一种硒化铟晶体管及其制造方法与流程

本发明涉及一种晶体管，尤其涉及二维材料晶体管。

背景技术：

硒化铟是典型的二维层状半导体材料，带隙范围为1.24-1.54ev，具体的带隙范围取决于层数。硒化铟薄膜具有优异的电子和光电特性。对于硒化铟物理性质的研究已经付出了相当大的努力。已有报道已经证明，暴露于环境条件下的二维材料器件由于界面引起的额外的散射而显著的降低了载流子迁移率。

高k电介质可以有效的屏蔽二维场效应晶体管的库伦杂质散射(ci)。多层硒化铟晶体管显示出高场效应迁移率，al2o3电介质可以降低库伦散射。

硒化铟场效应晶体管的电学稳定性在实际应用中起着至关重要的作用，而电学稳定性体现在传输特性的滞后作用中。如何提高硒化铟晶体管的场效应电子迁移率，降低其滞后，提高硒化铟晶体管的器件性能，从而推动硒化铟晶体管的应用范围，是业内人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种硒化铟晶体管及其制造方法，该晶体管中将高k的氧化铪与硒化铟夹在双层的聚合物pmma中，使得沟道的界面情况得到极大的改善，使得硒化铟晶体管可以实现高场效应电子迁移率和极小的滞后，极大提高了器件性能。

本发明的硒化铟晶体管的制造方法，包括如下步骤：

准备半导体衬底；

在半导体衬底上形成栅极；

在栅极上沉积复合介质层；

在复合介质层上形成二维半导体层；

在半导体层上形成源/漏电极；

在半导体层和源/漏电极上形成第三介质层，形成硒化铟晶体管；

其中，该复合介质层包括第一介质层和第二介质层；

该第一介质层为二氧化铪，该第二介质层为pmma；

该二维半导体层为inse；

该第三介质层为pmma。

其中，衬底优选硅片；

栅极可以是金属，优选钛/金薄膜；

栅极优选为直接在半导体衬底上通过重掺杂形成的栅极部；

该第一介质层的厚度为20-40nm；该第二介质层的厚度为200-300nm；该第三介质层的厚度为200-300nm；

优选的，该第一介质层的厚度为25-35nm；该第二介质层的厚度为230-270nm；该第三介质层的厚度为230-270nm；

优选的，该第一介质层的厚度为30nm，该第二介质层的厚度为250nm；该第三介质层的厚度为250nm。

形成第一介质层的方法为原子层沉积；

形成第二介质层的方法为旋涂，并在旋涂之后烘烤；

形成第三介质层的方法为旋涂，并在旋涂之后烘烤。

优选的，制备inse薄膜的方法为，将块体inse材料放置在胶带上，反复黏撕胶带，然后将胶带黏在半导体衬底上，撕去胶带，得到形成在半导体衬底上的inse薄膜。

优选的，通过电子束蒸发沉积形成源/漏电极；

优选的，源/漏电极的材料是钛/金合金。

优选的，在inse薄膜上用shadowmask定义出源/漏电极位置，然后将其放置在电子束蒸发沉积系统中，蒸镀钛/金材料形成源/漏电极。

优选的，在二维半导体层上旋涂pmma，烘烤，进行封装，得到inse场效应晶体管。

本发明的硒化铟包括：

半导体衬底；

在半导体衬底上设置有栅极；

在栅极上设置有复合介质层；

在复合介质层上具有二维半导体层；

在半导体层上及其侧部具有源/漏电极；

在半导体层和源/漏电极上具有第三介质层；

其中，该复合介质层包括第一介质层和第二介质层；

该第一介质层为二氧化铪，该第二介质层为pmma；

该二维半导体层为inse；

该第三介质层为pmma。

其中，衬底优选硅片；

栅极可以是金属，优选钛/金薄膜；

栅极优选为直接在半导体衬底上通过重掺杂形成的栅极部；

该第一介质层的厚度为20-40nm；该第二介质层的厚度为200-300nm；该第三介质层的厚度为200-300nm；

优选的，该第一介质层的厚度为25-35nm；该第二介质层的厚度为230-270nm；该第三介质层的厚度为230-270nm；

优选的，该第一介质层的厚度为30nm，该第二介质层的厚度为250nm；该第三介质层的厚度为250nm。

优选的，源/漏电极的材料是钛/金合金。

附图说明

图1为本发明的硒化铟晶体管的结构示意图。

图2为本发明的硒化铟晶体管的扫描电子显微镜图像。

图3为本发明的硒化铟晶体管的制造方法中各个步骤中晶体管的结构示意图。

图4a为基于二氧化铪/pmma双层介电层同时使用pmma封装的硒化铟场效应晶体管在vds＝0.1v时的转移特性曲线。图4b为其对应的输出特性曲线。图4c为该硒化铟晶体管的跨导以及场效应迁移率。图4d为该晶体管中硒化铟薄膜的测试厚度(afm图像)。

图5包括：图5a为sio2-inse-fet结构，图5b为pmma-inse-pmmasio2fet结构，图5c为hfo2-inse-fet结构，和图5d为pmma-inse-pmmahfo2fet结构在室温条件下的滞后。

图6包括：图6a和图6b分别为施加vgs＝10v、vgs＝-10v的栅极偏压5分钟，10分钟和20分钟后的pmma-inse-pmmahfo2结构的晶体管在室温条件的转移特性曲线。图6c为硒化铟表面上吸附分子的电子俘获-去俘获机制示意图。图6d为硒化铟在负栅压和正栅压下的能带弯曲示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的硒化铟场效应晶体管及其制造方法，以及本发明技术构思的原理，以及产生有益效果的机理，下面结合附图具体描述。

如图1所示，本发明的硒化铟包括：

半导体衬底1；

在半导体衬底1上设置有栅极(未示出)；

在栅极上设置有复合介质层；

在复合介质层上具有二维半导体层4；

在半导体层4上及其侧部具有源/漏电极5；

在半导体层4和源/漏电极5上具有第三介质层6；

其中，该复合介质层包括第一介质层2和第二介质层3；

该第一介质层2为二氧化铪，该第二介质层3为pmma；

该二维半导体层4为inse；

该第三介质层6为pmma。

其中，衬底优选硅片；

栅极可以是金属，优选钛/金薄膜；

栅极优选为直接在半导体衬底上通过重掺杂形成的栅极部；

该第一介质层的厚度为20-40nm；该第二介质层的厚度为200-300nm；该第三介质层的厚度为200-300nm；

优选的，该第一介质层的厚度为25-35nm；该第二介质层的厚度为230-270nm；该第三介质层的厚度为230-270nm；

优选的，该第一介质层的厚度为30nm，该第二介质层的厚度为250nm；该第三介质层的厚度为250nm。

优选的，源/漏电极的材料是钛/金合金。

图2示出了本发明的硒化铟晶体管的扫描电子显微镜图像。

如图3所示，本发明的硒化铟晶体管的制造方法，包括如下步骤：

准备半导体衬底1；

在半导体衬底1上形成栅极；

在栅极上沉积第一介质层2；

在第一介质层2上形成第二介质层3；

在第二介质层3上形成二维半导体层4；

在二维半导体层4上形成源/漏电极5；

在二维半导体层4和源/漏电极5形成第三介质层6；

其中，该第一介质层为二氧化铪，该第二介质层为pmma；

该二维半导体层为inse；

该第三介质层为pmma。

具体的，本发明的inse晶体管的制造方法包括如下步骤：

准备半导体衬底1，衬底优选硅片；

在硅片上形成栅极；栅极可以是金属，优选钛/金薄膜；栅极优选为直接在半导体衬底上通过重掺杂形成的栅极部；

在栅极上形成复合介质层，该复合介质层包括第一介质层2和第二介质层3；具体的，该第一介质层2为三氧化二铝或二氧化铪，该第二介质层3为pmma；具体的，该第一介质层2的厚度为20-40nm；该第二介质层3的厚度为200-300nm；优选的，该第一介质层2的厚度为25-35nm；该第二介质层3的厚度为230-270nm；

在一个具体实施例中，该三氧化二铝或二氧化铪第一介质层2的厚度为30nm，该pmma第二介质层3的厚度为250nm。

具体的，形成三氧化二铝或二氧化铪的方法为原子层沉积(ald)；形成pmma的方法为旋涂，并在旋涂之后烘烤。

在一个具体实施例中，使用boe工艺处理p型重掺杂裸硅片，处理后使用原子层沉积在150℃下沉积30nm三氧化二铝或二氧化铪，生长结束后，使用旋涂仪在4000转/分钟下旋涂两分钟得到250nmpmma，在150摄氏度下烘烤1小时。

在衬底上形成栅极和复合介质层后，在介质层上再制备半导体层4，半导体层4为inse薄膜。

具体的，制备inse薄膜的方法为，将块体inse材料放置在胶带上，反复黏撕胶带，然后将胶带黏在基片上，撕去胶带，得到包括基片及其上面的inse薄膜。

在一个实施例中，使用高纯度的硒化铟材料，取一小块块体inse，将其放置在scotch胶带上，然后反复黏撕胶带，重复多次后将胶带黏在衬底基片上，撕去胶带得到形成在基片上的多层inse薄膜。

在介质层上形成inse半导体层4后，在半导体层4上形成源/漏电极5。

具体的，可以通过电子束蒸发沉积形成源/漏电极5；源/漏电极5的材料可以是钛/金合金。

在一个具体实施例中，利用光学显微镜定位多层纳米inse薄膜，用shadowmask定义电极位置，放置在电子束蒸发沉积系统中，蒸镀5/70nm的钛(ti)/金(au)电极。

形成源/漏电极5之后，再在源/漏电极5上形成第三介质层，得到inse晶体管。

具体的，形成第三介质层的方法为：将制好的器件旋涂250nmpmma，在110℃烘烤1小时，进行封装，得到inse场效应晶体管。

如上述内容所述，本发明公开了一种通过高k电介质和聚合物界面工程改善硒化铟晶体管的场效应迁移率和滞后的新方法。界面改善后，硒化铟晶体管的场效应电子迁移率增加到1100cm²/vs，滞后被抑制到0.4v。

为了比较有无pmma介电层以及介电材料对晶体管性能的影响，我们制造了具有热氧化的二氧化硅介电层的硒化铟场效应晶体管作为对比。对于二氧化硅和二氧化铪介电层，又分别制造了两种晶体管结构：(1)没有pmma层在硒化铟的两侧，和(2)硒化铟两侧有pmma层。

在室温条件下使用agilentb2901a参数分析仪测量insefet的ids-vds输出特性和ids-vgs转移特性。对于输出特性，vds从0到10v扫描，同时vgs从-5到5v步进，增量为2v。对于转移特性，vgs在vds为0.1v时从-10到12v扫描。

图4a为基于二氧化铪/pmma双层介电层同时使用pmma封装的硒化铟场效应晶体管在vds＝0.1v时的转移特性曲线。图4b为其对应的输出特性曲线。图4c为该硒化铟晶体管的跨导以及场效应迁移率。图4d为该晶体管中硒化铟薄膜的测试厚度(afm图像)。

如图4所示，采用高k的二氧化铪/pmma双层介电层和pmma封装(pmma-pmma/hfo2fet)的多层硒化铟场效应晶体管的转移特性曲线如图4a所示，其对应的输出特性如图4b所示。晶体管的开关电流比为10⁶，亚阈值摆幅s为260mv/decade，关态电流为10pa。从图4c的最小二乘拟合中，我们于vgs在5-10v范围中提取了线性电子迁移率约为1100cm²/vs。阈值电压vt为-3.8v。图4d示出了硒化铟薄膜的测试厚度(afm图像)。

图5为(a)sio2-inse-fet结构，(b)pmma-inse-pmmasio2fet结构，(c)hfo2-inse-fet结构和(d)pmma-inse-pmmahfo2fet结构在室温条件下的滞后。转移特性的滞后行为具有相同的扫描速度，箭头表示栅极偏压扫描的方向。

如图5所示，上述四种不同结构的硒化铟晶体管结构在室温条件下的滞后。测量vgs扫描从-10v到10v用16s，再用16s返回扫描。双层介电层且封装的硒化铟晶体管显示出0.4v极小的滞后，如图5d所示。

图5c示出了没有pmma夹层基于二氧化铪介电层的硒化铟晶体管约为0.6v的滞后，当扫描从-0.1v到0.1v需要16s并且用16s返回扫描，由于二氧化铪介电层的击穿电压较低，因此施加较小的栅极电压vgs。若用热氧化的二氧化硅介电层代替高k的二氧化铪，当vgs从-10v到10v扫描时间为16s并用16s返回扫描时，有无pmma夹层结构的硒化铟晶体管分别显示了1.4v和4.4v的滞后，如图5a和5b所示。

上述实验数据表明本发明的采用二氧化铪/pmma双层介电层和pmma封装(pmma-pmma/hfo2fet)的多层硒化铟场效应晶体管的滞后明显好于其它三种结构。

在有无pmma夹层基于热氧化的二氧化硅介电层的晶体管提取的场效应迁移率分别为89cm²/vs和267cm²/vs。我们在表1中以四种结构总结了硒化铟晶体管的场效应迁移率，亚阈值摆幅，滞后以及阈值电压。

表1

对于n型半导体，晶体管一般具有正的阈值电压。本发明的pmma-pmma/hfo2硒化铟晶体管展示了负阈值电压。如表1所示，pmma-inse-pmmahfo2结构的晶体管展示了-1.8v的阈值电压，这表明了在该晶体管中硒化铟-介电层的界面处有一定量的正电荷。为了评估正电荷，我们分别测试了在施加栅极电压为±10v300s，1000s和2000s下的硒化铟晶体管的转移特性曲线。

如图6a和6b所示，即使栅极电压施加2000s，转移特性也可以忽略不计，这表明界面处的大多是正电荷为固定电荷。硒化铟场效应晶体管的滞后具有电子俘获和去俘获各种可能的来源。其中包括硒化铟表面上的气体分子的吸收，硒化铟和介电层之间界面的电荷捕获，以及硒化铟薄膜中的缺陷。

图6c示出了由硒化铟表面上吸附分子的电子俘获-去俘获机制示意图。在较大的负栅极电压(关态)下，硒化铟沟道耗尽了电子，这有助于释放被吸附的水和氧分子俘获的电子。这减少了沟道中载流子的耗尽(即使得沟道更加的n型)，导致阈值电压vt的负向移动。相反，在大的正向栅极电压下，电子被来自硒化铟沟道吸附的水和氧分子俘获，这增加了载流子的耗尽(即使其更加p型)，导致阈值电压的正向移动。这些界面陷阱源自硒化铟-介电层界面处的缺陷。

如图6c所示，负栅极电压将陷阱状态的电子释放到硒化铟沟道中(即使其更加n型)，而正向栅极电压从硒化铟沟道中耗尽电子(即使其更加p型)。这导致了观察到的vt的变化。值得注意的是，与关态(其中沟道电容几乎可以忽略不计)相比，在器件运行过程中的开态下硒化铟沟道的带运动要弱的多(由于其较大的沟道电容)。如图6d所示，与正栅极偏压相比，负栅极偏压下的阈值电压vt偏移幅度预计要更大。

滞后的另一个原因是硒化铟薄膜的缺陷，沟道上表面使用pmma封装可以减少水和氧分子的吸附，并且高k的二氧化铪与硒化铟薄膜下边的pmma一起减少了界面陷阱，尤其是低能量缺陷，并且减少了库伦杂质散射。

如上所述，本发明提供了一种新的界面工程方法，用于在实际电子应用中实现高性能的二维材料的场效应晶体管，该方法可以改善二维材料场效应晶体管的场效应迁移率和滞后。