场效应晶体管制备方法及场效应晶体管与流程

本发明涉及场效应晶体管制造技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管制备方法及场效应晶体管。

背景技术：

在后摩尔时代，传统硅基三维场效应晶体管在尺寸缩小的路径上，由于短沟道效应等物理极限，以及愈发高昂的研发和制造成本，人们开始关注二维半导体在这个领域的应用。mos2，mose2等二维材料，由于没有悬挂键，并且在单层或少层的情况下不存在短沟道效应，成本低等原因成为了研究的重点。但在该领域还存在一些关键性问题没有解决，如：由于材料本身缺陷和材料与绝缘层接触界面的缺陷导致沟道区存在很多浅缺陷态，这些浅缺陷态会使亚阈值摆幅增大，导致晶体管器件开光速度慢，并且耗电量大，以及使阈值电压为一个较大的负值电压，增大了晶体管器件的功耗，使晶体管器件不稳定。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种场效应晶体管制备方法及场效应晶体管，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种场效应晶体管制备方法，包括：

在衬底上制备栅电极；

在所述衬底和栅电极表面制备栅介质层；

将二维半导体沟道层转移至栅介质层上；

在所述二维半导体沟道层的两侧制备源电极和漏电极；

在所述二维半导体沟道层表面，根据不同的沟道类型调节钝化层元素的生长顺序生长钝化层。

在一些实施例中，根据不同的沟道类型调节钝化层元素的生长顺序，包括：

对于n型沟道，先生长第一元素，再生长第二元素；

对于p型沟道，先生长第二元素，再生长第一元素；其中，第一元素的负电性较第二元素的负电性弱。

在一些实施例中，在衬底上制备栅电极，包括：

在衬底表面涂光刻胶并对所述光刻胶进行曝光和显影；

在所述衬底和光刻胶表面生长金属或金属化合物作为栅电极；

将所述光刻胶洗去，得到图形化的栅电极。

在一些实施例中，采用磁控溅射方法或者离子束溅射方法或电子束蒸发方法生长金属或金属化合物作为栅电极；所述栅电极的厚度为10nm-50nm；所述金属的材料为pt、ti、cu或者au，所述金属化合物材料为金属氮化物。

在一些实施例中，将二维半导体沟道层转移至栅介质层上，包括：

将聚甲丙烯酸甲酯旋涂在二维半导体沟道层表面，并烘干；

以聚甲丙烯酸甲酯为载体，将所述二维半导体沟道层转移至栅介质层上；

去除所述二维半导体沟道层表面的聚甲丙烯酸甲酯。

在一些实施例中，在所述将二维半导体沟道层转移至栅介质层上的步骤之后，所述方法还包括：

在所述二维半导体沟道层表面涂光刻胶，对所述二维半导体沟道层进行图形化，得到图形化的二维半导体沟道层。

在一些实施例中，在所述二维半导体沟道层的两侧制备源电极和漏电极，包括：

在所述二维半导体沟道层涂光刻胶，并进行显影和曝光操作；

在所述光刻胶表面生长金属或金属化合物作为源电极和漏电极；

将所述光刻胶洗去，得到图形化的源电极和漏电极。

在一些实施例中，采用电子束蒸发方法生长金属作为源电极和漏电极；所述源电极和漏电极的厚度为10nm-50nm；所述金属的材料为pt、ti、cu或者au。

在一些实施例中，采用原子层沉积或磁控溅射或离子束溅射制备所述栅介质层，所述栅介质层的材料为二元氧化物种类，所述栅介质层的厚度为5nm-200nm；所述二维半导体沟道层的材料为石墨烯、mos2、mose2或wse2；所述钝化层的材料为tio2、hfo2或al2o3。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述所提供的方法制备的场效应晶体光，包括：

衬底、栅电极、栅介质层、二维半导体沟道层、源电极、漏电极以及钝化层；所述栅电极位于所述衬底上方，所述栅介质层覆盖于所述栅电极和所述衬底表面，所述二维半导体沟道层位于所述栅介质层上方，所述源电极与漏电极位于所述二维半导体沟道层两侧，所述钝化层位于所述二维半导体沟道层表面。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明场效应晶体管制备方法及场效应晶体管至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明提供的场效应晶体管制备方法，通过利用具有极性的化合物作为沟道层表面的钝化层，并根据不同的沟道类型调节钝化层元素的生长顺序，循环往复的生长钝化层，会在沟道层表面形成电偶极矩，此电偶极矩会降低沟道区浅缺陷态的能级高度，使之成为深缺陷能级，制备出更低亚阈值摆幅的场效应晶体管，并调节了晶体管的阈值电压，提高了晶体管的开关速度和稳定性，降低了晶体管的信号噪音和功耗；

(2)本发明提供的场效应晶体管结构简单，成本低，可靠性高并能与传统cmos工艺兼容，有利于本发明的广泛推广与应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的场效应晶体管制备方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的场效应晶体管的结构示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-衬底、2-栅电极、3-栅介质层、4-二维半导体沟道层、5-漏电极、6-源电极、7-钝化层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，提供了一种场效应晶体管制备方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤s1，在衬底上制备栅电极；

步骤s2，在衬底和栅电极表面制备栅介质层；

步骤s3，将二维半导体沟道层转移至栅介质层上；

步骤s4，在二维半导体沟道层的两侧制备源电极和漏电极；

步骤s5，在所述二维半导体沟道层表面，根据不同的沟道类型调节钝化层元素的生长顺序生长钝化层。

本发明提供的场效应晶体管制备方法及场效应晶体管，通过利用具有极性的化合物作为沟道层表面的钝化层，并根据不同的沟道类型调节钝化层元素的生长顺序，循环往复的生长钝化层，会在沟道层表面形成电偶极矩，此电偶极矩会降低沟道区浅缺陷态的能级高度，使之成为深缺陷能级，制备出更低亚阈值摆幅的场效应晶体管，并调节了晶体管的阈值电压，提高了晶体管的开关速度和稳定性，降低了晶体管的信号噪音和功耗。

其中，所述s1，在衬底上制备栅电极，包括以下子步骤：

s11，在衬底表面涂光刻胶并对所述光刻胶进行曝光和显影：在衬底表面涂光刻胶，利用紫外线对所述光刻胶进行曝光和显影；

s12，在衬底和光刻胶表面生长金属或金属化合物作为栅电极：将衬底和光刻胶放置于蒸发台腔室内，采用磁控溅射方法或者离子束溅射方法或电子束蒸发方法生长金属或金属化合物作为栅电极；其中，栅电极的厚度为10nm-50nm；金属的材料可以为pt、ti、cu或者au，金属化合物材料为金属氮化物如tin；

s13，将光刻胶洗去，得到图形化的栅电极：将制作好栅电极的衬底放入丙酮溶液中浸泡约15分钟，洗去光刻胶；将有栅电极的衬底放入无水乙醇中浸泡约5分钟，洗去丙酮；将有栅电极的衬底用氮气吹干，得到图形化的的栅电极。

在步骤s2，在衬底和栅电极表面制备栅介质层中，可以采用原子层沉积或磁控溅射或离子束溅射等方法制备栅介质层，并且制备栅介质层的材料为二元氧化物，例如sio2、hfo2以及al2o3，栅介质层的厚度为5nm-200nm。

所述s3，将二维半导体沟道层转移至栅介质层上，包括以下子步骤：

s31，将聚甲丙烯酸甲酯旋涂在二维半导体沟道层表面，并烘干；

s32，以聚甲丙烯酸甲酯为载体，将二维半导体沟道层转移至栅介质层上；

s33，去除所述二维半导体沟道层表面的聚甲丙烯酸甲酯。

其中，二维半导体沟道层的材料可以为石墨烯，mos2，mose2，mote2，ws2，wse2，wte2，res2或黑色磷等。

在本实施例中，在所述s3之后，所述s4之前，该方法还包括：

在二维半导体沟道层表面涂光刻胶，对二维半导体沟道层进行图形化，得到特定图形的二维半导体沟道层。具体的，在二维半导体沟道层表面涂光刻胶，利用紫外线对光刻胶进行曝光和显影，然后利用氧离子体轰击掉多余的半导体材料，得到图形化的二维半导体沟道层。

所述s4，在二维半导体沟道层的两侧制备源电极和漏电极，包括如下子步骤：

s4l，在二维半导体沟道层表面涂光刻胶，进行曝光和显影操作；

s42，在光刻胶表面生长金属或金属化合物作为源电极和漏电极：采用电子束蒸发等方法在光刻胶表面生长金属作为源电极和漏电极；其中，源电极和漏电极的位置可以互换，源电极和漏电极的厚度为10nm-50nm，源电极和漏电极的材料可以为单质金属如pt、ti、cu或au；

s43，将光刻胶洗去，得到特定图形的源电极和漏电极：将制作好源电极和漏电极的衬底放入丙酮溶液中浸泡约15分钟，洗去光刻胶；将有源电极和漏电极的衬底放入无水乙醇中浸泡约5分钟，洗去丙酮；将有源电极和漏电极的衬底用氮气吹干，得到图形化的源电极和漏电极。

所述s5，在二维半导体沟道层表面，根据不同的沟道类型调节钝化层元素的生长顺序生长钝化层，具体为，采用原子层沉积技术根据不同的沟道类型来调节二维材料表面钝化层元素的生长顺序：对于n型沟道，需要先生长电负性较弱的元素，再生长电负性较强的元素；对于p型沟道，需要先生长电负性较强的元素，再生长电负性较弱的元素；其中，钝化层的厚度一般为2nm-20nm；原子层沉积的温度为100℃-400℃；钝化层的具有极性的化合物种类包括tio2、hfo2、al2o3。例如，对于n型沟道，若钝化层采用的材料为al2o3，则在生长钝化层时，需要先生长一层电负性较弱的al元素，再生长电负性较强的o元素，形成al2o3，然后再分别生长一层al元素和o元素，形成al2o3，如此循环往复的生长至所需厚度。

本发明提供的场效应晶体管制备方法，通过利用具有极性的化合物作为沟道层表面的钝化层，对于n型沟道，采用原子层沉积技术在沟道层表面先生长电负性较小的元素，再生长电负性较强的元素，对于p型沟道，采用原子层沉积技术在沟道层表面先生长电负性较强的元素，再生长电负性较小的元素，往复循环，会在沟道表面形成正/负电中心朝下的电偶极矩，此电偶极矩会降低沟道区浅缺陷态的能级高度，使之成为深缺陷能级，制备出更低亚阈值摆幅的场效应晶体管，并调节了阈值电压，提高了晶体管的开关速度和稳定性，降低了晶体管的信号噪音和功耗。

根据本发明的另一个方面，提供了一种采用上述实施例提供的方法制备的场效应晶体管，如图2所示，该场效应晶体管包括：

衬底1、栅电极2、栅介质层3、二维半导体沟道层4、源电极5、漏电极6以及钝化层7；其中，栅电极2位于衬底1上方，栅介质层3覆盖于栅电极2和衬底1表面，二维半导体沟道层4位于栅介质层3上方，源电极5与漏电极6位于二维半导体沟道层4上方，钝化层7位于二维半导体沟道层4表面。

在本实施例中，衬底1为绝缘材料，如玻璃；栅电极2的厚度可以在10nm-50nm之间，所采用的材料可以为单质金属如pt、ti、cu、au或者金属氮化物如tin；栅介质层3厚度一般为5nm-200nm，所采用的材料为二元氧化物，如sio2、hfo2、al2o3；二维半导体沟道层4的材料可以为石墨烯，mos2，mose2，mote2，ws2，wse2，wte2，res2或者黑色磷；、源电极5和漏电极6厚度可以在10nm-50nm之间，所采用的材料可以为单质金属如pt、ti、cu或au；钝化层7的厚度一般为2nm-20nm所采用的具有极性的化合物种为tio2、hfo2或al2o3。

本发明提供的场效应晶体管结构简单，成本低，可靠性高并能与传统cmos工艺兼容，有利于本发明的广泛推广与应用。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。