[發明專利]自對準二維晶體材料場效應半導體器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201510967906.5
• 申請日: 2015-12-22
• 公開（公告）號: CN105609539B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 王剛;李平;張慶偉
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/04
• 分類號: H01L29/04;H01L29/10;H01L29/78;H01L21/336;H01L21/34
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所(普通合伙) 51215
• 代理人: 劉勛

自對準二維晶體材料場效應半導體器件及其制備方法，屬于半導體器件技術領域。本發明的半導體器件包括柵電極區、源電極區和漏電極區，其特征在于，還包括二維晶體材料層，所述二維晶體材料層連接源電極和漏電極，且跨過柵電極區的局部，二維晶體材料層和其下方的柵電極區之間為柵介質氧化層。使用本發明的自對準工藝可自動實現器件柵電極與源和漏電極位置的對準，從而大大減小了柵與源和漏電極的覆蓋電容，這對于提高器件工作頻率具有重要意義。另一方面，柵與源和漏電極自對準的器件結構大大降低了柵電極與源電極之間以及柵電極與漏電極之間的溝道層即二維晶體材料的寄生電阻，這同樣有利于提高器件的工作頻率。

技術領域

本發明涉及自對準的基于二維晶體材料的場效應半導體器件結構及其制備方法，屬于半導體器件技術領域。

背景技術

在摩爾定律的驅動下，基于單晶硅材料的半導體器件的尺寸越來越小，集成電路的密度越來越高，功耗越來越低，芯片的性能越來越強，成本越來越低。然而隨著半導體工藝關鍵尺寸的逐漸減小，半導體工藝制程越來越接近半導體的物理極限，很難繼續縮小下去。

摩爾定律即將走向終結，然而信息技術前進的步伐不會減慢。世界各國科研人員積極探索各種新材料及新器件結構，以期取代現有的硅半導體器件。一種可預期的解決方案是使用二維晶體材料制備半導體器件及半導體集成電路。

二維晶體材料是由單個原子層或多個原子層構成的二維的晶體材料，相比三維的塊材而言，二維晶體材料具有十分優異的電學、光學及機械特性。目前，世界各國科研人員對二維晶體材料及其器件的研究具有高漲的熱情。二維晶體材料主要包括石墨烯、黑磷、硅烯、鍺烯、錫烯、二硫化鉬等等。

石墨烯是最先發現的典型的具有一個原子層厚度的二維晶體材料。2004年英國曼徹斯特大學的兩位科研人員首次從石墨中分離出石墨烯，證實了二維晶體材料可以單獨存在，兩人因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯性能十分優越，低溫情況下其電子遷移率可以達到200000cm²/Vs，是單晶硅材料的100倍；石墨烯是世界上最強韌的材料，其強度為鋼材的200倍；另外，石墨烯具有良好的光學特性，只吸收2.3％的光，因此幾乎完全透明。石墨烯的應用領域非常廣泛，其中一個典型應用是射頻場效應晶體管，2012年基于石墨烯的射頻場效應晶體管的截止頻率就已達到了427GHz。

石墨烯材料性能極其優越，但依然存在一些缺陷。石墨烯的主要問題是禁帶寬度為零，基于石墨烯材料的半導體器件的開關比比較低，在集成電路方面的應用具有較大困難。然而，石墨烯打開了科學家的視野，指引科學家們積極探索與石墨烯類似，但卻具有比石墨烯更強光電特性的新型二維晶體材料，例如黑磷、硅烯、鍺烯、錫烯、二硫化鉬等等。

包括石墨烯在內的所有二維晶體材料的最有潛力的應用是成為硅的替代品，用來研制新一代半導體器件和半導體集成電路。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種自對準的基于二維晶體材料的場效應半導體器件及其制備方法。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，自對準二維晶體材料場效應半導體器件，包括柵電極區、源電極區和漏電極區，其特征在于，還包括二維晶體材料層，所述二維晶體材料層連接源電極和漏電極，且跨過柵電極區的局部，二維晶體材料層和其下方的柵電極區之間為柵介質氧化層。

所述二維晶體材料為石墨烯、黑磷、硅烯、鍺烯、錫烯或者二硫化鉬。

本發明還提供自對準二維晶體材料場效應半導體器件制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)選用絕緣襯底上的帶有埋氧化層的硅晶片為基底，按預設的掩膜圖形對硅晶片的頂層硅進行圖形化刻蝕，直至露出硅晶片中的埋氧化層，形成源電極溝槽和漏電極溝槽，并以頂層硅作為柵電極；

(2)在源電極溝槽的側面和漏電極溝槽的側面形成二氧化硅介質層；