降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法与流程

本发明涉及一种硅和过渡金属硫化物肖特基势垒的界面处理方法，属于电子器件技术领域。

背景技术：

随着传统硅沟道金属氧化物半导体器件接近其微缩极限，在后硅时代需要替代材料。过去十年中，碳纳米管，石墨烯，过渡金属硫化物等低维材料具有良好的电子特性，在各种二维材料中，具有固定带隙(1-2ev)以及原子级厚度薄的过渡金属硫化物半导体被认为是最有希望可替代硅沟道的候选材料。并且基于单层过渡金属硫化物的场效应晶体管已经制造并且进行了深入研究。

金属和半导体材料接触的时候，在界面处的半导体能带弯曲，形成肖特基势垒。然而，由于过渡金属硫化物的固定带隙以及缺乏合适的掺杂方法，金属电极和过渡金属硫化物之间形成高接触电阻以及高肖特基势垒，会显著降低过渡金属硫化物晶体管的性能。所以，形成良好的n型和p型沟道接触和降低接触电阻仍然是过渡金属硫化物接触异质集成的一大挑战。

为了解决过渡金属硫化物接触异质集成这个问题，目前主要研究用不同类型的金属和过渡金属硫化物接触，多数金属和过渡金属硫化物接触本征是n型接触，虽然理论上功函数比较低的金属和过渡金属硫化物接触会降低肖特基势垒，但由于金属和过渡金属硫化物接触的界面有很多界面态，容易造成费米钉扎，用不同功函数的金属和过渡金属硫化物接触，大都无法形成良好的n型接触，并且金属-过渡金属硫化物体系肖特基势垒比较高，接触电阻还是比较大，而且目前还没有研究报道金属与过渡金属硫化物会形成良好的p型肖特基势垒。

技术实现要素：

本发明针对现有金属和过渡金属硫化物接触肖特基势垒偏高，界面态引起的费米钉扎问题，基于实际半导体器件加工工艺可实现的基础之上，提供了一种降低硅和过渡金属硫化物接触界面肖特基势垒的方法。

本发明降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，基于实际半导体器件可实现的加工工艺，采用以下技术方案：

si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理(使表面未饱和的si键成键)，然后与过渡金属硫化物的两端进行表面接触，搭成nin型肖特基场效应管或pip型肖特基场效应管。

所述硅为si(001),si(110),si(111)晶面。

所述过渡金属硫化物是mos2、mose2、mote2、ws2、wse2或wte2。

所述si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，是对si的上下表面都进行钝化处理或者只对靠近界面的si表面进行钝化处理。

所述si钝化处理后进行重掺杂，掺杂浓度至少达到1×10²²e/cm³。这样可以进一步降低si和过渡金属硫化物表面接触体系的肖特基势垒。尤其对应氟元素钝化的表面接触体系，重掺杂si之后,体系的肖特基势垒可以降到零。

所述si经氢元素钝化后，对si进行电子掺杂。

所述si经氟元素钝化后，对si进行空穴掺杂。

所述si表面经氢元素钝化处理后将si进行掺杂作为电极，过渡金属硫化物作为沟道材料，其两侧和si接触，形成nin型肖特基场效应晶体管。与si表面没有进行钝化处理的场效应管器件相比，si电极用氢钝化后的场效应管，亚阈值更低，开态电流更大，器件性能会明显提高。

所述si表面经氟元素钝化处理后将si进行空穴掺杂作为电极，过渡金属硫化物作为沟道材料，其两侧和si接触，形成pip型肖特基场效应晶体管。

计算发现，si表面经氢元素钝化后和过渡金属硫化物接触，还是形成n型肖特基势垒，与si表面未钝化的情况相比，经氢钝化的si表面和过渡金属硫化物表面接触之后可以大大降低肖特基势垒，考虑不同晶面的影响，肖特基势垒值下降到0.16～0.21ev。

对于用氟钝化的si表面和过渡金属硫化物表面接触之后，计算发现，两者的表面接触体系由原来的n型肖特基接触变成了p型肖特基接触，并且肖特基势垒很低，尤其si(110)晶面和过渡金属硫化物表面接触后肖特基势垒几乎为零。

本发明基于传统si材料，采用氢元素或氟元素钝化si表面,形成si和过渡金属硫化物表面接触体系，与传统的金属-过渡金属硫化物表面接触体系相比，用钝化后的si和过渡金属硫化物接触后，不会因为表面态的原因出现费米钉扎效应，并且可以实现硅基二维材料的比较低的肖特基势垒和低的欧姆接触电阻。

本发明在si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，本身硅和过渡金属硫化物半导体接触是n型肖特基势垒，用氢元素钝化si表面后的接触体系，其费米能级更加靠近过渡金属硫化物半导体的导带底，费米能级和过渡金属硫化物的导带底的能量差降低，从而可以通过氢元素钝化si表面降低体系的肖特基势垒；其次用氟元素钝化si表面，可以由原来的n型肖特基接触变成p型肖特基接触。

本发明选用传统材料硅和过渡金属硫化物进行表面接触，并通过传统的钝化元素氢和氟对si表面进行钝化处理，可以降低si和过渡金属硫化物表面接触体系的肖特基势垒，并且通过氟元素可以实现由n型肖特基势垒到p型肖特基势垒的转变，这对未来微电子器件把二维材料集成到传统硅材料中有重大指导意义。

附图说明

图1是本发明si-mos2表面接触的原子构型示意图。

图2是经过氢、氟钝化硅表面之后界面体系肖特基势垒变化示意图。

图3是本发明中肖特基场效应管示意图。

图4是硅表面经三种不同处理之后与过渡金属硫化物形成的肖特基场效应管的原子结构图。

图5是根据本发明中两种si表面钝化方式形成的n型器件和p型器件在各种栅极电压条件下势垒的变化。

具体实施方式

本发明降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的方法是对si的上下两个表面都钝化或者只对靠近半导体表面的那侧si进行钝化，也就是通过氢元素或者氟元素让表面未饱和的si键成键，表面钝化处理是一种公知的工艺方法。si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理之后，可以和过渡金属硫化物的两端进行表面接触，分别搭成nin型肖特基场效应管以及pip型肖特基场效应管。经氢元素钝化后的si-mos2体系，要对si进行电子掺杂。经氟元素钝化后的si-mos2体系，要对si进行空穴掺杂。

以下结合附图通过对具体实施例的描述，进一步详细说明本发明的方法。

本发明的界面体系是过渡金属硫化物和si表面接触的界面系统，过渡金属硫化物部分以mos2为例，将硅放置在mos2上，si作为传统材料，掺杂技术成熟，可以利用现有技术轻松实现金属性的si导体，对si部分进行电子掺杂，掺杂浓度1×10¹⁹e/cm³，让si部分变成一个导体。不经表面钝化处理的si(111)面和mos2表面接触后形成n型接触势垒，肖特基势垒大约是0.6ev。并且用其他两个不同的晶面，si(001),(110)分别和mos2接触，计算发现晶面对肖特基势垒的结果的影响很小。

将si表面未饱和的悬挂键分别用氢元素、氟元素钝化处理，经氢元素和氟元素饱和之后的si分别和mos2进行表面接触，计算发现，si表面经氢元素钝化后和mos2接触，还是形成n型肖特基势垒，与si表面未钝化的情况相比，经氢钝化的si表面和mos2表面接触之后可以大大降低肖特基势垒，考虑不同晶面的影响，肖特基势垒值下降到0.16～0.21ev.对于用氟钝化的si表面的和mos2表面接触之后，计算发现，si-mos2表面接触体系由原来的n型肖特基接触变成了p型肖特基接触，并且肖特基势垒很低，尤其si(110)晶面和mos2表面接触后肖特基势垒几乎为零。

如图1所示，采取si-mos2表面接触体系，其中图1(a)以si(111)面直接和mos2进行表面接触，si的上下表面没有进行钝化处理，其中si和mos2界面之间的距离是3.2埃，此时能量最低，体系最稳定。图1(b)中si-mos2表面接触体系，si的上下表面用氢元素进行钝化处理。图1(c)中si-mos2表面接触体系，si的上下表面用氟元素进行钝化处理，钝化后mos2距离氢元素或者氟元素的最短距离也是3.2埃。经过验证，si的上下表面都进行钝化和只钝化靠近界面的si表面，这两种钝化方法得到的肖特基势垒高度是接近的，从现有技术上说，充入含氢元素或者氟元素的气体之后，si的上下表面都会被钝化，很难控制只在单侧si进行钝化。

如图2(a)所示，表面未经处理的si和mos2接触后，体系的费米能级靠近mos2的导带底，说明si-mos2表面接触体系是n型接触。定义mos2的导带底距离费米能级的能量差为体系的肖特基势垒高度，通过比较导带底到费米能级的能量差，得到si-mos2接触的肖特基势垒是0.6ev。如图2(b)所示，si的表面用氢元素进行钝化处理，发现体系的费米能级往mos2的导带底移动，发现经过氢钝化以后，体系的肖特基势垒从原来的0.6ev下降到0.21ev,如图2(c)所示，si的表面用氟元素进行钝化处理，发现体系的费米能级非常靠近mos2的价带顶，并且体系费米能级和mos2的价带顶的能量差非常小，说明si-mos2表面接触体系，si表面经过氟元素钝化之后，由原来的n型肖特基接触变成p型肖特基接触，并且肖特基势垒的值也非常低。

同时，si表面用氢元素钝化的情况，对si部分进行电子掺杂(n型掺杂)，发现低浓度的电子掺杂(1×10¹⁹e/cm³～1×10²¹e/cm³)对体系的肖特基势垒影响不大，当电子的掺杂浓度达到1×10²²e/cm³(n型重掺杂)，体系的肖特基势垒才开始下降。反之，对si部分进行空穴掺杂(p型掺杂)，发现低浓度的空穴掺杂(1×10¹⁹e/cm³～1×10²¹e/cm³)对体系的肖特基势垒影响不大，当空穴掺杂浓度达到1×10²²e/cm³(p型重掺杂)，体系的肖特基势垒迅速增加。

si表面用氟元素钝化的情况，si部分无论是n型掺杂还是p型掺杂，掺杂浓度对体系的肖特基势垒影响不大，当si部分进行p型重掺杂，掺杂浓度1×10²²e/cm³时，体系的p型肖特基势垒基本消失。

mos2也可以采用其他五种过渡金属硫化物(mose2,mote2,ws2,wse2,wte2)，对这五种过渡金属硫化物(mose2,mote2,ws2,wse2,wte2)也进行了计算，同样发现，si-tmds表面接触体系的费米能级靠近过渡金属硫化物的导带底，形成n型肖特基接触，si表面经过氢钝化后，接触体系的费米能级更加靠近过渡金属硫化物的导带底，n型肖特基势降低。当si表面进行氟元素钝化后，接触体系的费米能级靠近过渡金属硫化物的价带顶，由原来的n型肖特基接触变成了p型肖特基接触。同时考虑si不同晶面的影响，si(001),si(110),si(111)晶面分别和六种过渡金属硫化物接触，当si表面没有进行钝化处理时，si(110)面和过渡金属硫化物表面接触得到的肖特基势垒比较低，si(001),si(111)面和过渡金属硫化物表面接触之后得到的肖特基势垒比较高。而si表面进行钝化处理之后，虽然不同的si晶面对接触体系肖特基势垒的影响不大，但是si(110)面依旧容易得到更低的肖特基势垒。

图3是肖特基场效应管示意图，传统的金属/mos2接触面处的费米钉扎导致高的肖特基势垒，这个肖特基势垒高度往往影响栅极的调控能力，高的肖特基势垒往往会导致额外的接触电阻，从而影响器件的性能。而si和mos2接触，通过氢元素和氟元素钝化si表面，可以降低接触面的肖特基势垒，往往在肖特基场效应管中，接触的肖特基势垒越小，栅极的调控作用会越强。

图4是硅表面经过三种不同处理之后，让si做电极和mos2两端接触后搭成的肖特基场效应管示意图。图4(a)是si表面未经钝化处理，si做源极和漏极，mos2做沟道材料，si和mos2的两端采取表面接触方式搭成的肖特基场效应管，本身表面没处理的si和mos2表面接触后是n型肖特基接触，对si部分进行电子掺杂,让si形成良导体，这个肖特基场效应管是nin型场效应管。图4(b)是用氢钝化处理si表面之后做源极和漏极，与mos2的两端进行表面接触便构型了肖特基场效应管，经过氢钝化处理后的si和mos2表面接触后依旧是n型肖特基接触，对si部分进行电子掺杂,让si形成良导体，这个肖特基场效应管是nin型场效应管。图4(c)是si表面进行氟钝化处理之后做源极和漏极，和mos2的两端进行表面接触搭建一个肖特基场效应管，经过氟钝化处理后的si和mos2表面接触是p型肖特基接触，对si部分进行空穴掺杂,让si形成良导体，这个肖特基场效应管是pip型场效应管。通过计算对比，si表面经过氢元素钝化的肖特基场效应管明显比表面未钝化的肖特基场效应管的器件的亚阈值更低，器件的开态电流更大，可以说明si表面经氢钝化和mos2接触后，肖特基势垒降低，接触电阻变小，器件性能会提高。而si表面经氟钝化后和mos2接触的肖特基场效应管表现出p型导电特性，所以氟钝化后的si和mos2表面接触由原来的n型肖特基接触转变成p型肖特基接触。

图5是根据本发明中两种si表面钝化方式形成的n型器件和p型器件在各种栅极电压条件下势垒的变化。如图5(a)是用氢钝化si表面形成的n型肖特基场效应管,在正向栅压的作用下，体系的费米能级与mos2导带底之间的势垒高度被削弱，利于载流子注入沟道内进行传导，沟道内的电流增大；相反，随着减弱栅压，体系的费米能级与mos2导带底之间的势垒高度被进一步拉高，抑制了载流子在沟道内传导，沟道电流减小。氟钝化的si和mos2形成的是p型接触肖特基场效应管，沟道内的多数载流子是空穴，如图5(b)所示，在正偏栅压的条件下，空穴需要克服费米能级和mos2的价带顶的巨大势垒高度才能进入沟道内，在负向偏压的条件下，空穴需要克服费米能级和mos2价带顶的势垒差被拉小，空穴注入到沟道内，器件导通。