基于原子層沉積的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管制造及其性能研究

黃亞洲,黃家才,耿冉冉

(南京工程學(xué)院工業(yè)中心、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,江蘇 南京,211167)

近年來,隨著電子器件小型化的發(fā)展,傳統(tǒng)硅基場效應(yīng)晶體管的尺寸已經(jīng)達(dá)到10 nm以下,但是,由于量子隧穿效應(yīng),其制造成本急劇增加.為解決這一問題,具有優(yōu)異電學(xué)和力學(xué)性能的二硫化鉬等二維層狀半導(dǎo)體材料得到了廣泛的關(guān)注[1-3].

研究表明,常溫下二硫化鉬的載流子遷移率可以達(dá)到410 cm2/(V·s),其斷裂強(qiáng)度達(dá)到23 GPa,可承受11%的形變,是一種理想的場效應(yīng)晶體管材料[4-5];文獻(xiàn)[6]基于機(jī)械剝離的二硫化鉬制備單層二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,其開關(guān)比和載流子遷移率分別達(dá)到1×108和15 cm2/(V·s);文獻(xiàn)[7]基于化學(xué)氣相沉積的二硫化鉬薄膜制備單少層二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,載流子遷移率為0.04 cm2/(V·s);文獻(xiàn)[8]采用修飾基底的化學(xué)氣相沉積方法制備二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,其開關(guān)比達(dá)到1×104;文獻(xiàn)[9]通過改進(jìn)化學(xué)氣相沉積制備的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的載流子遷移率和開關(guān)比分別達(dá)到0.3 cm2/(V·s)和1×104;文獻(xiàn)[10]通過進(jìn)一步改進(jìn)化學(xué)氣相沉積的工藝參數(shù)制備的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的載流子遷移率達(dá)到了7 cm2/(V·s);文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]采用機(jī)械剝離二硫化鉬的方法,對場效應(yīng)晶體管的性能進(jìn)行研究.目前,用于制造場效應(yīng)晶體管的二硫化鉬主要是采用機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積的方法制備,但這些方法存在工藝條件苛刻、可控性差、材料與基底附著力弱等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約了二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的大規(guī)模應(yīng)用[13-14].原子層沉積二硫化鉬工藝技術(shù)的發(fā)展為低成本、高效率制備二硫化鉬場效應(yīng)管器件提供了可能[15].

本文針對機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)方法制備二硫化鉬薄膜的不足,采用原子層沉積工藝方法,在氧化硅基底上沉積單少層二硫化鉬薄膜,制備背柵場效應(yīng)晶體管,并對材料質(zhì)量和器件性能進(jìn)行研究.

1 材料制備和測試

1.1 二硫化鉬薄膜制備

選用氯化鉬和硫化氫作為鉬源和硫源前軀體,高純氮?dú)庾鳛檩d氣和清洗氣體,在沉積之前,分別采用去離子水、乙醇、丙酮和氧等離子體清洗氧化硅基底(氧化層厚度300 nm),在沉積過程中,腔體溫度保持在450 ℃.一個(gè)原子層沉積循環(huán)包括通入氯化鉬(0.1 s)、清洗(5 s)、通入硫化氫(0.1 s)、清洗(5 s)四個(gè)步驟,經(jīng)過一個(gè)循環(huán),在基底上沉積一層二硫化鉬薄膜.選用5個(gè)循環(huán)的二硫化鉬薄膜制備場效應(yīng)晶體管.

1.2 場效應(yīng)管器件設(shè)計(jì)制造

綜合考慮試驗(yàn)成本和研究目的,選擇制造結(jié)構(gòu)相對簡單的背柵場效應(yīng)晶體管.首先,采用等離子體刻蝕,將原子層沉積制備的二硫化鉬薄膜刻蝕成條狀;然后采用電子束蒸發(fā),在這些條狀二硫化鉬上沉積金電極作為源漏極,溝通長度設(shè)置為5 μm;最后,引出背柵電極.

1.3 測試與表征

采用光學(xué)顯微鏡、投射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜儀(Raman)和X射線衍射儀(XRD)對沉積的二硫化鉬薄膜進(jìn)行表征.為進(jìn)行TEM觀察,將MoS2薄膜從硅基底上剝離,轉(zhuǎn)移到TEM銅網(wǎng)上,高分辨TEM的加速電壓為200 kV;拉曼激光選用波花532 nm、功率0.8 mW、光斑1 μm;XRD采用Cu Kα射線、電流35 mA、電壓50 kV.采用四探針臺對場效應(yīng)晶體管的性能進(jìn)行測試研究.

2 結(jié)果與分析

2.1 原子層沉積機(jī)理

原子層沉積二硫化鉬機(jī)理如圖1所示.當(dāng)通入氯化鉬時(shí),其與氧化硅基底上的活性位點(diǎn)(羥基官能團(tuán))發(fā)生自限制化學(xué)反應(yīng),均勻吸附沉積在基底表面,反應(yīng)殘余氣體通過氮?dú)獯迪闯銮惑w外;當(dāng)通入硫化氫時(shí),其與吸附在基底表面的氯化鉬發(fā)生自限制化學(xué)反應(yīng),生成一層二硫化鉬,反應(yīng)殘余氣體通過氮?dú)獯迪闯銮惑w外,以上步驟構(gòu)成一個(gè)循環(huán)的原子層沉積.通過控制循環(huán)次數(shù),可以精確控制二硫化鉬的層數(shù)和厚度.沉積通過自限制化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行,具有工藝簡單,重復(fù)性好、薄膜沉積均勻、面積大等優(yōu)點(diǎn).

圖1 原子層沉積二硫化鉬薄膜示意圖

2.2 原子層沉積制備的二硫化鉬

圖2(a)為原子層沉積的二硫化鉬薄膜的光鏡照片,可以看出,二硫化鉬薄膜被均勻覆蓋在氧化硅基底表面.與機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積工藝相比,由于自限制化學(xué)反應(yīng),原子層沉積的二硫化鉬薄膜可以在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基底表面均勻覆蓋,質(zhì)量一致,這樣在后期的場效應(yīng)管制備中可以降低刻蝕和電極沉積的成本.圖2(b)為經(jīng)過刻蝕后的條狀二硫化鉬,為后續(xù)在其上沉積電極做好準(zhǔn)備.

(a) 原子層沉積

原子層沉積二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)采用TEM進(jìn)行觀察,如圖3所示.由圖3可見,二硫化鉬為典型片層狀結(jié)構(gòu),其(002)晶面間距約為0.65 nm,原子排列(110)和(100)的晶面間距分別為0.16 nm 和0.27 nm,由相應(yīng)的選區(qū)衍射花樣可以看出所沉積的二硫化鉬為2H六方晶格結(jié)構(gòu).

(a) 片狀結(jié)構(gòu)

圖4 二硫化鉬薄膜的Raman表征

采用XRD光譜對原子層沉積二硫化鉬的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步觀察[15].圖5為XRD表征結(jié)果,可以清晰地看到二硫化鉬的(002)晶面特征峰,僅有1個(gè)(002)特征峰,說明所沉積的二硫化鉬的取向高度一致.采用Debye-Scherrer公式,計(jì)算沉積的二硫化鉬晶粒尺寸：

D=0.89λ/(βcosθ)

(1)

式中：D為晶粒直徑;λ為入射X射線波長(0.154 nm);β為特征峰的半高寬;θ為布拉格衍射角.

計(jì)算得二硫化鉬的晶粒尺寸為 5.45 nm.通常,采用機(jī)械剝離所制得的二硫化鉬單晶尺寸可以達(dá)到100 μm量級,而采用化學(xué)氣相沉積所制得的二硫化鉬的單晶尺寸處在1～100 μm量級.三者相比之下,原子層沉積的二硫化鉬晶粒尺寸較小,這主要是由于原子層沉積工藝中采用的是低溫.

圖5 二硫化鉬薄膜的XRD表征

2.3 二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的性能

二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)如圖6所示,溝道采用原子層沉積的二硫化鉬,源漏極采用金電極制作,絕緣層為氧化硅,高導(dǎo)電性的P型硅作為背柵電極.這樣,硅、氧化硅和二硫化鉬組成一個(gè)電容器,其電容值取決于介電層氧化硅的介電常數(shù)和厚度.背柵二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的工作原理：在背柵硅上施加的電壓決定了二硫化鉬溝道電流的大小,假設(shè)所制造的二硫化鉬場效應(yīng)管是P型,在背柵硅上施加的正電壓足夠大,則源漏極之間通過二硫化鉬溝道連通,反之,施加負(fù)電壓或移除電壓,則源漏極之間二硫化鉬溝道斷開,源漏極之間的電流通過背柵硅上的電壓進(jìn)行控制.雖然二硫化鉬是P型半導(dǎo)體,但制造的場效晶體管既有N型,也有P型,這是由于在制造過程中應(yīng)力應(yīng)變、雜質(zhì)污染等會改變二硫化鉬的電學(xué)結(jié)構(gòu),令其呈現(xiàn)N型屬性.具體的類型需要對器件進(jìn)行測試確定.

圖6 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管器件的光鏡照片如圖7所示.由圖7可見,金電極、二硫化鉬溝道和氧化硅絕緣層溝通長度為5 μm.由于前期原子層沉積工藝所制備的二硫化鉬薄膜具有工藝簡單、質(zhì)量均勻、面積大等優(yōu)點(diǎn),在后期器件制作過程中,大大降低了工藝難度,縮短了制造時(shí)間,所制造的器件表面無雜質(zhì)污染、溝道尺寸均勻、質(zhì)量較高.

圖7 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管光鏡照片

在室溫下,采用四探針臺對二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管器件的電學(xué)性能進(jìn)行測試,漏極和柵極分別接針1和針2,源極共地分別接針3和針4.依據(jù)所測得的數(shù)據(jù),計(jì)算溝道的電阻和場效應(yīng)遷移率.源漏極I-U曲線如圖8所示,數(shù)據(jù)的線性度較好,說明電極與二硫化鉬之間為歐姆接觸.經(jīng)過線性擬合,得到其電阻為58.2 MΩ,與機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積的二硫化鉬相比,該電阻較大,原因有兩個(gè)方面：1) 原子層沉積制備的二硫化鉬薄膜晶粒尺寸較小,晶界密度較大,對電子遷移的阻礙增大,同時(shí),由于原子層沉積工藝的低溫特點(diǎn),使所制備的二硫化鉬薄膜純度相對較低;2) 原子層沉積制備的二硫化鉬薄膜質(zhì)量均勻、面積大,可以對二硫化鉬的尺寸(長和寬)進(jìn)行精確刻蝕,施加這樣的制備工藝其溝道的寬度往往不需控制.

圖8 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管I-U曲線

圖9為二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)遷移率曲線.計(jì)算場效應(yīng)遷移率：

μ=[dIds/dUbg]×[L/(WCiUds)]

(2)

式中：Ids為源漏極電流;Ubg為背柵電壓;L為二硫化鉬溝道的長度;W為二硫化鉬溝道的寬度;Ci為背柵和二硫化鉬溝道之間的單位面積電容,Ci= 1.21 × 10-4F/m2;Uds為源漏極電壓.

計(jì)算得器件場效應(yīng)遷移率為0.34 cm2/(V·s).化學(xué)氣相沉積的二硫化鉬薄膜的場效應(yīng)遷移率為0.04～7 cm2/(V·s),機(jī)械剝離的二硫化鉬薄膜場效應(yīng)遷移率可以達(dá)到15 cm2/(V·s),因此,原子層沉積的二硫化鉬薄膜場效應(yīng)遷移率與化學(xué)氣相沉積的相當(dāng),低于由機(jī)械剝離制備的二硫化鉬薄膜場效應(yīng)遷移率.這是由于原子層沉積的低溫工藝使二硫化鉬薄膜的結(jié)晶度相對較低,晶界密度大,阻礙了載流子的遷移.原子層沉積獨(dú)特的低溫工藝可以將二硫化鉬薄膜直接沉積在不耐熱的柔性基底上,在柔性電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景.

圖9 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)遷移曲線

3 結(jié)語

針對機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)制備二硫化鉬薄膜方法的不足,本文采用原子層沉積方法,在氧化硅基底上沉積單少層二硫化鉬薄膜,制備背柵場效應(yīng)晶體管,并對材料質(zhì)量和器件性能進(jìn)行研究.制備的二硫化鉬薄膜具有工藝簡單、面積大、質(zhì)量均勻等優(yōu)點(diǎn),二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管器件溝道電阻為58.2 MΩ,場效應(yīng)遷移率達(dá)到0.34 cm2/(V·s).原子層沉積方法在二硫化鉬場效應(yīng)管器件的規(guī)模化制造和柔性電子器件領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值.