[发明专利]一种黑磷场效应晶体管及其制造方法

说明书

本发明提供一种黑磷场效应晶体管及其制造方法，所述制造方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成掩膜层，所述掩膜层具有开口图案；在所述开口中形成黑磷薄片；执行加热处理，以使所述黑磷薄片转化为覆盖所述开口底部的红磷层；将所述红磷层转化为覆盖所述开口底部的黑磷层；移除所述掩膜层。根据本发明提出的黑磷场效应晶体管的制造方法，可改善黑磷场效应晶体管的性能。

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种黑磷场效应晶体管及其制造方法。

背景技术

二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体。作为二维材料的典型代表，石墨烯的研发掀起了人们研究二维材料的热潮。然而，由于石墨稀本身没有带隙，也就是说它难以完成导体和绝缘体之间的转换，不能实现数字电路的逻辑开与关，这限制了它在半导体工业和光学器件等领域的应用。而作为二维过渡金属硫化物代表之一的MoS₂尽管拥有约1.8eV的直接带隙和相对高的开关比，然而它的载流子迁移率却很低(约200cm²/V·s)。

黑磷与石墨烯一样由单原子层堆叠而成，拥有二维层状结构。不同于石墨烯的是，黑磷具有一个直接带隙，因而具有可调半导体的特性，能够用于代替目前的许多半导体元件，例如晶体管、传感器、太阳能电池、电路开关等。二维黑磷晶体还具有非常高的载流子迁移率。黑磷场效应晶体管器件的成功制备，使得黑磷的研究再次达到高潮。然而，有关黑磷场效应晶体管的研究多集中于P型黑磷场效应晶体管。为了实际应用于CMOS及功能电路中，减少其进程的复杂性和功耗，实现高性能的双极型黑磷场效应晶体管至关重要。

黑磷场效应晶体管中黑磷层的能隙和载流子迁移率都呈现对厚度的依赖性，例如单层黑磷的带隙为1.54eV，4层黑磷的带隙为0.86eV，块体黑磷的带隙为0.3eV，以及当黑磷层厚度在10nm时,获得最高的迁移率值。现有的黑磷场效应晶体管的制造方法多直接采用从块体黑磷上剥离的黑磷薄片形成导电沟道，而不能调节黑磷层的厚度。

因此，有必要提出一种新的黑磷场效应晶体管的制造方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成掩膜层，所述掩膜层具有开口图案；

在所述开口中形成黑磷薄片；

执行加热处理，以使所述黑磷薄片转化为覆盖所述开口底部的红磷层；

将所述红磷层转化为覆盖所述开口底部的黑磷层；

移除所述掩膜层。

示例性地，形成所述黑磷层后，使用干法刻蚀修剪所述黑磷层以调节所述黑磷层厚度。

示例性地，所述干法刻蚀为等离子体刻蚀。

示例性地，还包括在所述黑磷层上沉积钝化层的步骤。

示例性地，所述钝化层为Al₂O₃钝化层。

示例性地，还包括在所述黑磷层上形成源极及漏极的步骤。

示例性地，所述源极及漏极的材料包括Ti/Au。

示例性地，还包括在所述黑磷层与所述衬底之间形成栅电极的步骤。

示例性地，所述栅电极的材料包括Ti/Pd。

示例性地，还包括在所述黑磷层与所述栅电极之间形成栅介质层的步骤。

示例性地，所述栅介质层的材料包括HfO₂。

示例性地，将所述红磷层转化为黑磷层的方法为循环激光退火的方法。