CN220172135U - 过渡金属硫化物垂直场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，包括覆盖在衬底正面第一区域上的石墨烯层、一部分覆盖在石墨烯层上且另一部分覆盖在衬底正面第二区域上的二硫化钼层以及源极、漏极和栅极，第一区域和第二区域沿第一方向上排列，且在第一方向上，第一区域的尺寸占衬底正面的三分之一至二分之一，且小于第二区域的尺寸，二硫化钼层的第一部分的尺寸占整个二硫化钼层尺寸的四分之一至二分之一。因此，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管便于在形成源/漏极时具有较充足的区域，以降低对光刻工艺的要求，同时还有利于提高过渡金属硫化物垂直场效应晶体管稳定性和降低工艺难度。
Description
技术领域
本申请涉及晶体管技术领域，由其涉及一种过渡金属硫化物垂直场效应晶体管。
背景技术
随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应和量子隧穿效应的存在，硅基场效应管在延续摩尔定律的道路上越发艰难。由于石墨烯的发现，找到了新的方向，它具有超高的电子迁移率和电子饱和速度，并且具有二维平面结构，因此被视为可替代硅的下一代集成电路材料，但由于石墨烯缺乏带隙，其开关比不够明显，限制了其在场效应管领域的制备，过渡金属硫族化合物(TDMCs)很好的解决了这一问题。
然而在现有的过渡金属硫化物场效应晶体中，过渡金属硫化物层的尺寸较小，其完全叠层在石墨烯层上，使得源漏间距较小，对光刻工艺的要求高，制备成本较高。
实用新型内容
为至少部分改善现有技术中存在的技术问题，本申请提供一种对电极光刻工艺要求低的低制备成本过渡金属硫化物垂直场效应晶体管。
一种过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，包括：
衬底，所述衬底具有相对的正面和背面，所述衬底正面包括相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向上排列，且分别在第二方向上由所述衬底的第一侧延伸至相对的第二侧，在所述第一方向上，所述第一区域由所述衬底的第三侧延伸至所述第二区域，且所述第二区域由所述衬底的与所述第三侧相对的第四侧延伸至所述第一区域，在所述第一方向上，所述第一区域的尺寸占所述衬底正面的三分之一至二分之一，且小于所述第二区域的尺寸，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；
石墨烯层，所述石墨烯层覆盖在整个所述第一区域上；
二硫化钼层，所述二硫化钼层的第一部分覆盖在所述石墨烯层的一部分上，剩余的第二部分覆盖在整个所述第二区域上，在所述第一方向上，所述二硫化钼层的所述第一部分的尺寸占整个所述二硫化钼层尺寸的四分之一至二分之一；
第一电极，位于所述石墨烯层远离所述衬底一侧的表面；
第二电极，位于所述二硫化钼层的所述第一部分远离所述衬底一侧的表面，所述第一电极和所述第二电极中之一为源极，之另一为漏极；
栅极，位于所述衬底背面。
在一些实施例中，所述衬底为氧化铪衬底。
在一些实施例中，所述衬底为氧化锆衬底。
在一些实施例中，所述石墨烯层为少层石墨烯。
在一些实施例中，所述石墨烯层的厚度为0.335至1.5nm。
在一些实施例中，所述二硫化钼层的厚度为0.35至0.7nm。
在一些实施例中，所述二硫化钼层在所述第一方向和所述第二方向上的尺寸为0.8至1.2cm。
在一些实施例中，在所述第一方向上，所述第一电极与所述第二电极之间的间距为10至100um。
在一些实施例中，所述第一电极和所述第二电极的数量分别为多个，且所述第一电极和所述第二电极的数量一一对应，多个所述第一电极和多个所述第二电极分别在所述第二方向上依次排列。
在一些实施例中，所述第一电极和/或所述第二电极为由铬层和金层构成的双层金属电极；
所述铬层的厚度为25至35nm，所述金层的厚度为15至25nm。
由上可见，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管包括覆盖在衬底正面第一区域上的石墨烯层、一部分覆盖在石墨烯层上且另一部分覆盖在衬底正面第二区域上的大面积的二硫化钼层层以及源极、漏极和栅极，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向上排列，且分别在第二方向上由所述衬底的第一侧延伸至相对的第二侧，在所述第一方向上，所述第一区域由所述衬底的第三侧延伸至所述第二区域，且所述第二区域由所述衬底的与所述第三侧相对的第四侧延伸至所述第一区域，在所述第一方向上，所述第一区域的尺寸占所述衬底正面的三分之一至二分之一，且小于所述第二区域的尺寸，所述二硫化钼层的所述第一部分的尺寸占整个所述二硫化钼层尺寸的四分之一至二分之一。因此，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管便于在形成源/漏极时具有较充足的区域，以降低对光刻工艺的要求，同时还有利于提高过渡金属硫化物垂直场效应晶体管稳定性和降低工艺难度。
附图说明
附图仅用于示出实施方式，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为依据本申请一些实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的截面结构示意图；
图2为依据本申请一些实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的俯视结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例对本申请技术方案做进一步的详细阐述。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请的实现方式。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”的表述，其描述了可能实施例的子集，但是应当理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
请参阅图1所示，其为依据本申请一些实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的截面结构示意图。本实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管包括衬底1、石墨烯层2、二硫化钼层3、第一电极4、第二电极5以及栅极6。所述衬底1具有相对的正面和背面，所述衬底1的正面包括相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向上排列，且分别在第二方向上由所述衬底1的第一侧延伸至相对的第二侧，在所述第一方向上，所述第一区域由所述衬底1的第三侧延伸至所述第二区域，且所述第二区域由所述衬底1的与所述第三侧相对的第四侧延伸至所述第一区域，在所述第一方向上，所述第一区域的尺寸占所述衬底1正面的三分之一至二分之一，且小于所述第二区域的尺寸，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。石墨烯层2覆盖在整个衬底1的所述第一区域上。二硫化钼层3的第一部分覆盖在石墨烯层2的一部分上，剩余的第二部分覆盖在整个衬底1的所述第二区域上，在所述第一方向上，所述二硫化钼层3的所述第一部分的尺寸占整个所述二硫化钼层尺寸的四分之一至二分之一。第一电极4位于所述石墨烯层远离所述衬底一侧的表面，第二电极5位于所述二硫化钼(MoS2)层3的所述第一部分远离所述衬底一侧的表面，所述第一电极4和所述第二电极5中之一为源极，之另一为漏极，栅极6位于所述衬底1背面。
在第一方向上，衬底1正面的第一区域的尺寸是至第一区域在第一方向上的长度。在第一方向上，整个衬底1正面尺寸是指整个衬底1正面在第一方向上的长度。与现有的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管不同的是，在本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管中，石墨烯层2未覆盖整个衬底1正面，而是仅在衬底1正面的所述第一区域，以裸露衬底1正面的所述第二区域，且在第一方向上，第一区域的尺寸小于或等于第二区域的尺寸，便于在第二区域覆盖基于CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积)工艺形成的大片面积的二硫化钼层3，以作为沟道层。需要说明的是，尺寸在本申请中可以为长度也可以为宽度。
大片面积的二硫化钼层3的第一部分覆盖在石墨烯层2的一部分上，以与石墨烯层3形成叠层，二硫化钼层3的第二部分覆盖在整个第二区域上，即二硫化钼层3位于衬底1正面上方且由石墨烯层2远离衬底1正面的一面延申至第二区域并覆盖整个第二区域。二硫化钼层3的第一部分表面为相对于第二部分表面的台阶面。在第一方向上第一区域的尺寸占整个衬底1正面尺寸的1/3至1/2，以确保二硫化钼层3在与石墨烯层2具有一定尺寸重叠面积的同时还能覆盖在第一方向上尺寸大于第一区域的第二区域。此外，在第一方向上，二硫化钼层3覆盖在石墨烯层2上的第一部分尺寸占二硫化钼层3整个尺寸的1/4至1/2。因此，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管既能确保二硫化钼层3与石墨烯层2的重叠部分在第一方向上具有一定的尺寸，便于在形成第一电极4和第二电极5时均有较充足的区域，以降低对光刻工艺的要求，同时还可以实现二硫化钼层3大面积的与衬底1正面直接接触，无需在衬底1正面形成大面积的石墨烯层2，有利于提高过渡金属硫化物垂直场效应晶体管稳定性和降低工艺难度，因为形成大面积的石墨烯层的工艺难度极高且生产良率低，产品性能不稳定。
由上可见，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管包括覆盖在衬底正面第一区域上的石墨烯层、一部分覆盖在石墨烯层上且另一部分覆盖在衬底正面第二区域上的大面积的二硫化钼层以及源极、漏极和栅极，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向上排列，且分别在第二方向上由所述衬底的第一侧延伸至相对的第二侧，在所述第一方向上，所述第一区域由所述衬底的第三侧延伸至所述第二区域，且所述第二区域由所述衬底的与所述第三侧相对的第四侧延伸至所述第一区域，在所述第一方向上，所述第一区域的尺寸占所述衬底正面的三分之一至二分之一，且小于所述第二区域的尺寸，所述二硫化钼层的所述第一部分的尺寸占整个所述二硫化钼层尺寸的四分之一至二分之一。因此，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管便于在形成源/漏极时具有较充足的区域，以降低对光刻工艺的要求，同时还有利于提高过渡金属硫化物垂直场效应晶体管稳定性和降低工艺难度。
在一些实施例中，衬底1可以为介电常数大于二氧化硅(SiO2)的氧化铪(HfO2)衬底或氧化锆(ZrO2)衬底,以便降低过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的尺寸。当然，在其它实施例中，衬底1还可以为其它介电常数大于二氧化硅的高介电常数衬底。但需要说明的是，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管在一些实施例中也可以直接采用二氧化硅作为衬底。
在一些实施例中，石墨烯层2为少层石墨烯。少层石墨烯的层数为1层至5层。进一步的，在一些实施例中，石墨烯层2的厚度为0.335至1.5nm，即石墨烯层2的厚度大于或等于0.335nm，且小于或等于1.5nm。具体的，石墨烯层2通过湿法转移的方法将预制备的石墨烯从铜箔上转移至衬底1正面的第一区域。
在一些实施例中，二硫化钼层3的厚度为0.35至0.7nm，即二硫化钼层3的厚度小于或等于0.7nm，且大于或等于0.35nm。二硫化钼层3的层数为5至7层，便于提高晶体管的开关性能。
在一些实施例中，二硫化钼层3所述第一方向和所述第二方向上的尺寸分别为0.8至1.2cm，即二硫化钼层3在第一方向和所述第二方向上的尺寸分别介于0.8cm至1.2cm之间，如二硫化钼层3的尺寸为1cm*1cm。具体的，在一些实施例中，二硫化钼层3为基于CVD工艺形成的大面积且可通湿法转移剥离薄膜沟道层。如可以在Si衬底上形成300nm的SiO2牺牲层，然后在牺牲层上通过CVD法制备出二硫化钼薄膜，再在牺牲层上旋涂PMMA，并烘干10min，接着将沉积有二硫化钼薄膜的带SiO2牺牲层的Si衬底放入2mol/L的NaOH溶液，在100摄氏度的环境中加热1h、用玻璃片将刻蚀后的二硫化钼薄膜捞起放进去离子水清洗5min，再用图1中覆盖由石墨烯层2的衬底1将其捞起，使得二硫化钼层3覆盖着石墨烯层2的一部分上以及覆盖整个第二区域，并烘干10min。
在一些实施例中，在所述第一方向上，由于二硫化钼层3的第一部分尺寸占整个二硫化钼层3尺寸的1/4至1/2，且第二部分覆盖整个尺寸大于第一区域的第二区域，则为形成第一电极4与第二电极5之间提供了充足区域，使得第一电极4与第二电极5之间的电极间距做的较宽，如所述第一电极4与所述第二电极5之间的间距为10至100um，即所述第一电极4与所述第二电极5之间的间距大于或等于10um,且小于或等于100um。因此，本申请实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的源/漏电极的形成无需采样复杂且高成本的EBL(E-Beam Lithography，电子束曝光***)光刻工艺。
在上述将基于CVD工艺形成的二硫化钼层3转移至衬底1上后，用丙酮清洗衬底1以去除PMMA，再用乙醇清洗去除丙酮，最后用去离子水清洗去除乙醇。然后再通过紫外光刻步骤，将源/漏极分别在二硫化钼层3和石墨烯层2上，该步骤包括先图案化源/漏极，然后沉积源/漏电极。
请参阅图2所示，其为依据本申请一些实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的俯视结构示意图。在一些实施例中，由于二硫化钼层3为大面积的薄膜层，可以实现在其上形成多个电极。因此，在一些实施例中，第一电极4和第二电极5的数量分别为多个，且所述第一电极4和所述第二电极5的数量一一对应，即一个第一电极4和一个第二电极5构成一对源/漏电极。多个所述第一电极4和多个所述第二电极5分别在所述第二方向上依次排列。
进一步的，所述第一电极4和/或所述第二电极5为由铬(Cr)层和金(Au)层构成的双层金属电极。其中，铬层的厚度为25至35nm，即铬层的厚度大于或等于25nm，且等于或等于35nm，所述金层的厚度为15至25nm，即所述金属层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于25nm。具体如，铬层为30nm,金层为20nm,且金层叠层于铬层上，有利于提高器件电极的电子迁移性能。
本申请一些实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管的一种可选的制备工艺包括如下步骤，但各个步骤之间的步骤不限于如下：
S1、在Si衬底上形成300nm的SiO2作为牺牲衬底，在牺牲衬底上通过化学气相沉积法(CVD)法制备出MoS2薄膜。其中牺牲衬底中的Si厚度为500μm，SiO2为n型掺p，厚度为300nm，大小为1cm*1cm。
S2、通过湿法转移的方法将预制备的石墨烯从铜箔上转移至目标衬底(图1中的衬底1一正面一边约占三分之一到二分之一的第一区域，以确保形成的石墨烯层2与后续形成的二硫化钼层3之间有重叠，石墨烯层2为少层，且其属于源/漏极的一部分，厚度不小于0.335nm且不大于1.5nm。
S3、在牺牲衬底上旋涂PMMA，并烘干10min,刻蚀掉牺牲衬底上的SiO2。
S4、用玻璃片将刻蚀后的二硫化钼薄膜捞起放进去离子水清洗5min，再用目标衬底将其捞起，需要注意的是，在捞的过程中需要确保覆盖第二区域上的二硫化钼层3还要和石墨烯层2至少有四分之一但不超过二分之一的重叠区域，以确保在进行紫外光刻时能有充足的区域，然后烘干10min。
S5、用丙酮清洗目标衬底以去除PMMA，再用乙醇清洗去除丙酮，最后用去离子水清洗去除乙醇，最后再将衬底烘干十分钟。
S6、再通过紫外光刻步骤，将源/漏极(图1中的第一电极4和第二电极5)分别在二硫化钼层3的第一部分和石墨烯层2上图案化源/漏极，沉积金属，形成源漏电极。
在本申请一些实施例提供的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管结构中通过将原本平面的结构间距转化为纵向的结构间距，通过S2和S6将源/漏极与石墨烯结合在一起，将其巧妙的变为了一种垂直的结构，从而使水平的源漏间距转化为垂直的源漏间距，避开了需要进行制备平面晶体管过程中需要高精度复杂光刻的步骤。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围之内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有相对的正面和背面，所述衬底的正面包括相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向上排列，且分别在第二方向上由所述衬底的第一侧延伸至相对的第二侧，在所述第一方向上，所述第一区域由所述衬底的第三侧延伸至所述第二区域，且所述第二区域由所述衬底的与所述第三侧相对的第四侧延伸至所述第一区域，在所述第一方向上，所述第一区域的尺寸占所述衬底正面的三分之一至二分之一，且小于所述第二区域的尺寸，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；
石墨烯层，所述石墨烯层覆盖在整个所述第一区域上；
二硫化钼层，所述二硫化钼层的第一部分覆盖在所述石墨烯层的一部分上，剩余的第二部分覆盖在整个所述第二区域上，在所述第一方向上，所述二硫化钼层的所述第一部分的尺寸占整个所述二硫化钼层尺寸的四分之一至二分之一；
第一电极，位于所述石墨烯层远离所述衬底一侧的表面；
第二电极，位于所述二硫化钼层的所述第一部分远离所述衬底一侧的表面，所述第一电极和所述第二电极中之一为源极，之另一为漏极；
栅极，位于所述衬底背面。
2.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述衬底为氧化铪衬底。
3.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述衬底为氧化锆衬底。
4.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯层为少层石墨烯。
5.根据权利要求4所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为0.335至1.5nm。
6.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述二硫化钼层的厚度为0.35至0.7nm。
7.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述二硫化钼层在所述第一方向和所述第二方向上的尺寸为0.8至1.2cm。
8.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，在所述第一方向上，所述第一电极与所述第二电极之间的间距为10至100um。
9.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的数量分别为多个，且所述第一电极和所述第二电极的数量一一对应，多个所述第一电极和多个所述第二电极分别在所述第二方向上依次排列。
10.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物垂直场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极和/或所述第二电极为由铬层和金层构成的双层金属电极；
所述铬层的厚度为25至35nm，所述金层的厚度为15至25nm。
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