[發明專利]一種基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路及其制備方法

在審

• 申請號: 202010154717.7
• 申請日: 2020-03-08
• 公開（公告）號: CN111446243A
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 陸葉;包文中;郭曉嬌
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L27/06
• 分類號: H01L27/06;H01L27/13;H01L21/822;H01L21/84;H01L21/86
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路，其特征在于，由有源器件、無源器件以襯底為基礎堆疊而成，堆疊層數大于兩層；其中每一疊層至少有1個有源器件，各疊層間由絕緣層隔開，各疊層間由通孔連接線連接；其中，所述器件以二維半導體薄膜為基礎制備得到；該多層堆疊電路可實現與非門、或非門、反相器、傳輸門等多種邏輯或者模擬電路。

2.根據權利要求1所述的基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路，其特征在于，所述有源器件為場效應晶體管。

3.根據權利要求2所述的基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路，其特征在于，所述二維半導體薄膜選自過渡金屬硫族化合物、黑磷、單質碲新型二維半導體薄膜；其多層堆疊電路中的薄膜為這些薄膜中的任意一種或幾種。

4. 根據權利要求3所述的基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路，其特征在于，所述絕緣層選自ⅢA族、ⅢB族、ⅣB族金屬氧化物，Si₃ N₄、SiO_xN_y、Si_xC_yO_z、Si_xB_yC_zN_k這些氮化物，以及類硼氮化合物二維絕緣材料中的一種。

5.一種如權利要求1或2所述的基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路制備方法，其特征在于，具體步驟為：

（1）準備襯底，包括襯底的選材、清洗、預處理、對準標記；

所述襯底材料選自含氧化硅薄層的硅片、藍寶石、聚合物、塑料或超透明紙；當最底層晶體管為背柵、埋柵晶體管時，襯底采用含氧化硅薄層的硅片、藍寶石，最底層晶體管為頂柵晶體管時，襯底采用上述的任意材料；

所述的襯底的清洗，是去除襯底表面殘留物；所述襯底的預處理是增強襯底與器件間的粘附性和減小襯底表面的粗糙性，預處理采用烘箱或恒溫加熱臺烘烤或加熱、等離子體處理或旋涂光刻膠、鍍膜方式；對準標記用于電路制備中各工藝間的精確對準；

（2）在襯底上制備二維半導體薄膜材料；

所述半導體二維材料選自過渡金屬硫族化合物、黑磷、單質碲二維半導體薄膜；多層堆疊電路中的薄膜為這些薄膜中的任意一種或幾種；

（3）基于二維薄膜材料，制備相應場效應晶體管或無源器件的電極、柵介質、各層間隔層及通孔連接線；其中，采用常規光刻技術制作電極、通孔圖案，或者直接用硬掩膜蒸鍍電極、刻蝕通孔，并制備通孔和連接線；采用熱蒸鍍、電子束蒸發、原子層沉積、磁控濺射或物理氣相沉積制作隔層、柵介質。

6.根據權利要求5所述的基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路制備方法，其特征在于，步驟（2）中，所述的二維薄膜材料采用機械剝離、液相剝離、脈沖激光沉積、離子插層、轉移法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積或熱蒸鍍方法制備；當薄膜材料為較大面積時，用干法刻蝕技術將薄膜刻蝕成條形，作為場效應晶體管溝道材料，用于制備層上大面積的堆疊電路；當薄膜材料為較小面積時，用轉移法將多塊薄膜轉移在有標記的襯底上，用于制備層上小面積的堆疊電路。

7.根據權利要求5所述的基于二維半導體薄膜的多層堆疊電路制備方法，其特征在于，步驟（3）中，所述硬掩膜為硅基掩膜版或金屬掩膜版，適用于制備層上小面積電路，其正面圖形由對準標記和所制備的電極、通孔圖案構成；襯底與硬掩膜版對準采用高精度對準平臺裝置；

所述刻蝕通孔用酸堿溶液的濕法刻蝕或含F+氣體或惰性氣體的干法刻蝕；

所述的柵介質選自具有高K的ⅢA族、ⅢB族、ⅣB族金屬氧化物，Si₃ N₄、SiO_xN_y、Si_xC_yO_z、Si_xB_yC_zN_k，以及類硼氮化合物這樣的二維絕緣材料中的任意一種或幾種。