基于二维过渡金属硫族化合物和碲的三维CMOS及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体技术领域，具体为基于二维过渡金属硫族化合物和碲的三维CMOS及其制备方法。本发明专利技术的三维CMOS由一层TMDs为活性层的N沟道场效应晶体管和一层单质碲（Te）为活性层的P沟道场效应晶体管连接而成；这种三维结构的CMOS可实现反相器、与非门、或非门等数字逻辑，以及其他模拟电路和射频模拟电路的功能。制备方法包括：器件基底的准备；制备TMDs或单质Te，无掩膜光刻制备底层场效应晶体管；单质Te或TMDs及其场效应晶体管（通孔及氧化物保护层）的制备。本发明专利技术通过无掩膜光刻制备三维的CMOS，其器件具有多功能集成、缩短互连、提高集成度、降功耗等优势。

【技术实现步骤摘要】
基于二维过渡金属硫族化合物和碲的三维CMOS及其制备方法
本专利技术属于半导体
，具体涉及基于二维过渡金属硫族化合物（TMDs）和碲的单片三维CMOS及其制备方法。
技术介绍
集成电路（ICs）由于体积小、质轻、寿命长、可靠性高、性能好等优势，已普遍存在于现代生活中，是电子产品中信息的处理、传输和存储等不可或缺的一员。在ICs中，N沟道场效应晶体管（N-MOFETs）和P沟道MOFETs（P-MOFETs）器件是互补型金属氧化物半导体（CMOS）必要的器件，因此，提高ICs的集成度需要缩小CMOS，即缩小MOFETs器件尺寸，为了能使MOSFET器件有效的开与关，需要将沟道薄膜减小至纳米级，目前，寻找一种可操作性好、性能优质的纳米级活性沟道材料成为了缩小MOFETs器件的挑战之一。二维过渡金属硫族化合物（TMDs，如MoS2、WS2等），其中机械剥离的单层MoS2薄膜FET迁移率超过200cm2V-1s-1，开关比超过107，且TMDs其单层厚度的可操作性已被应用于制备单片三维互补型金属氧化物半导体（CMOS）逻辑器件，但是，由于机械剥离材料面积小、CVD薄膜的转移技术限制了TMDs薄膜在集成电路中应用。近来，随着高温CVD制备TMDs薄膜及转移技术的提高，TMDs薄膜以用于制备CMOS，如胡正明等人用层状的WSe2和MoS2实现了单片三维结构的多功能CMOS，这进一步推动了TMDs在ICs中的商业应用前景。纳米结构的单质P型半导体材料，如无定型硅（α-Si）、多晶锗（p-Ge）和碳纳米管（CNT）由于空穴迁移率低（α-Si迁移率低于1cm2V-1s-1）、杂质残留（p-Ge退火采用金属做催化剂；CNT为CVD制备中金属催化剂）等问题，限制了其在CMOS中的使用。单晶碲（Te）其能带Eg=0.31eV具有较高的空穴迁移率700cm2V-1s-1，实验中热蒸发单质Te薄膜其迁移率可达几百cm2V-1s-1，将成为未来单质P型半导体材料的一个研究热点；AliJavey利用-80℃低温衬底制备单质Te薄膜和基于Te薄膜实现了三维CMOS的多功能逻辑电路。相对其他纳米级厚度的材料，N型的TMDs和P型单质Te都具有较高的迁移率，但目前并未有研究基于TMDs和P型单质碲（Te）薄膜制备CMOS；且没有基于低温（-80℃）衬底下制备单质Te薄膜与其他二维材料做成CMOS的电路集成。
技术实现思路
针对现有TMDs、P型单质Te薄膜CMOS和其电路集成技术存在的不足，本专利技术的目的在于提出一种新型TMDs和P型单质Te互补型金属氧化物半导体器件及其制备方法。这种半导体器件可实现多种逻辑栅控，其制备过程简单、成本低廉，可进一步推进TMDs在CIs中的应用。本专利技术提出的基于二维过渡金属硫族化合物（TMDs）和碲（Te）的单片三维CMOS器件，由一层TMDs为活性层的N沟道场效应晶体管（记为N-FET）和一层单质Te为活性层的P沟道场效应晶体管（记为P-FET）连接而成；这种三维结构的CMOS可实现反相器、与非门、或非门等数字逻辑,以及其他模拟电路和射频模拟电路的功能。本专利技术提出的基于二维过渡金属硫族化合物和碲的单片三维CMOS器件的制备方法，具体步骤如下。（1）准备器件衬底，包括衬底的选材、清洗、预处理、对准标记所述的器件衬底可为硅片（含氧化硅薄层）、蓝宝石、石英、玻璃、聚合物或塑料等；其选材可根据所要制备CMOS结构中的晶体管类型来选择，如底层晶体管为背栅、埋栅晶体管，可采用含氧化硅薄层的硅片、蓝宝石、石英为衬底；底层晶体管为顶栅晶体管，可采用上述的任意材料作为衬底；所述的衬底的清洗其目的是去除衬底在加工、运输、保存、使用过程中表面残留的杂质和灰尘，可采用有机溶剂、稀酸碱液、去离子水等超声清洗；所述衬底的预处理主要是增强衬底与器件间的粘附性和减小衬底表面的粗糙性，可以用烘箱或恒温加热台烘烤或加热、等离子体处理或旋涂光刻胶、镀膜等方式对衬底进行预处理；对准标记是便于器件制备过程中各个工艺间的精确对准。（2）在器件衬底上，制备N型TMDs（或P型单质Te），作为底层晶体管活性层薄膜；并基于该底层活性薄膜，采用无掩膜光刻、刻蚀和薄膜沉积等技术制备底层晶体管；其中，所述的N型TMDs薄膜可用机械剥离方式制备得较小面积的二维原子晶体薄膜材料，或者用化学气相沉积法（CVD）或物理气相沉积方法制备得较大面积的二维原子晶体薄膜材料；转移可根据衬底、薄膜采用干法和湿法将TMDs薄膜转移至目标衬底上；这里，所述的TMDs薄膜材料可以为MoS2、WS2、Bi2S3、ZnS或CdS等；所述的P型单质蹄，是在-80℃温度下，采用常规光刻形成图案或硬掩膜版热蒸镀厚度在100nm以下的单质Te薄膜；N型的TMDs薄膜或单质Te的薄膜用作待制备底层晶体管和顶层晶体管的活性层；所述的硬掩膜版（可以采用光刻、湿法刻蚀、深硅刻蚀等方法制备），使用时采用高精度对准平台装置将衬底与硅基掩膜版对准。具体制作可参考《一种高精密硅基通孔掩膜版分体图形结构》（CN109188858A）和《超高精密硅基通孔图形结构的制备方法》（CN105261588A），使用可参考技术专利《一种用于精密掩膜版对准的微型装置》（CN203932033U）和《一种辅助硬通孔掩膜版和样品进行精确对准的装置》（CN109065493A）；所述的无掩膜光刻采用的是电子束光刻、激光直写等设备；所述的刻蚀主要用于刻蚀二维过渡金属硫族化合物（TMDs）、器件间的连接通孔，TMDs的刻蚀可用含F+气体的反应离子体（RIE）、等离子体刻蚀（PE）或感应耦合等离子体刻蚀（ICP）设备干法刻蚀，通孔刻蚀可采用干法和湿法刻蚀；所述薄膜沉积是用热蒸镀（TE）、电子束蒸发（EBE）、原子层沉积(ALD)、磁控溅射、物理气相沉积（PVD）等方式沉积薄膜，从而制备底层晶体管的金属电极、连接通孔、绝缘层（栅介质种子层、栅介质层）。（3）底层晶体管和顶层晶体管的隔层的制备所述的底层晶体管和顶层晶体管的隔层，材料为氧化硅（SiO2）、氧化锆（ZrO2）、氧化铪（HfO2）、氧化铝（Al2O3）、SixCyOz、或SixByCzNk等绝缘体薄膜，主要采用热蒸镀（TE）、电子束蒸发（EBE）、原子层沉积(ALD)等方法制备。该隔层也可作为晶体管的栅介质层。（4）在底层晶体管上制备P型Te薄膜（或N型TMDs薄膜），作为顶层晶体管的活性层薄膜；并基于该顶层晶体管活性层薄膜制备顶层晶体管（包括刻蚀通孔及制备保护层）。本专利技术中，步骤（2）中，底层晶体管活性层薄膜为N型TMDs时，对应于步骤（4）中，顶层晶体管的活性层薄膜为P型Te；步骤（2）中，底层晶体管活性层薄膜为P型Te时，对应于步骤（4）中，顶层晶体管的活性层薄膜为N型TMDs；从而形成TMDs和P型单质Te互补型金属氧化物半导体器件（即三维CMOS器件）。本专利技术中，所述的顶层晶体管可依据底层晶体管的类型、结构，以及制备方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维过渡金属硫族化合物和碲的单片三维CMOS，其特征在于，由一层TMDs为活性层的N沟道场效应晶体管和一层单质碲为活性层的P沟道场效应晶体管连接而成；这种三维结构的CMOS可实现反相器、与非门、或非门等数字逻辑，以及其他模拟电路和射频模拟电路的功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二维过渡金属硫族化合物和碲的单片三维CMOS，其特征在于，由一层TMDs为活性层的N沟道场效应晶体管和一层单质碲为活性层的P沟道场效应晶体管连接而成；这种三维结构的CMOS可实现反相器、与非门、或非门等数字逻辑，以及其他模拟电路和射频模拟电路的功能。


2.如权利要求1所述的基于二维过渡金属硫族化合物和碲的单片三维CMOS的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）准备器件衬底，包括衬底的选材、清洗、预处理、对准标记；
（2）在器件衬底上，制备N型TMDs或P型单质Te，作为底层晶体管活性层薄膜；并基于该底层活性薄膜，采用无掩膜光刻、刻蚀和薄膜沉积等技术制备底层晶体管；
（3）底层晶体管和顶层晶体管的隔层的制备
所述隔层的材料为氧化硅、氧化锆、氧化铪、氧化铝、SixCyOz或SixByCzNk绝缘体薄膜，主要采用热蒸镀、电子束蒸发或原子层沉积方法制备；该隔层也可作为晶体管的栅介质层；
（4）在底层晶体管上制备P型Te薄膜或N型TMDs薄膜，作为顶层晶体管的活性层薄膜；并基于该顶层晶体管活性层薄膜制备顶层晶体管，包括刻蚀通孔及制备氧化物保护层；
步骤（2）中，底层晶体管活性层薄膜为N型TMDs时，对应于步骤（4）中，顶层晶体管的活性层薄膜为P型Te；步骤（2）中，底层晶体管活性层薄膜为P型Te时，对应于步骤（4）中，顶层晶体管的活性层薄膜为N型TMDs；从而形成TMDs和P型单质Te互补型三维CMOS器件。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述器件衬底为氧化硅薄层的硅片、蓝宝石、石英、玻璃、聚合物或塑料；根据所要制备CMOS结构中的晶体管类型来选择，当底层晶体管为背栅或埋栅晶体管时，采用含氧化硅薄层的硅片、蓝宝石或石英为衬底；当底层晶体管为顶栅晶体管时，采用上述的任意材料作为衬底。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：包文中，郭晓娇，马顺利，陆叶，张卫，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31