本发明公开了一种规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法。本发明通过采用单层石墨烯作为与半导体材料接触的源漏电极，有效抑制肖特基势垒，降低了场效应晶体管的功耗；采用单层二维半导体层作为沟道材料，降低短沟道效应带来的影响；采用氦离子显微镜对单层石墨烯进行聚焦氦离子束直写刻蚀，能够稳定得到纳米尺度的沟道；本发明所定义的沟道的宽度为场效应晶体管内实际参与工作的单层二维半导体层的宽度，提升场效应晶体管性能的稳定性；利用干法转移得到范德华异质结，局域电介电层同时作为保护层将沟道材料进行封装，有效提升场效应晶体管的质量与耐久度；局域电介电层和全域电介电层形成上下调制的双栅极结构，提升场效应晶体管的性能。
1.一种规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1) 获得一片或多片单层石墨烯，将一片或多片单层石墨烯转移到形成在第一衬底表面的全域电介质层上，全域电介质层覆盖第一衬底的表面，单层石墨烯覆盖部分全域电介质层的表面；
2) 利用聚焦氦离子束对每一片单层石墨烯进行直写线扫刻蚀，从而在每一片单层石墨烯上形成一条纳米缝，纳米缝穿透单层石墨烯的上下表面，以形成在单层石墨烯内的纳米缝作为沟道，纳米缝的宽度即为沟道的宽度，是直接物理量，能够通过原子力显微镜或扫描电子显微镜表征沟道的宽度；
3) 获得单层的二维半导体层，二维半导体层采用2H相的过渡金属硫族化合物，将二维半导体层转移到第二衬底上；获得局域电介质层，将局域电介质层转移到第三衬底上；
4) 采用干法转移工艺，将局域电介质层覆盖在相应的二维半导体层上，再将覆盖有局域电介质层的二维半导体层定点转移至相应的刻蚀有沟道的单层石墨烯上，二维半导体层覆盖沟道，此时局域电介质层、二维半导体层和单层石墨烯作为范德华材料形成范德华异质结构，三者通过范德华力结合，使得三者之间的结合更加紧密稳定；在干法转移的过程中，二维半导体层填充至沟道内，填充至沟道内的那部分二维半导体层作为沟道材料，单层石墨烯的上表面与二维半导体层的两侧接触的区域作为源漏电极，单层石墨烯与二维半导体电学接触好，从而降低场效应晶体管的功耗，并且单层石墨烯能够降低短沟道效应；
5) 旋涂光刻胶，覆盖局域电介质层的表面、暴露出来的单层石墨烯的表面和暴露出来的全域电介质层的表面，利用电子束曝光机，在源漏电极上形成接触电极的图案，并且在局域电介质层上形成顶栅电极的图案，然后进行显影和电子束镀膜，蒸镀金属电极，分别在源漏电极上形成接触电极以及在局域电介质层上形成顶栅，最后去除光刻胶，完成场效应晶体管的制备。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1）中，通过机械剥离块状石墨烯或者直接沉积生长的方法获得一片或多片单层石墨烯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1）中，全域电介质层采用SiO2，厚度为
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2）中，聚焦氦离子束的离子剂量为
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2）中，沟道的宽度为3 5nm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3）中，通过机械剥离法或直接生长的方法得到单层的二维半导体层。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3）中，通过机械剥离或直接生长的方法得到局域电介质层，局域电介质层的厚度为10 20nm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5）中，接触电极和顶栅的材料为Ti/Au或Cr/Au。
一种规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法。
背景技术
[0002] 随着集成电路技术的不断发展，人们对于场效应晶体管性能的需求也逐渐提高。对于栅极长度缩小至亚微米甚至亚10纳米尺度的晶体管器件而言，一个不可避免的问题就是其小尺寸所引发的短沟道效应，它使得器件的性能全面下降，如阈值电压随沟道长度的减小而降低、随源漏电压的增加而降低、器件转移特性的亚阈值区斜率劣化等等。短沟道效应还会引起器件的载流子速率饱和，导致漏端的饱和电流大大降低；器件尺寸进入深亚微米沟长范围，器件内部的电场强度随器件尺寸的减小而增强，特别在漏结附近存在强电场，载流子在这一强电场中获得较高的能量，成为热载流子。热载流子在两个方面影响器件性能:1）越过Si‑SiO2势垒，注入到氧化层中，不断积累，改变阈值电压，影响器件寿命；2）在漏附近的耗尽区中与晶格碰撞产生电子空穴对，对N型金属氧化物半导体晶体管，碰撞产生的电子形成附加的漏电流，空穴则被衬底收集，形成衬底电流，使总电流成为饱和漏电流与衬底电流之和。衬底电流越大，说明沟道中发生的碰撞次数越多，相应的热载流子效应越严重。
[0003] 针对上述短沟道效应，目前主流的应对措施主要有以下几种：首先是鳍式场效应晶体管（FinFET），将沟道区设计为3D型鳍型薄片，栅极采用三面围栅结构，利用两边的侧栅增强对沟道的控制，可以有效抑制短沟道效应，但相比起平面型器件而言FinFET的制备工艺要复杂的多，不适合大规模量产；其次是绝缘层上硅（SOI）技术，通过在硅沟道层和衬底层中间引入很薄的氧化层，在沟道层全耗尽的条件下可以有效抑制源漏极之间的泄漏电流，但SOI硅片的制备成本较高且工艺相对复杂；最后是金属源漏肖特基势垒晶体管（SB MOSFET），以金属源极与半导体沟道之间肖特基势垒的隧穿电流作为晶体管的工作电流，从而降低对短沟道效应的敏感度，该设计工艺难度大，可用的势垒材料十分受限且器件的关态电流普遍较大。
发明内容
[0004] 针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法，通过聚焦氦离子束直写的方式获得短沟道，并采用干法转移的工艺得到全二维范德华异质结，最后经过标准的电子束曝光流程蒸镀金属电极得到所需的场效应晶体管。
[0005] 本发明的规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法，包括以下步骤：
[0006] 1) 获得一片或多片单层石墨烯，将一片或多片单层石墨烯转移到形成在第一衬底表面的全域电介质层上，全域电介质层覆盖第一衬底的表面，单层石墨烯覆盖部分全域电介质层的表面；
[0007] 2) 利用聚焦氦离子束对每一片单层石墨烯进行直写线扫刻蚀，从而在每一片单层石墨烯上形成一条纳米缝，纳米缝穿透单层石墨烯的上下表面，以形成在单层石墨烯内的纳米缝作为沟道，纳米缝的宽度即为沟道的宽度，是直接物理量，能够通过原子力显微镜或扫描电子显微镜表征沟道的宽度；
[0008] 3) 获得单层的二维半导体层，二维半导体层采用2H相的过渡金属硫族化合物，将二维半导体层转移到第二衬底上；获得局域电介质层，将局域电介质层转移到第三衬底上；
[0009] 4) 采用干法转移工艺，将局域电介质层覆盖在相应的二维半导体层上，再将覆盖有局域电介质层的二维半导体层定点转移至相应的刻蚀有沟道的单层石墨烯上，二维半导体层覆盖沟道，此时局域电介质层、二维半导体层和单层石墨烯作为范德华材料形成范德华异质结构，三者通过范德华力结合，使得三者之间的结合更加紧密稳定；在干法转移的过程中，二维半导体层填充至沟道内，填充至沟道内的那部分二维半导体层作为沟道材料，单层石墨烯的上表面与二维半导体层的两侧接触的区域作为源漏电极，单层石墨烯与金属电极相比，与二维半导体具有更好的电学接触，从而降低场效应晶体管的功耗，并且单层石墨烯能够降低短沟道效应；
[0010] 5) 旋涂光刻胶，覆盖局域电介质层的表面、暴露出来的单层石墨烯的表面和暴露出来的全域电介质层的表面，利用电子束曝光机，在源漏电极上形成接触电极的图案，并且在局域电介质层上形成顶栅电极的图案，然后进行显影和电子束镀膜，蒸镀金属电极，分别在源漏电极上形成接触电极以及在局域电介质层上形成顶栅，最后去除光刻胶，完成场效应晶体管的制备。
[0011] 其中，在步骤1）中，通过机械剥离块状石墨烯或者直接沉积生长的方法获得一片或多片单层石墨烯，石墨烯厚度通过光学显微镜下的对比度或原子力显微镜确定；全域电介质层采用SiO2，厚度为285~300nm；第一衬底采用Si。SiO2和Si拥有良好的界面特性，且Si拥有很高的空穴迁移率，满足晶体管的性能需求。
[0012] 在步骤2）中，聚焦氦离子束的离子剂量为0.02 0.05pC/nm，离子剂量越大，纳米缝~的宽度越大，而离子剂量过小，会造成刻不透单层石墨烯的下表面；沟道的宽度为3 5nm。
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[0013] 在步骤3）中，通过机械剥离法或直接生长的办法获得单层的二维半导体层，如WSe2、WS2或MoS2等；通过机械剥离或直接生长的方法得到局域电介质层，局域电介质层的厚度为10 20nm；局域电介质层采用二维范德华电介质材料，如六方氮化硼hBN；第二衬底和第~三衬底采用Si。
[0014] 在步骤5）中，接触电极和顶栅的材料为Ti/Au或Cr/Au。
[0015] 本发明的优点：
[0016] 本发明通过采用单层石墨烯作为与半导体材料接触的源漏电极，有效抑制传统金属电极与半导体之间的肖特基势垒，降低了场效应晶体管的功耗；采用单层二维半导体层作为沟道材料，有效降低短沟道效应带来的影响；采用氦离子显微镜对单层石墨烯进行聚焦氦离子束直写刻蚀，避免光刻胶对材料表面的污染的同时降低了操作的难度，且能够稳定得到纳米尺度（5nm）的沟道；区别于广泛应用的栅极扩散等效栅极长度的概念，本发明所定义的沟道的宽度为场效应晶体管内实际参与工作的单层二维半导体层的宽度，提升场效应晶体管性能的稳定性；利用干法转移得到的范德华异质结，局域电介电层同时作为保护层将沟道材料进行封装，有效提升场效应晶体管的质量与耐久度；局域电介电层和全域电介电层形成上下调制的双栅极结构，提升场效应晶体管的性能。
附图说明
[0017] 图1为根据本发明的规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的一个实施例得到的场效应晶体管的剖面图；
[0018] 图2为本发明的根据本发明的规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的一个实施例得到的沟道的电镜图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0020] 如图1所示，本实施例的规模化制备全二维短沟道场效应晶体管的方法，包括以下步骤：
[0021] 1) 290nm 厚的SiO2完全覆盖在Si的表面，以290nm 厚的SiO2作为全域电介质层2，以Si作为第一衬底1，通过机械剥离块状石墨烯获得多片单层石墨烯3，将多片单层石墨烯转移到290nm 厚的SiO2上，形成单层石墨烯阵列，覆盖部分全域电介质层的表面，单相邻的两片单层石墨烯的间距只需要满足预留出全二维短沟道场效应晶体管制备电极的位置即可，在本实施例中，间距为500μm；
[0022] 2) 利用离子剂量为0.03pC/nm的聚焦氦离子束对每一片单层石墨烯3进行直写线扫刻蚀，从而在每一片单层石墨烯上形成一条宽为5nm的纳米缝，纳米缝穿透单层石墨烯的上下表面，以形成在单层石墨烯内的纳米缝作为沟道4，纳米缝的宽度即为沟道的宽度，是直接物理量，能够通过原子力显微镜或扫描电子显微镜表征沟道的宽度；
[0023] 3) 通过机械剥离法得到单层的二维半导体层5，二维半导体层采用2H相的过渡金属硫族化合物WSe2，将二维半导体层转移到Si材料的第二衬底上；并且，通过机械剥离得到厚度为15nm的六方氮化硼hBN作为局域电介质层6，将局域电介质层转移到Si材料的第三衬底上；
[0024] 4) 采用干法转移工艺，将局域电介质层6覆盖在相应的二维半导体层5上，再将覆盖有局域电介质层的二维半导体层定点转移至相应的刻蚀有沟道的单层石墨烯3上，二维半导体层覆盖沟道4，此时局域电介质层、二维半导体层和单层石墨烯作为范德华材料形成范德华异质结构，三者通过范德华力结合使得三者之间的结合更加紧密稳定；在干法转移的过程中，二维半导体层填充至沟道内，填充至沟道内的那部分二维半导体层作为沟道材料，单层石墨烯的上表面与二维半导体层的两侧接触的区域作为源漏电极，单层石墨烯与金属电极相比，与二维半导体具有更好的电学接触，从而降低场效应晶体管的功耗，并且单层石墨烯能够降低短沟道效应；
[0025] 5) 旋涂光刻胶，覆盖局域电介质层的表面、暴露出来的单层石墨烯的表面和暴露出来的全域电介质层的表面，利用电子束曝光机，在源漏电极上形成接触电极的图案，并且在局域电介质层上形成顶栅电极的图案，然后进行显影和电子束镀膜，蒸镀金属电极，分别在源漏电极上形成Ti/Au的接触电极7以及在局域电介质层上形成Ti/Au的顶栅8，最后去除光刻胶，完成场效应晶体管的制备。
[0026] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
