垂直短溝道二硫化鉬場效應晶體管*

田金朋 王碩培 時東霞? 張廣宇?

1)(中國科學院物理研究所,北京 100190)

2)(中國科學院大學物理科學學院,北京 100190)

3)(松山湖材料實驗室,東莞 523808)

基于二維材料的場效應晶體管在超大規模集成技術方面具有非常大的應用潛力,因此開發高性能的短溝道二維半導體場效應晶體管是構建超大規模集成的必經之路.對于二維材料,獲得10 nm 以下溝道長度的二維半導體晶體管難度較大,目前很少有穩定制備亞10 nm 二維半導體晶體管的方法.本文使用石墨烯作為接觸材料,氮化硼作為間隔,可以穩定制備垂直短溝道二硫化鉬場效應晶體管.基于此方法,制備了8 nm 氮化硼間隔的垂直短溝道二硫化鉬場效應晶體管.該器件展現出良好的開關特性,在不同的源漏電壓下其開關比大于107;同時關態電流小于100 fA/μm,對源漏直接隧穿效應有很好的抑制作用.此外,該方法同樣適用于其他二維半導體短溝道晶體管的制備,為快速篩選出可適用于超大規模集成的二維材料提供了一種有效途徑.

1 引言

硅基互補型金屬氧化物半導體晶體管技術已達到5 nm 以下技術節點,而由于晶體管的柵極靜電調控需要大幅減小溝道厚度以保持其所需性能,使得對晶體管的進一步縮放變得越來越困難[1].隨著加工技術的提高,場效應晶體管(field effect transistor,FET)的最終溝道厚度有可能在 1 nm以下,然而對于三維材料而言,當厚度降到5 nm以下時,將可能出現短溝道效應(short-channel effect,SCE),其材料本身粗糙度和界面效應導致的載流子散射將會使晶體管的遷移率嚴重下降[2-4].SCE 指晶體管在溝道縮短后造成的偏離長溝道晶體管特性的現象,包括接觸電阻占比增大、漏致勢壘降低(drain barrier lowering,DIBL)和源漏直接隧穿等.而二維(two-dimensional,2D)材料,例如以二硫化鉬(MoS2)為代表的過渡金屬硫族化合物,具有原子級厚度(約0.6 nm)且表面沒有懸掛鍵,這些天然的優勢可以有效免疫SCE,被認為是延續摩爾定律的備選溝道材料之一[3,5-7].

自從2011 年Radisavljevic 等[8]報道第一個二硫化鉬場效應晶體管(MoS2-FET)以來,對高性能MoS2晶體管的探索就從未停止過.2016 年Desai 等[9]報道了1 nm 柵極長度MoS2晶體管,他們利用1 nm 直徑金屬性單壁碳納米管作為晶體管的柵極調控雙層MoS2,其結果顯示MoS2對SCE 具有很強的免疫力.目前已報道制備MoS2短溝道晶體管的方法有很多,例如用石墨烯納米縫隙作為溝道[10,11]、電子束曝光[12,13]、局部相變[14]、Bi2O3納米縫隙[15]、納米線作為掩膜[16-19]等.但這些方法得到的溝道長度或溝道位置隨機性大、不穩定,且難以推廣到其他2D 半導體或用于規模化制備短溝道晶體管.另一方面,有采用垂直晶體管加工方法制備MoS2短溝道晶體管,通常使用金作為垂直溝道晶體管的接觸材料,但出現了嚴重的SCE,其關態電流明顯增大并且開關比急劇降低[20].

我們采用石墨烯作為接觸材料、以氮化硼(BN)作為間隔加工垂直短溝道MoS2-FET.該晶體管展現出良好的開關特性,在不同的源漏電壓下,其開關比大于107,關態電流小于100 fA/μm,對源漏直接隧穿效應有很好的抑制作用.此外,本文制備垂直短溝道MoS2-FET 的方法可以用于穩定制備其他2D 半導體短溝道晶體管,快速篩選對SCE具有抑制作用和適合制備高性能FET 的2D 材料.

2 垂直溝道晶體管制備過程

實驗上,首先在SiO2(300 nm)襯底上機械剝離兩個石墨烯(石墨烯A 和石墨烯B)和薄層氮化硼(BN-A 和BN-B),再用干法轉移撿起石墨烯A并轉移到薄層BN-A 上形成石墨烯A/BN-A 異質結(圖1(b)).接著用電子束光刻曝光和反應離子束刻蝕(reactive ion etching,RIE)光刻膠未覆蓋的區域以形成邊界對齊的石墨烯A/BN-A 異質結(圖1(c)).接下來采用干法轉移的方法把石墨烯A/BN-A 轉移到石墨烯B 上,并與石墨烯B 的邊界錯開(圖1(d)).之后用濕法轉移的方法把化學氣相沉積生長在藍寶石襯底上的MoS2轉移到石墨烯A/BN-A/石墨烯B 異質結上,并覆蓋石墨烯A/BN-A 對齊的邊界處(圖1(e)).然后干法轉移頂柵BN-B 到MoS2上,并覆蓋石墨烯A/BN-A對齊的邊界處(圖1(f)).最后用電子束光刻曝光出器件的柵極和源漏電極部分,再用電子束蒸發(e-beam evaporation)沉積3/30 nm 的Ti/Au 作為接觸電極(圖1(g)).

3 垂直短溝道晶體管的結構測量與分析

圖2(a)是短溝道FET 的結構示意圖,其中石墨烯A 與石墨烯B 作為FET 的源極和漏極,BN-B做為晶體管的柵介電層.石墨烯的接觸金屬和頂柵電極是3/30 nm Ti/Au.BN-A 隔在石墨烯A和石墨烯B 之間,使晶體管源漏不相連,而源漏中間被BN 隔開的MoS2部分(圖2(a)紅色虛線方框)為該晶體管的溝道區域,其長度為間隔在兩個石墨烯之間BN-A 的厚度.圖2(b)展示了該8 nm垂直短溝道晶體管的光學顯微鏡圖,白色虛線方框部分為頂柵BN-B,紅色方框部分為間隔BN-A.該短溝道器件的間隔BN 厚度約為8 nm(圖2(c)),頂柵BN-B 介電層厚度約為 15 nm,該8 nm 溝道晶體管器件的溝道寬度W=2 μm.由于在刻蝕石墨烯A/BN-A 時會伴隨著BN 的橫向刻蝕,刻蝕后的BN 邊界并不是嚴格垂直,從上到下會有一個傾角,該傾角約為38°(圖2(d)),所以該短溝道晶體管的溝道長度L約為13 nm.

圖2 8 nm 垂直短溝道MoS2-FET 結構(a)垂直短溝道晶體管的結構示意圖,紅色虛線方框部分為晶體管垂直溝道區域;(b)短溝道器件光學顯微鏡圖;(c)間隙BN-A 的原子力顯微鏡測量圖,間隙BN 厚度約為8 nm;(d)刻蝕后氮化硼斜面截面透射電子顯微鏡圖,頂切角度為38°Fig.2.Structure of 8 nm vertical short-channel MoS2-FET:(a)Structure diagram of the vertical short-channel transistor,the red dotted box is the vertical channel region of the transistor;(b)optical microscope image of short-channel devices;(c)atomic force microscope image of spacer BN-A with a thickness is about 8 nm;(d)transmission electron microscope image of BN cross-section after etching,and the top-cut angle is 38°.

4 垂直短溝道晶體管電學表征

分別對8 nm 溝道MoS2晶體管的轉移特性、輸出特性、石墨烯與MoS2之間的接觸電阻、以及是否存在DIBL 和源漏直接隧穿等進行了系列表征和分析.

4.1 垂直短溝道晶體管的轉移特性

圖3(a)展示了 8 nm 溝道MoS2晶體管的轉移特性曲線.該短溝道器件在不同源漏電壓下表現出良好的開關特性,其開關比大于107,關態電流IOFF＜100 fA/μm,在VDS=0.1 V 時開態電流達到3.3 μA/μm(對應載流子濃度n約為6.4×1012cm-2).該短溝道晶體管同時展現出了良好的亞閾值特性,其亞閾值擺幅SS=dVGS/d(lgIDS)=0.4 V/dec.有效場效應遷移率表達式為

圖3 8 nm 垂直溝道MoS2 晶體管電學表征(a)不同源漏電壓VDS 下的轉移特性曲線IDS-VGS,亞閾值擺幅(SS)約為0.4 V/dec;(b)傳輸特性曲線IDS-VDS;(c)晶體管閾值電壓Vth 隨源漏電壓VDS 的變化;(d)亞閾值擺幅隨源漏電壓VDS 的變化Fig.3.Electrical characteristics of 8 nm vertical channel MoS2 transistor:(a)Transfer characteristic curve IDS-VGS with different VDS,subthreshold swing(SS)is about 0.4 V/dec;(b)output characteristic curve IDS-VDS;(c)threshold voltage Vth as a function of VDS;(d)subthreshold swing as a function of VDS.

其中Co為介電層的單位電容,W和L分別為晶體管的溝道寬度和長度,計算所得有效遷移率約為0.3 cm2·V-1·s-1(VDS=0.02 V).該8 nm 晶體管計算所得有效遷移率相對長溝道器件有效遷移率(86 cm2·V-1·s-1,圖4)偏低,這是由于在短溝道情況下接觸電阻的占比增大[11,15].

圖4 7 μm 長溝道器件轉移特性曲線Fig.4.Transfer characteristics curve of the 7 μm channel length transistor.

4.2 垂直短溝道晶體管的輸出特性

圖3(b)展示了8 nm 晶體管的輸出特性曲線IDS-VDS,可以看到在不同的柵壓VGS下,源漏電流IDS隨著源漏電壓VDS線性增加,說明石墨烯和MoS2之間是很好的歐姆接觸.通常在金屬蒸鍍過程中,高能的金屬分子和團簇轟擊MoS2表面,有可能在接觸區域造成缺陷,出現費米面釘扎,導致接觸電阻增加[21].與蒸鍍金屬不同,在該8 nm晶體管的制備中,MoS2是轉移到石墨烯上,石墨烯和MoS2之間的接觸是范德瓦耳斯接觸,具有良好的歐姆接觸,沒有因金屬直接在MoS2表面蒸鍍造成晶格破壞而出現費米釘扎的問題.但是該器件中,由于BN 介電層的調節能力有限導致載流子濃度不高,接觸電阻比較大,造成開態電流小并且遷移率較低.

4.3 垂直短溝道晶體管閾值電壓隨源漏電壓的變化

當晶體管源漏距離縮短,源極電壓的增加會直接影響源極和溝道之間接觸勢壘的高度和寬度,造成閾值電壓隨源漏電壓的增加而逐漸減小,被稱為DIBL,是SCE 的一種[1].圖3(c)是8 nm晶體管閾值電壓Vth隨源漏電壓的變化關系,隨著源漏電壓的增加,閾值電壓逐漸減小.DIBL 可以表示為

4.4 垂直短溝道晶體管亞閾值擺幅隨源漏電壓的變化

源漏直接隧穿效應是指當晶體管溝道長度縮短到很小時,溝道中的電場強度很大、勢壘變窄,這時源極和漏極之間載流子會穿過接觸勢壘和溝道直接發生隧穿.該隧穿電流在亞閾值區域表現為關態電流上升和亞閾值擺幅增加[22,23].圖3(d)是8 nm 晶體管亞閾值擺幅隨源漏電壓的變化,可以看到隨著源漏電壓的增加,亞閾值擺幅只是輕微的有所增加,由0.4 V/dec(VDS=0.02 V)增加到0.45 V/dec(VDS=0.1 V),并且關態電流并沒有明顯增加.這說明該8 nm 晶體管在亞閾值區域沒有出現明顯的源漏直接隧穿效應,這得益于我們使用了石墨烯作為晶體管的源漏接觸.和金屬接觸相比,石墨烯在Dirac 點附近有更快的載流子濃度的衰減,所以在亞閾值區域其電流衰減更快[24],同時抑制了隧穿電流的產生.

5 總結

用BN 作為溝道間隙,制備了石墨接觸的間隙為8 nm 的垂直短溝道MoS2-FET.該晶體管展現出了良好的開關性能,VDS=0.1 V 時的開態電流達到3.3 μA/μm,而關態電流IOFF＜100 fA,開關比大于107,亞閾值擺幅SS=0.4 V/dec.從輸出特性曲線可以看出,該石墨接觸的短溝道器件展現了良好的歐姆接觸.計算DIBL為4.5,表明該短溝道器件表現出了SCE,而由于我們采用石墨烯作為接觸材料,在不同源漏電壓下器件的亞閾值擺幅和關態電流的變化很小,說明該短溝道器件沒有源極到漏極的直接隧穿,有效抑制了源漏直接隧穿效應.此外我們制備垂直短溝道MoS2-FET 的方法同樣適用于制備其他2D 半導體短溝道晶體管.該方法具有高穩定性和重復性,為2D 材料短溝道晶體管的制備提供了一種有效加工途徑,同時可以快速篩選對SCE 具有抑制作用和適合制備高性能FET 的2D 材料.