるので、遷移金属ジカルコゲニドを含む電界効果トランジスターの電気的な性能に優れているということを類推することができる。

図７は、本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の（ａ）誘電定数の測定のための金属－誘電体－半導体（ＭＩＳ；Ｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子の構造、（ｂ）ＭＩＳ素子の光学顕微鏡写真、（ｃ）Ｃ－Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ－ｖｏｌｔａｇｅ）及び（ｄ）２端子ＩＶ特性の結果である。

図７を参照すると、本発明の製造例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜は、誘電体膜であって、ゲート依存的な静電容量（ｇａｔｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、金属－誘電体－半導体（ＭＩＳ）装置を用いて測定された。Ｎ型Ｓｉ基板の背面にゲートバイアスが印加され、ＨＣ誘電層の上に０．２μｍの厚さ及び１００μｍの直径の金（Ａｕ）電極が積層された。ｎ－ブランチ（ｎ－ｂｒａｎｃｈ）において約３．０ｎＦの最大の静電容量を確認することができる。ＨＣ誘電体膜は、ヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）損失が少なく（１０ｍＶ未満）、累積変調と空乏との間の急激な遷移を示して、非常に低いトラップ電荷密度（ｔｒａｐｐｅｄｃｈａｒｇｅｄｅｎｓｉｔｙ）を示した。本発明の製造例１（７３７Ｋの温度において成長）によるハイドロカーボン（ＨＣ）膜の誘電率は約２６であり、最大のキャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）Ｃ_ｍａｘは、次の式１に従って計算された。
Ｃ_ｍａｘ＝ε_ＨＣ／ｔ_ＨＣ …（１）

ここで、ε_ＨＣは、ハイドロカーボン（ＨＣ）の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）であり、ｔ_ＨＣは、ハイドロカーボン（ＨＣ）膜の膜厚であり、ハイドロカーボン（ＨＣ）膜の膜厚は、約２．４ｎｍであり、したがって、等価酸化物の厚さは、約０．２ｎｍである。Ａｕ／ＨＣ／ＳｉＭＩＳコンデンサーの漏れ電流は、１Ｖの印加電圧において約１Ａｃｍ^－２であった。また、ＨＣ誘電体膜は、少なくとも１０ＭＶｃｍ^－１の誘電体強度に相当する２Ｖ以上に保持された。

図３は、本発明の実施例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２の断面を撮影した（ａ）走査電子顕微鏡像及び（ｂ）高解像度透過型電子顕微鏡画像であり、図８は、本発明の実施例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターの複数が２ｘ２ｃｍの基板に形成された光学顕微鏡写真である。

図３及び図８を参照すると、Ｓｉｏ_２／Ｓｉ基板の上に作製されたＭｏＳｅ_２ＦＥＴの上に２ｘ２ｃｍの大きさのハイドロカーボン（ＨＣ）膜（白色の点線にて示す）を転写した。これを通じて、積層されたＨＣ／ＭｏＳｅ_２ＦＥＴの断面を確認した結果、目立つようなピン孔や粒子状の欠陥なしに均一であり、連続的であり、概ね２．４ｎｍの膜厚を有するＨＣ薄膜が多層ＭｏＳｅ_２の上に覆われてチャンネル層を保護しており、このとき、ファンデルワールスギャップは、０．３ｎｍ（３Å）であることを確認することができる。

実験例２：素子の電気的な特性の測定
図９は、本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対する（ａ）ＨＣ保護膜の有無に応じた伝送特性、（ｂ）ＨＣ保護膜無しの比較例１の出力特性、（ｃ）ＨＣ保護膜付きの実施例１の出力特性、（ｄ）ＨＣ保護膜の有無に応じた電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ）の統計及び（ｅ）ＨＣ保護膜の有無に応じたＶ_ｔｈヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の統計の結果である。

図９を参照すると、Ｖ_ＤＳ＝１Ｖのソース－ドレイン電圧の印加に対する伝送特性（ｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）は、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜無しの場合に（黒色にて示す）、通常のｎ型挙動を示した。一方、保護膜がある場合（青色にて示す）セミ－ログスケール（ｓｅｍｉ－ｌｏｇｓｃａｌｅｄ）の伝送特性を示し、ｎ－ブランチにおいてＩ_ｏＮ電流が約６０から９０μＡに増加するのに対し、ｐ－ブランチのＩ_ｏＦＦ電流は略一定していた。また、電界効果電子の移動度（μ_ＦＥ－ｅ）は、下記の式２により得られた。
…（２）

ここで、δＶ_ＤＳ／δＶ_{ＢＧ｜ｍａｘ}は、最大のバック－ゲートトランスコンダクタンス（ｂａｃｋ－ｇａｔｅｄｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）、Ｌ及びＷは、それぞれチャンネルの長さと幅、Ｃ_ｏＸは、幾何学的なバックゲートキャパシタンス（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｂａｃｋ－ｇａｔｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）、Ｖ_ＤＳは、ドレイン－ソース電圧を示す。保護膜無しのＭｏＳｅ_２の電界効果電子の移動度（μ_ＦＥ－ｅ）は、約２９．６１ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１として計算されたのに対し、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜を転写した後の電界効果電子の移動度（μ_ＦＥ－ｅ）は、約４１．１８ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１であって、保護膜が備えられることにより、電界効果電子の移動度が約４０％向上したことを確認することができる。

また、ＨＣ／ＭｏＳｅ_２ファンデルワールス接合において向上したキャリア伝達挙動のみならず、順方向バイアスのスイーピングと逆方向バイアスのスイーピングとの間のヒステリシスが大幅に減少して駆動性能がさらに向上する。ヒステリシス損失の定量化された値を抽出するために、線状領域方法（ＥＬＲ；ｌｉｎｅａｒｒｅｇｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）を用いた外挿により線状スケールから順方向及び逆方向のスイーピング曲線のしきい値電圧（Ｖ_ｔｈ）を抽出した。ＥＬＲは、最大の最初の勾配（最大の転倒点、ｇｍ）からＩ_Ｄ－Ｖ_ｇグラフの線状外挿のゲート電圧軸切片（Ｉ_Ｄ＝０）を求めることである。したがって、ＭｏＳｅ_２ＦＥＴ上のＨＣキャッピング層がある場合に、ファンデルワールス界面の形成によってヒステリシスが２５Ｖから１２Ｖに減少した。Ｖ_ｔｈが負の方向に約４から１０Ｖに移動することは、僅かなｎ－ドープを示す。順方向スイープ（負から正に）は、さらなる負のバイアス方向へのしきい値電圧（Ｖ_{ＴＨ－ＦＷ}）の移動を誘導し、これは、ＭｏＳｅ_２チャンネルにおける電子トラッピングを示す。逆に、逆方向スイープ（正から負に）は、さらなる正のバイアスに向かっての臨界電圧のシフトを含み、これは、捕獲された電子のデトラッピング（ｄｅ－ｔｒａｐｐｉｎｇ）を示す。遷移金属ジカルコゲニドＦＥＴのヒステリシスは、ゲートバイアススイープの範囲、遷移金属ジカルコゲニド／ハイドロカーボン（ＨＣ）界面の品質、ゲート誘電体の厚さなどにより変更可能である。

電気駆動性能の向上は、スイープ速度１．６Ｖｓ^－１として測定された出力特性により確認することができる。図９ｂに示すように、保護膜無しのＭｏＳｅ_２ＦＥＴ（比較例１）のＩ_Ｄは、Ｖ_ＤＳとは略線状の関係にある。図９ｃのハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜を備えるＭｏＳｅ_２ＦＥＴ（実施例１）の出力性能は、略オーミック（ｏｈｍｉｃ）動作に近く、Ｉ_ＤとＶ_ＤＳとの間の線状関係を保持しながら向上する。Ｖ_ＢＧ＝４０Ｖの場合、１０Ｖ_ＤＳの出力電流（Ｉ_ｏＮ）が４２２から５９２μＡに増加し、－１０Ｖ_ＤＳの出力電流（Ｉ_ｏＮ）は、５３６から７１８μＡに向上する。これに対し、低温成長（４７３Ｋ）ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜を用いた場合においては、ヒステリシス損失が大幅に増加する。したがって、本発明によるファンデルワールス界面を有するＨＣ／ＭｏＳｅ_２ＦＥＴは、チャンネル表面を不動態化（保護）し、ＭｏＳｅ_２表面における分子の吸着を有効に遮断することにより、素子のヒステリシスの減少及び電子移動性を向上させることができる。ファンデルワールスギャップ（約０．３ｎｍ）がＨＣ保護膜及びＭｏＳｅ_２の界面に存在するので、原子の無秩序及び界面欠陥の発生を根本的に抑えることができる。

図９ｄ及び図９ｅを参照すると、５つの同一の素子により再現性の分析を行ったところ、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜付きのＭｏＳｅ_２ＦＥＴ（実施例１、ＨＣ／ＭｏＳｅ_２にて示されている）は、保護膜無しの通常のＭｏＳｅ_２ＦＥＴ（比較例１、ＢａｒｅＭｏＳｅ_２にて示されている）と比較して電子移動度を約９～５７％増加させた。また、実施例１の場合、ヒステリシス減少に対する再現性が約１０～１７Ｖ_ｔｈの範囲内であることが確認され、これに対し、比較例１のヒステリシスは、約１６～３７Ｖ_ｔｈの範囲に分布している。

図１０は、本発明の実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターと関連して、（ａ）積層されたＨＣ／ＭｏＳｅ_２構造の模式図、（ｂ）ＭｏＳｅ_２（上）及びＨＣ（下）の投影状態密度（ＰＤｏＳ；Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓ）、（ｃ）バンド構造計算、（ｄ）差電荷密度（赤色：電子蓄積、緑色：電子空乏）、（ｅ）平面平均電荷密度差（正数値：電子蓄積、負数値：電子空乏）及び（ｆ）静電ポテンシャルの計算結果である。

図１０を参照すると、密度関数理論（ＤＦＴ）の計算を行ってハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜を用いたファンデルワールスギャップの形成が単層ＭｏＳｅ_２に及ぼす電気的な影響を予測することができる。本発明において、単層ＭｏＳｅ_２及びＨＣモデルにそれぞれ３ｘ３及び４ｘ４のスーパーセル（ｓｕｐｅｒｃｅｌｌｓ）を用いた。図１０ａに示すように、非晶質ハイドロカーボン（ＨＣ）の原子構造は、正確な非晶質構造を推定することがほとんど不可能であるため、炭素ネットワークのハニーコム格子におけるＣ原子をＨ原子に置き換えて計算されてもよい。ＨＣとＭｏＳｅ_２との間のファンデルワールスギャップは、４．３７Åとして計算され、これは、以上述べた図３ｂのＴＥＭ結果と類似の範囲内にあることを確認することができる。図１０ｂの青色の点線のボックス内の範囲は、ＭｏＳｅ_２バンドギャップの範囲を示すものであり、ＭｏＳｅ_２（上）及びＨＣ（下）の投影状態密度（ＰＤｏＳ）を比較すれば、ＭｏＳｅ_２バンドギャップの範囲内には観察可能な電子状態がないということを確認することができ、図１０ｃから明らかなように、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜付きのＭｏＳｅ_２（実施例１）のバンド構造が保護膜無しのＭｏＳｅ_２（比較例１）のバンド構造と略同一であることが分かる。

また、図１０ｄは、ＨＣ／ＭｏＳｅ_２構造の電荷密度差の結果である。赤色は、電荷蓄積（ｃｈａｒｇｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）に相当するのに対し、緑色は、電荷空乏（ｃｈａｒｇｅｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）に相当する。ＭｏＳｅ_２の表面においてハイドロカーボン（ＨＣ）の積層によるファンデルワールス界面領域の近傍において電荷の再分配を誘導しながら差電荷密度を示す。これに対し、図１０ｅは、ＭｏＳｅ_２の小さい電荷濃度のみがファンデルワールスギャップに向かって移動した。図１０ｆは、ＨＣとＭｏＳｅ_２との間のファンデルワールスギャップが静電ポテンシャルの計算において導き出された３．９３ｅＶの高さ（φ）を有し、内蔵された界面電位と一致している。

図１１は、本発明の製造例１、実施例１及び比較例１によるハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対して、（ａ）３ヶ月間の保管後のラマン分光法の結果、保管期間に応じた（ｂ）ＨＣ保護膜無しの比較例１の出力特性、（ｃ）ＨＣ保護膜付きの実施例１の出力特性、保管期間に応じた（ｄ）保護膜の有無に応じた電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ）の統計及び（ｅ）ＨＣ保護膜の有無に応じたＶ_ｔｈヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の統計の結果である。

図１１を参照すると、本発明のハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜がキャッピングされた多層ＭｏＳｅ_２をチャンネル層として備える電界効果トランジスターに対して初期の測定を行った後、常温空気中において２日間及び３ヶ月の時間が経った後に素子の電気的な特性を測定してハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜の安定性を確認した。まず、図１１ａは、製造例１のハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜のラマン分光法の結果により、最初の測定の後に３ヶ月が経ったものの、ＤバンドとＧバンドは依然として観察されており、保護膜の化学構造は保持されるということを確認することができる。

図１１ｂは、保護膜無しのＭｏＳｅ_２ＦＥＴ（ＢａｒｅＭｏＳｅ_２ＦＥＴにて示されている）に対して最初の測定を行った後に３ヶ月が経った後の３１ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１の電界効果電子の移動度と約９Ｖ_ｔｈのヒステリシス幅を示している。２日後に、保護膜なしに空気に晒されたＭｏＳｅ_２の伝達曲線は、正のバイアスに移動しており、ヒステリシスは、僅かに増加しており、移動度は減少している。また、保護膜なしに３ヶ月の間に周辺条件にさらに晒されれば、ヒステリシス幅が３１Ｖ_ｔｈに増加しながら、電気性能が大幅に低下した。さらに、ＭｏＳｅ_２の移動度は、２０ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１に減少した。ＭｏＳｅ_２の表面の周辺分子の吸着によってキャリアは吸着された分子により閉じ込まれることになる。ＭｏＳｅ_２の表面に吸着された分子のカバレッジが増加することにつれて、空気／ＭｏＳｅ_２の界面におけるキャリアトラップ／脱トラップの工程が著しくなって、ヒステリシス幅が大幅に増加するのである。さらに、保護膜なしに空気への露出により形成されたＭｏＳｅ_２欠陥又は周縁部は、酸化が誘導されてＦＥＴ素子の電気性能の低下が生じる可能性がある。

一方、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜が形成されたＭｏＳｅ_２ＦＥＴ（ＨｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄＦＥＴにて示されている）に対する最初の測定に際して環境安定性が向上していることが確認され、３６ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１の電界効果電子の移動度と約１４Ｖ_ｔｈのヒステリシス幅を示したが、３ヶ月が経った後に３４ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１及び約１９Ｖ_ｔｈとして測定されて初期とは電気的な特性の差に大した変化がないということを確認することができた。すなわち、電界効果トランジスターの電子移動度は、外部の環境に晒される前の３６ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１から３ヶ月の間に晒された後の３４ｃｍ^２Ｖ^－１ｓ^－１に約５．５％の電子移動度の減少率を示すということを確認することができる。また、図１１ｄ及び図１１ｅを参照すると、同一の電界効果トランジスターの間の再現性を確認してみるときにも、ハイドロカーボン（ＨＣ）保護膜を通じて、以上説明したところと略同様に、電界効果トランジスターのチャンネル層に対するパッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）効果を示すということを確認することができた。

以上、添付図面に基づいて本発明の実施形態について述べてきたが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、本発明の技術的な思想や必須的な特徴を変更することなく、本発明の他の具体的な形態でも実施可能であるということが理解できる筈である。よって、上述した実施形態は、あらゆる面において例示的なものに過ぎず、限定的ではないものと理解すべきである。

１００電界効果トランジスター
１１０基板
１１１シリコン
１１２誘電体層
１２０チャンネル層
１３０電極
１４０保護膜

Claims

基板の上に備えられ、遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備えるチャンネル層と、
前記チャンネル層上の一部に互いに離れるように配置される複数の電極と、
前記チャンネル層又は前記チャンネル層と前記電極を備えて覆われ、前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜と接触してファンデルワールスギャップを形成し、ハイドロカーボンを含む保護膜と、
を備え、
前記保護膜は、外部の環境に晒されても電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することを特徴とし、
前記電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することは、空気及び酸素との接触が３ヶ月間行われたときに、電子移動度の減少率が１０％未満として測定されることである、電界効果トランジスター。
前記ハイドロカーボンは非晶質であり、ラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において１３５０ｃｍ^－１ピーク（Ｄ）及び／又は１６００ｃｍ^－１ピーク（Ｇ）が示す結晶質炭素構造を部分的に含む、請求項１に記載の電界効果トランジスター。
前記保護膜の誘電定数は、１０～４０である、請求項１に記載の電界効果トランジスター。
前記保護膜の膜厚は、０．１～５ｎｍである、請求項１に記載の電界効果トランジスター。
前記ファンデルワールスギャップは、１～５Åである、請求項１に記載の電界効果トランジスター。
基板の上にハイドロカーボン薄膜を成長させるステップ（Ｓ０１）と、
遷移金属ジカルコゲニド薄膜を備えるチャンネル層及び前記チャンネル層上の残りの一部に互いに離れるように配置される複数の電極を備える電界効果トランジスターを用意するステップ（Ｓ０２）と、
前記ハイドロカーボン薄膜を転写して前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜及び前記電極を覆い、前記ハイドロカーボン薄膜と前記遷移金属ジカルコゲニド薄膜はファンデルワールスギャップを形成するステップ（Ｓ０３）と、
を含む、電界効果トランジスターの製造方法。
前記ハイドロカーボン薄膜を成長させるステップは、低温化学気相蒸着（ＬＴＣＶＤ；ＬｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ－ＣＶＤ；ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ－ＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ；ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、常圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ；ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＣＶＤ）、金属有機化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ；ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）またはこれらのうちから選択される２以上の方法を含む、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。
前記ハイドロカーボン薄膜を成長させるステップの成長温度は、５００Ｋ～９００Ｋの範囲である、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。
前記ハイドロカーボン薄膜の誘電定数は、１０～４０である、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。
前記ハイドロカーボン薄膜は非晶質であり、ラマン分光法（Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において１３５０ｃｍ^－１ピーク（Ｄ）及び／又は１６００ｃｍ^－１ピーク（Ｇ）が示す結晶質炭素構造を部分的に含む、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。
前記ハイドロカーボン薄膜の膜厚は、０．１～５ｎｍである、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。
前記ファンデルワールスギャップは、１～５Åである、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。
前記ハイドロカーボン薄膜は、外部の環境に晒されても電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することを特徴とし、
前記電界効果トランジスターの電気的な性能を保持することは、空気及び酸素との接触が３ヶ月間行われたときに、電子移動度の減少率が１０％未満として測定されることである、請求項６に記載の電界効果トランジスターの製造方法。