基于原子层沉积的二硫化钼场效应晶体管制造及其性能研究

黄亚洲,黄家才,耿冉冉

(南京工程学院工业中心、创新创业学院,江苏 南京,211167)

近年来,随着电子器件小型化的发展,传统硅基场效应晶体管的尺寸已经达到10 nm以下,但是,由于量子隧穿效应,其制造成本急剧增加.为解决这一问题,具有优异电学和力学性能的二硫化钼等二维层状半导体材料得到了广泛的关注[1-3].

研究表明,常温下二硫化钼的载流子迁移率可以达到410 cm2/(V·s),其断裂强度达到23 GPa,可承受11%的形变,是一种理想的场效应晶体管材料[4-5];文献[6]基于机械剥离的二硫化钼制备单层二硫化钼场效应晶体管,其开关比和载流子迁移率分别达到1×108和15 cm2/(V·s);文献[7]基于化学气相沉积的二硫化钼薄膜制备单少层二硫化钼场效应晶体管,载流子迁移率为0.04 cm2/(V·s);文献[8]采用修饰基底的化学气相沉积方法制备二硫化钼场效应晶体管,其开关比达到1×104;文献[9]通过改进化学气相沉积制备的二硫化钼场效应晶体管的载流子迁移率和开关比分别达到0.3 cm2/(V·s)和1×104;文献[10]通过进一步改进化学气相沉积的工艺参数制备的二硫化钼场效应晶体管的载流子迁移率达到了7 cm2/(V·s);文献[11]和文献[12]采用机械剥离二硫化钼的方法,对场效应晶体管的性能进行研究.目前,用于制造场效应晶体管的二硫化钼主要是采用机械剥离和化学气相沉积的方法制备,但这些方法存在工艺条件苛刻、可控性差、材料与基底附着力弱等缺点,严重制约了二硫化钼场效应晶体管的大规模应用[13-14].原子层沉积二硫化钼工艺技术的发展为低成本、高效率制备二硫化钼场效应管器件提供了可能[15].

本文针对机械剥离和化学气相沉积等传统方法制备二硫化钼薄膜的不足,采用原子层沉积工艺方法,在氧化硅基底上沉积单少层二硫化钼薄膜,制备背栅场效应晶体管,并对材料质量和器件性能进行研究.

1 材料制备和测试

1.1 二硫化钼薄膜制备

选用氯化钼和硫化氢作为钼源和硫源前躯体,高纯氮气作为载气和清洗气体,在沉积之前,分别采用去离子水、乙醇、丙酮和氧等离子体清洗氧化硅基底(氧化层厚度300 nm),在沉积过程中,腔体温度保持在450 ℃.一个原子层沉积循环包括通入氯化钼(0.1 s)、清洗(5 s)、通入硫化氢(0.1 s)、清洗(5 s)四个步骤,经过一个循环,在基底上沉积一层二硫化钼薄膜.选用5个循环的二硫化钼薄膜制备场效应晶体管.

1.2 场效应管器件设计制造

综合考虑试验成本和研究目的,选择制造结构相对简单的背栅场效应晶体管.首先,采用等离子体刻蚀,将原子层沉积制备的二硫化钼薄膜刻蚀成条状;然后采用电子束蒸发,在这些条状二硫化钼上沉积金电极作为源漏极,沟通长度设置为5 μm;最后,引出背栅电极.

1.3 测试与表征

采用光学显微镜、投射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman)和X射线衍射仪(XRD)对沉积的二硫化钼薄膜进行表征.为进行TEM观察,将MoS2薄膜从硅基底上剥离,转移到TEM铜网上,高分辨TEM的加速电压为200 kV;拉曼激光选用波花532 nm、功率0.8 mW、光斑1 μm;XRD采用Cu Kα射线、电流35 mA、电压50 kV.采用四探针台对场效应晶体管的性能进行测试研究.

2 结果与分析

2.1 原子层沉积机理

原子层沉积二硫化钼机理如图1所示.当通入氯化钼时,其与氧化硅基底上的活性位点(羟基官能团)发生自限制化学反应,均匀吸附沉积在基底表面,反应残余气体通过氮气吹洗出腔体外;当通入硫化氢时,其与吸附在基底表面的氯化钼发生自限制化学反应,生成一层二硫化钼,反应残余气体通过氮气吹洗出腔体外,以上步骤构成一个循环的原子层沉积.通过控制循环次数,可以精确控制二硫化钼的层数和厚度.沉积通过自限制化学反应进行,具有工艺简单,重复性好、薄膜沉积均匀、面积大等优点.

图1 原子层沉积二硫化钼薄膜示意图

2.2 原子层沉积制备的二硫化钼

图2(a)为原子层沉积的二硫化钼薄膜的光镜照片,可以看出,二硫化钼薄膜被均匀覆盖在氧化硅基底表面.与机械剥离和化学气相沉积工艺相比,由于自限制化学反应,原子层沉积的二硫化钼薄膜可以在复杂结构的基底表面均匀覆盖,质量一致,这样在后期的场效应管制备中可以降低刻蚀和电极沉积的成本.图2(b)为经过刻蚀后的条状二硫化钼,为后续在其上沉积电极做好准备.

(a) 原子层沉积

原子层沉积二硫化钼的晶体结构采用TEM进行观察,如图3所示.由图3可见,二硫化钼为典型片层状结构,其(002)晶面间距约为0.65 nm,原子排列(110)和(100)的晶面间距分别为0.16 nm 和0.27 nm,由相应的选区衍射花样可以看出所沉积的二硫化钼为2H六方晶格结构.

(a) 片状结构

图4 二硫化钼薄膜的Raman表征

采用XRD光谱对原子层沉积二硫化钼的结构进行进一步观察[15].图5为XRD表征结果,可以清晰地看到二硫化钼的(002)晶面特征峰,仅有1个(002)特征峰,说明所沉积的二硫化钼的取向高度一致.采用Debye-Scherrer公式,计算沉积的二硫化钼晶粒尺寸：

D=0.89λ/(βcosθ)

(1)

式中：D为晶粒直径;λ为入射X射线波长(0.154 nm);β为特征峰的半高宽;θ为布拉格衍射角.

计算得二硫化钼的晶粒尺寸为 5.45 nm.通常,采用机械剥离所制得的二硫化钼单晶尺寸可以达到100 μm量级,而采用化学气相沉积所制得的二硫化钼的单晶尺寸处在1～100 μm量级.三者相比之下,原子层沉积的二硫化钼晶粒尺寸较小,这主要是由于原子层沉积工艺中采用的是低温.

图5 二硫化钼薄膜的XRD表征

2.3 二硫化钼场效应晶体管的性能

二硫化钼背栅场效应晶体管结构如图6所示,沟道采用原子层沉积的二硫化钼,源漏极采用金电极制作,绝缘层为氧化硅,高导电性的P型硅作为背栅电极.这样,硅、氧化硅和二硫化钼组成一个电容器,其电容值取决于介电层氧化硅的介电常数和厚度.背栅二硫化钼场效应晶体管的工作原理：在背栅硅上施加的电压决定了二硫化钼沟道电流的大小,假设所制造的二硫化钼场效应管是P型,在背栅硅上施加的正电压足够大,则源漏极之间通过二硫化钼沟道连通,反之,施加负电压或移除电压,则源漏极之间二硫化钼沟道断开,源漏极之间的电流通过背栅硅上的电压进行控制.虽然二硫化钼是P型半导体,但制造的场效晶体管既有N型,也有P型,这是由于在制造过程中应力应变、杂质污染等会改变二硫化钼的电学结构,令其呈现N型属性.具体的类型需要对器件进行测试确定.

图6 二硫化钼背栅场效应晶体管结构示意图

二硫化钼背栅场效应晶体管器件的光镜照片如图7所示.由图7可见,金电极、二硫化钼沟道和氧化硅绝缘层沟通长度为5 μm.由于前期原子层沉积工艺所制备的二硫化钼薄膜具有工艺简单、质量均匀、面积大等优点,在后期器件制作过程中,大大降低了工艺难度,缩短了制造时间,所制造的器件表面无杂质污染、沟道尺寸均匀、质量较高.

图7 二硫化钼背栅场效应晶体管光镜照片

在室温下,采用四探针台对二硫化钼背栅场效应晶体管器件的电学性能进行测试,漏极和栅极分别接针1和针2,源极共地分别接针3和针4.依据所测得的数据,计算沟道的电阻和场效应迁移率.源漏极I-U曲线如图8所示,数据的线性度较好,说明电极与二硫化钼之间为欧姆接触.经过线性拟合,得到其电阻为58.2 MΩ,与机械剥离和化学气相沉积的二硫化钼相比,该电阻较大,原因有两个方面：1) 原子层沉积制备的二硫化钼薄膜晶粒尺寸较小,晶界密度较大,对电子迁移的阻碍增大,同时,由于原子层沉积工艺的低温特点,使所制备的二硫化钼薄膜纯度相对较低;2) 原子层沉积制备的二硫化钼薄膜质量均匀、面积大,可以对二硫化钼的尺寸(长和宽)进行精确刻蚀,施加这样的制备工艺其沟道的宽度往往不需控制.

图8 二硫化钼背栅场效应晶体管I-U曲线

图9为二硫化钼背栅场效应晶体管的场效应迁移率曲线.计算场效应迁移率：

μ=[dIds/dUbg]×[L/(WCiUds)]

(2)

式中：Ids为源漏极电流;Ubg为背栅电压;L为二硫化钼沟道的长度;W为二硫化钼沟道的宽度;Ci为背栅和二硫化钼沟道之间的单位面积电容,Ci= 1.21 × 10-4F/m2;Uds为源漏极电压.

计算得器件场效应迁移率为0.34 cm2/(V·s).化学气相沉积的二硫化钼薄膜的场效应迁移率为0.04～7 cm2/(V·s),机械剥离的二硫化钼薄膜场效应迁移率可以达到15 cm2/(V·s),因此,原子层沉积的二硫化钼薄膜场效应迁移率与化学气相沉积的相当,低于由机械剥离制备的二硫化钼薄膜场效应迁移率.这是由于原子层沉积的低温工艺使二硫化钼薄膜的结晶度相对较低,晶界密度大,阻碍了载流子的迁移.原子层沉积独特的低温工艺可以将二硫化钼薄膜直接沉积在不耐热的柔性基底上,在柔性电子器件领域具有重要应用前景.

图9 二硫化钼背栅场效应晶体管场效应迁移曲线

3 结语

针对机械剥离和化学气相沉积等传统制备二硫化钼薄膜方法的不足,本文采用原子层沉积方法,在氧化硅基底上沉积单少层二硫化钼薄膜,制备背栅场效应晶体管,并对材料质量和器件性能进行研究.制备的二硫化钼薄膜具有工艺简单、面积大、质量均匀等优点,二硫化钼背栅场效应晶体管器件沟道电阻为58.2 MΩ,场效应迁移率达到0.34 cm2/(V·s).原子层沉积方法在二硫化钼场效应管器件的规模化制造和柔性电子器件领域中具有重要应用价值.