固态化学气相沉积二硫化钼之钯电极背闸极式场效晶体管特性研究

i固态化学气相沉积二硫化钼之钯电极背闸极式场效晶体管特性研究Characterization of MoS2 Back Gate FET by using Solid CVD with Pd Contact Electrode for Monolayer Ultra-Thin Body Transistorii中文摘要本篇论文主要是针对近年来新兴热门的二维材料(2D material)二硫化钼(MoS2)作研究。由于二硫化钼与金属之间的界面有着很高的电阻值，因此针对这个问题去做发挥讨论。我们以二硫化钼作为通道，制作出背闸极式场效晶体管(back gate field effect transistor)。电极选用了铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)、钯(Pd)四种不同的金属材料，利用元件电性上的表现，找出最适合的金属电极，作为未来制作元件上的参考。在元件的制程上，目前主流沉积二硫化钼薄膜的方式主要有三种，分别是剥离法(Exfoliate)、分子束磊晶法 (Molecular beam epitaxy)、化学气相沉积法(Chemical vapor deposition)。而我们选用了制程稳定且可以沉积大面积的化学气相沉积法成长二硫化钼薄膜，其层数约 68 层，厚度为 0.63 奈米。接着使用溅镀机将以上四种金属，溅镀于元件上约 150nm 厚，元件的线宽 (Gate length)约为微米等级，最后使用简单且迅速的掀离制程(Lift-off process)，将金属附着于特定位置，完成整个背闸极式场效晶体管的制作。完成以上制程后，将元件拿去量测并绘制出 Id-Vd 与 Id-Vg 电性图，比较不同金属电极下的元件表现。铂金属在制程上良率极低，元件不易制作。钛金属则有部分元件能够成功制作，但是电性表现不稳定。钨金属与钯金属良率不错，成功率高，元件有明确的运作能力。而钯金属表现最佳，通道长度为 10m 的二硫化钼晶体管，在闸极偏压为 5V 的状况下，开启电流可以达到 7.9410-7(A/m) 。除此之外，此元件的电流开关比大约可以达成 34 个数量级，有不错的开关能力。因此钯金属在未来电极的应用上有着很大的发展空间。关键字：二维材料、二硫化钼、固态化学气相沉积、掀离制程、金属电极、背闸极式场效晶体管iiiABSTRACTIn this thesis, we dedicate to the novel two-dimensional materials MoS2. Owing to the high resistance interface between MoS2 and metal contact, we focus on this topic to discuss. MoS2 is used as channel material to fabricate the back gate field effect transistor.By comparing the behavior between Pt, Ti, W and Pd metal contact, we analyze the electrical results and calculate the electrical performance to choose the best metal electrode we can use in the future.In the process of fabrication, there are three main methods to deposit MoS2 film -exfoliation, molecular beam epitaxy and chemical vapor deposition. Due to the fact that it is steady and has large area of deposition, we deposit the MoS2 film by chemical vapor deposition. It was about 68 layers, and the thickness is 0.63nm. Then, the deposition of the metal was done by sputter for thickness of 150nm. Gate length is in micro scale. At last, we use simple and quick lift-off process to complete the metal electrode. The back gate FET would be fabricated.After finishing the fabrication of the device, we measure the electrical results and illustrate the Id-Vd and Id-Vg electrical characteristic to compare the performance of the device. Since the yield is low with Pt electrode, it is hard to fabricate. Though the device can be partly fabricated with Ti electrode, the performance of device is poor. It is high yield with W and Pd electrode. They have great performance in device operation, especially Pd. In 10m channel length, the on current can attain 7.9410-7(A/m) at 5V operation bias. The on/off ratio achieve 103104. It has good ability in operation. Pd electrode has potential in application in the future.ivKeywords: Two-dimensional material, Molybdenum disulfide, solid chemical vapor deposition, lift-off process, metal electrode, back gate field-effect transistorv目录口试委员会审定书 .i致谢 .ii中文摘要 .iiiABSTRACT .iv目录 .v图目录 .vii表目录 .ix第一章 绪论 .11.1 半导体元件之微缩极限 .11.2 半导体元件之历史背景 .21.3 半导体元件之发展方向 .41.4 论文架构 .8第二章 二维材料 .92.1 二维材料的兴起 .92.2 二维材料的介绍 .132.2.1 石墨烯(Graphene) .132.2.2 二硫化钼(MoS 2) .142.2.3 黑磷烯(Black Phosphrorene) .162.3 二维材料的比较 .17vi第三章 实验制程步骤 .223.1 二硫化钼的薄膜成长 .223.1.1 剥离法(exfoliation) .223.1.2 分子束磊晶(molecular beam epitaxy) .243.1.3 化学气相沉积法(chemical vapor deposition) .253.1.4 二硫化钼沉积方法比较 .273.2 背闸极式晶体管元件的制程 .283.2.1 利用化学气相沉积成长二硫化钼薄膜 .283.2.2 掀离制程(Lift-off) 成长电极 .30第四章 元件电性量测结果 .384.1 电性图绘制与分析 .384.1.1 钛金属电极背闸极式晶体管元件电性 .394.1.2 钨金属电极背闸极式晶体管元件电性 .404.1.3 钯金属电极背闸极式晶体管元件电性 .41第五章 结论与未来规划 .425.1 结论 .425.2 未来展望 .42REFERENE .43vii图目录图 1.1 终端电子产品的历史发展过程1 .1图 1.2 近年来逻辑处理器的功率密度成长情形2 .2图 1.3 摩尔定律下之半导体元件的演进345 .3图 1.4 摩尔定律下各世代电子元件的演进状况6 .4图 1.5 基本场效晶体管的结构与运作7 .5图 1.6 汲极电流对闸极电压作图观察 DIBL 效应 (a)长通道 (b)短通道 .6图 1.7 目前国际主流团队针对未来晶体管元件架构的主流研究方向。8 .7图 2.1 二维材料异质结构堆栈9 .10图 2.2 二维材料分类表9 .11图 2.3 二维材料元件可挠性之生活应用11 .12图 2.4 石墨烯结构图12 .13图 2.5 过度金属硫族化物结构图13 .14图 2.6 二硫化钼晶格结构图14 .15图 2.7 磷烯结构图15 .16图 2.8 (a)单层石墨烯、(b) 二硫化钼、(c) 黑磷的电子能带图15 .17图 2.9 材料特性比较 (a)载子迁移率与开关比 (b)振荡频率与输出功率电压16.19图 2.10 二维材料之动态功率指标与晶体管切换之延迟时间和 ITRS 趋势18 21图 3.1 机械剥离法示意图19 .22viii图 3.2 化学剥离法示意图19 .23图 3.3 分子束磊晶示意图20 .24图 3.4 利用四硫钼酸铵沉积二硫化钼示意图21 .25图 3.5 利用硫粉末与三氧化钼沉积二硫化钼示意图22 .26图 3.6 化学气相沉积二硫化钼实验示意图 .29图 3.7 二硫化钼沉积腔体内温度变化 .29图 3.8 穿透式电子显微镜下之二硫化钼 .30图 3.9 曝光微影流程图 .30图 3.10 试片旋转涂布 .31图 3.11 试片软烤 .32图 3.12 试片曝光 .32图 3.13 显影后显微镜下的图形 .33图 3.14 用两层光阻曝光后的情形 .35图 3.15 掀离制程的制作流程示意图 .37图 4.1 显微镜下元件完成图 .38图 4.2 元件完成品示意图 .38图 4.3 钛电极元件电性结果图 .39图 4.4 钨电极元件电性结果图 .40图 4.5 钯电极元件电性结果图 .41ix表目录表 2.1 三维与二维材料的比较 .9表 2.2 二维材料光学、电学、机械、热学特性比较11 .12表 2.3 常见半导体材料载子迁移率和能带差的数值 .18表 3.1 剥离法、分子束磊晶法、分子束磊晶法、化学气相沉积法比较 .27表 3.2 二硫化钼沉积参数 .28表 3.3 光阻旋转涂布参数 .34表 3.4 溅镀金属分别的参数 .36表 4.1 钛电极元件电性结果 .39表 4.2 钨电极元件电性结果 .40表 4.3 钯电极元件电性结果 .411第一章 绪论1.1 半导体元件之微缩极限随着科技的发展以及时代的变迁，人类生活中充