一种二维材料晶体管结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维材料晶体管结构及其制备方法，通过在半导体衬底上形成二维材料层，形成覆盖于二维材料层沟道区上的保护层，并露出二维材料层上的源接触区和漏接触区，将源接触区和漏接触区浸入在用于Li插层的试剂中浸泡，使源接触区和漏接触区的二维材料层通过Li插层引发相变，由半导体态2H相被诱导形成金属态1T相，且与沟道区的2H相的二维材料层之间在界面上形成2H

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料晶体管结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件工艺
，尤其涉及一种基于改善接触提升晶体管性能的二维材料晶体管结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]二维过渡金属硫系化合物作为一种新型的原子级薄膜晶体管沟道材料引起了人们的极大兴趣。但近年来晶体管的性能很大程度上受到源漏处金属电极与半导体沟道之间较大的接触电阻的限制，这是影响二维材料场效应晶体管性能的主要问题之一。影响载流子注入的肖特基势垒的形成以及费米能级钉扎效应的存在，对器件性能有着很大的影响。近年来，通过接触拓扑，金属选择和界面改善等几种方法对晶体管接触改善进行了研究。
[0003]在二维材料器件的源漏区域上沉积金属会使界面上形成巨大的肖特基势垒，这将显著影响载流子注入沟道的效率，降低有效迁移率。另一方面，接触电阻太高，会掩盖器件本身的性能，导致晶体管性能不理想。现有的主要改善方法如下：
[0004](1)优化金属功函数。肖特基理论表明，调控金属功函数可以降低势垒高度，一般来说，高功函数金属和低功函数金属分别倾向于与p型和n型半导体形成更好的接触。虽然这种情况在理论上是正确的，但对二维材料来说更为复杂。由于结构的突然终止和界面处外来原子的存在，材料的性质由于缺陷的存在可能与理想的性质有很大的不同。此外，费米能级钉扎效应使接触特性对金属功函数不敏感，难以实现通过金属选择完成晶体管性能的改善。
[0005](2)接触掺杂。另一种有效的方法是对接触区域的半导体进行掺杂，以实现有效的电荷注入。通过掺杂扩散或离子注入等重掺杂，使得肖特基势垒宽度变小，从而通过电子隧穿大大提高了通过金属半导体接触的电流。然而，由于用于体半导体的掺杂技术(如离子注入等)与二维材料不兼容，所以这种方法存在一些困难。
[0006](3)形成异质结。还有一种更有效的方法是在接触区域插入二维材料，如石墨烯和BN作为隧穿层，在接触区域形成范德华异质结构。其优点是光滑的石墨烯可以抑制界面态，减弱金属
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二维材料界面的费米能级钉扎效应，而BN单层膜可以使Co和Ni的金属功函数降低约2eV，可以使费米能级与二维沟道材料如MoS2导带接近，以实现更好的电子注入。但该结构对工艺要求较高，制备较为复杂。
[0007]综上所述，现有技术虽然已经应用颇多，但仍存在许多问题。由于二维材料的特殊性质，上述方法(1)受制于费米钉扎效应，使得势垒高度与金属的功函数的关系变弱，不能很好的通过优化金属功函数实现接触性能的提升。方法(2)也是由于二维材料本身的特性，使得常规的半导体掺杂技术与二维材料器件不能兼容。方法(3)则是可以一定程度上解决费米钉扎效应的问题，但是插入一层二维材料(例如石墨烯，BN等)会将制备工艺变得复杂，且引入二维材料层的工艺可能会同时引入有机物等污染物，造成器件性能的退化。
[0008]因此，有必要提供一种通过改善接触电阻来提高性能，增强导通的新技术，以解决现有技术中存在的上述问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种二维材料晶体管结构及其制备方法，通过用Li插层的方法引发二维材料相变，将源、漏接触区域的二维材料从半导体态2H相诱导形成金属态1T相，同时以2H相的二维材料作为沟道，以增强晶体管器件的导通。
[0010]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0011]本专利技术提供一种二维材料晶体管结构，包括：
[0012]半导体衬底；
[0013]覆盖所述衬底的介质层；
[0014]设于所述介质层表面上的二维材料层，所述二维材料层包括分设于两端上的源接触区和漏接触区，和位于所述源接触区和所述漏接触区之间的沟道区；
[0015]其中，所述二维材料层位于所述源接触区和所述漏接触区的部分具有1T相，位于所述沟道区的部分具有2H相，且2H相的所述二维材料层与1T相的所述二维材料层之间在界面上形成2H
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1T同质结。
[0016]进一步地，所述1T相的所述二维材料层具有Li插层后被诱导形成的金属态相变结构。
[0017]进一步地，所述二维材料层材料包括MoS2或WS2。
[0018]本专利技术还提供一种二维材料晶体管结构的制备方法，包括：
[0019]提供一半导体衬底；
[0020]形成覆盖于所述衬底上的介质层；
[0021]在所述介质层表面上形成二维材料层；
[0022]在所述二维材料层上定义沟道区和源接触区、漏接触区；
[0023]形成覆盖于所述沟道区上的保护层，并露出所述源接触区和所述漏接触区；
[0024]将所述源接触区和所述漏接触区浸入在用于Li插层的试剂中浸泡，使所述源接触区和所述漏接触区的所述二维材料层通过Li插层由2H相被诱导形成1T相，且与所述沟道区的2H相的所述二维材料层之间在界面上形成2H
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1T同质结；
[0025]执行浸泡后的冲洗；
[0026]在所述源接触区和所述漏接触区上形成金属电极。
[0027]进一步地，所述在所述介质层表面上形成二维材料层，包括：采用机械剥离法，将一至多层二维材料层薄膜转移至所述介质层表面上。
[0028]进一步地，所述二维材料层材料包括MoS2或WS2。
[0029]进一步地，所述形成覆盖于所述沟道区上的保护层，并露出所述源接触区和所述漏接触区，包括：
[0030]在所述介质层表面上旋涂一层正性光刻胶，将所述二维材料层完全覆盖；
[0031]使用电子束光刻法，曝光所述源接触区和所述漏接触区，使所述源接触区和所述漏接触区上的所述光刻胶被去除，露出所述源接触区和所述漏接触区。
[0032]进一步地，在N2气氛中，将所述源接触区和所述漏接触区浸入在用于Li插层的试剂中浸泡。
[0033]进一步地，所述Li插层的试剂包括正丁基锂的正己烷溶液。
[0034]进一步地，所述在所述源接触区和所述漏接触区上形成金属电极，包括：
[0035]在所述保护层上和露出的所述源接触区和所述漏接触区上沉积金属；
[0036]采用lift
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off工艺，在所述源接触区和所述漏接触区上形成金属电极。
[0037]由上述技术方案可以看出，本专利技术利用Li插层法，实现二维材料薄膜从2H半导体相向1T金属相的转变，从而可形成在源、漏接触区具有1T相接触的二维晶体管器件，以通过改进接触来获得更好的性能。与传统的二维材料器件相比，由于肖特基势垒宽度的减小可以促进隧穿的发生以获得更高的载流子注入效率，具有2H相
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1T相同质结的晶体管性能将有很大的提高，具体表现在具有较高的迁移率，较大的开态电流和较小的亚阈值摆幅。
[0038]同时，与优化金属功函数等其他调控肖特基势垒的方法相比，本专利技术中采用的在原始二维材料薄膜接触区域实现金属相变的方法更加直观和有效。使用这种方法，二维材料的两相可以共存，在同一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维材料晶体管结构，其特征在于，包括：半导体衬底；覆盖所述衬底的介质层；设于所述介质层表面上的二维材料层，所述二维材料层包括分设于两端上的源接触区和漏接触区，和位于所述源接触区和所述漏接触区之间的沟道区；其中，所述二维材料层位于所述源接触区和所述漏接触区的部分具有1T相，位于所述沟道区的部分具有2H相，且2H相的所述二维材料层与1T相的所述二维材料层之间在界面上形成2H
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1T同质结。2.根据权利要求1所述的二维材料晶体管结构，其特征在于，所述1T相的所述二维材料层具有Li插层后被诱导形成的金属态相变结构。3.根据权利要求1所述的二维材料晶体管结构，其特征在于，所述二维材料层材料包括MoS2或WS2。4.一种二维材料晶体管结构的制备方法，其特征在于，包括：提供一半导体衬底；形成覆盖于所述衬底上的介质层；在所述介质层表面上形成二维材料层；在所述二维材料层上定义沟道区和源接触区、漏接触区；形成覆盖于所述沟道区上的保护层，并露出所述源接触区和所述漏接触区；将所述源接触区和所述漏接触区浸入在用于Li插层的试剂中浸泡，使所述源接触区和所述漏接触区的所述二维材料层通过Li插层由2H相被诱导形成1T相，且与所述沟道区的2H相的所述二维材料层之间在界面上形成2H
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1T同质结；执行浸泡后的冲洗；在所述源接触区和所述漏接触区上形...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雅芬，朱颢，张卫，
申请(专利权)人：上海集成电路制造创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：