阅读说明：本技术 激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法 (Method for preparing sub-nanometer channel back electrode field effect transistor by laser shock ) 是由 胡耀武 程佳瑞 何亚丽 黄正 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于场效应晶体管领域,具体涉及一种激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法,包括以下步骤：(1)在一维或二维材料场效应晶体管的百纳米级背电极上铺设至少一层介电二维材料作为隔离层；(2)在隔离层表面覆盖两面平整的金属薄膜；(3)在金属薄膜表面覆盖固体透光层；(4)采用一定脉冲宽度、一定功率的脉冲激光垂直照射固体透光层一定时间；(5)去除金属薄膜及固体透光层,得到亚纳米级沟道背电极场效应晶体管。本发明操作要求简单,通过控制激光强度和曝光时间能够精确地减小沟道长度,提高晶体管的性能,降低功耗,突破摩尔定律带来的物理极限,实现大规模具有高电子性能和集成密度的场效应晶体管的生产。(The invention belongs to the field of field effect transistors, and particularly relates to a method for preparing a sub-nanometer channel back electrode field effect transistor by laser shock, which comprises the following steps: (1) laying at least one layer of dielectric two-dimensional material as an isolation layer on a hundred-nanometer back electrode of a one-dimensional or two-dimensional material field effect transistor; (2) covering a metal film with two smooth surfaces on the surface of the isolation layer; (3) covering a solid light-transmitting layer on the surface of the metal film; (4) vertically irradiating the solid euphotic layer for a certain time by adopting pulse laser with certain pulse width and certain power; (5) and removing the metal thin film and the solid euphotic layer to obtain the sub-nanometer channel back electrode field effect transistor. The invention has simple operation requirement, can accurately reduce the length of a channel by controlling the laser intensity and the exposure time, improve the performance of the transistor, reduce the power consumption, break through the physical limit brought by the moore's law and realize the production of the field effect transistor with high electronic performance and integrated density on a large scale.)

激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法

技术领域

本发明属于场效应晶体管领域，具体涉及一种激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法。

背景技术

集成电路芯片作为现代电子信息技术的基础，具有功能强、功耗低、速度快和成本低的特点。英特尔的创始人之一戈登·摩尔曾经对半导体行业的发展做出了预测，每隔18个月集成电路芯片上可容纳的微器件的数目增加一倍，其性能也将提升一倍。在最初的几十年中，集成电路基本遵循摩尔定律。摩尔定律能够生效的前提就是器件能够持续小型化，即器件的沟道长度不断缩小。当器件特征尺寸不断地按比例缩小时，载流子在沟道中传输时几乎不会遇到散射，称之为弹道输运。因此，如何缩小晶体管沟道的长度，使集成电路芯片能支持越来越多的功能，同时降低芯片的成本、提高电路的等效集成度已经成为场效应晶体管领域技术研究人员的研究重点。

现有技术在制备晶体管沟道时，不论是光刻技术还是直接加工的方法都存在了困难。制造纳米级以及亚纳米级的小尺寸沟道，已经超出了绝大多数设备的极限。另外，即便可以制备超短沟道，成本和质量也不易控制。目前一台高分辨率的光刻机的成本在1亿美金以上。

美国专利US 20110283762 A1公开了一种使用激光诱导的冲击波制造金属纳米图案的方法，通过使用激光作为高倍率能量源，可以在很短的持续时间内(<100ns)直接对高分辨率(<50nm)，高纵横比(>2)和复杂的3D结构进行整形。但是该方法产生的冲击压力无法精确定量获得，这将导致工件的变形结构具有误差。并且该方法制备的金属结构可控性差，材料经受高温高压，会严重影响半导体材料的性能，对半导体材料制备不利。

中国专利CN 109103100 A公开了一种薄膜晶体管的制备方法，通过控制半导体层表面两块掩膜的间距以及沉积方向制备纳米级沟道。虽然该方法制备的沟道尺寸可缩小为9.671nm，但是工艺操作复杂，沉积方向的不稳定性导致沟道尺寸的精确度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法，制备工艺简便，易于调节。

本发明实现目的所采用的方案是：一种激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

(1)在一维或二维材料场效应晶体管的百纳米级背电极上铺设介电二维材料作为隔离层；

(2)在所述隔离层表面覆盖两面平整的金属薄膜；

(3)在所述金属薄膜表面覆盖固体透光层；

(4)采用一定脉冲宽度、一定功率的脉冲激光垂直照射固体透光层一定时间；

(5)去除金属薄膜及固体透光层，得到亚纳米级沟道背电极场效应晶体管。

优选地，所述步骤(1)中，隔离层为化学气相沉积制备的单层或少层六方碳化硼二维材料，所述隔离层的厚度为0.5-1nm。

优选地，所述步骤(1)中，通过干法转移或湿法转移法将隔离层转移至百纳米级背电极表面。

优选地，所述步骤(2)中，金属薄膜为铝箔、金箔、银箔、铜箔中的任意一种，其表面粗糙度低于0.5微米，其厚度为1μm-1mm。

优选地，所述步骤(3)中，固体透光层为透光玻璃或石英，其厚度为5mm-3cm。

优选地，所述步骤(4)中，脉冲激光脉冲宽度为1-30ns，频率为1-10Hz，激光功率密度为0.4GW/cm2，照射时间为1秒。

优选地，沟道间距的变化量(R)与激光能量密度(F)、金属电极结构特征尺寸(L)以及金属电极结构厚度(H)的关系为：当F≤14.5KJ/m²时，R＝0.01144*F³*L/H+0.15469*F²*L/H+0.77031*F*L/H+0.10379L/H；当F≥14.5KJ/m²时，R＝0.0015*F³*L/H-0.1495*F²*L/H+4.5355*F*L/H+37.6238L/H。

优选地，所述步骤(5)中，得到的背电极场效应晶体管沟道的尺寸减小至1-10nm。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的方法是利用激光垂直照射晶体管的金属电极，金属电极获得能量发生形变，从而达到缩小沟道尺寸的目的。通过控制激光的强度和曝光时间，诱导晶体管中的金属电极发生形变变扁，水平面积增大从而减小沟道长度，得到精确的目标尺寸。

本发明的方法操作要求简单，通过控制激光强度和曝光时间能够精确地减小沟道长度，提高晶体管的性能，降低功耗，突破摩尔定律带来的物理极限，实现大规模具有高电子性能和集成密度的场效应晶体管的生产，为推动半导体产业的发展提供了一条新的道路。

附图说明

图1为本发明的激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的示意图；

图2为原子力显微镜表征金属结构、二维材料覆盖的金属结构、以及激光冲击可靠制备的二维材料包裹结构；

图3为原子力显微镜表征随机分布的金属结构、二维材料覆盖的金属结构、以及激光冲击可靠制备的二维材料包裹结构等三种结构的高宽比结果图；

图4为激光冲击可靠制备下二维材料包裹金属结构的分子动力学计算结果；

图5为二维材料覆盖的晶体管沟道与激光冲击可靠制备的场效应晶体管沟道亚纳米化；

图6为激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的扫描电子显微镜照片。

图中，1、固体透光层，2、金属薄膜，3、隔离层，4、金属电极，5、低维半导体材料，6、介电层，7、基板，8、脉冲激光。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

图1为激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的示意图；在经过氢氟酸去除表面氧化层的高导电率硅片基板7上转移少层或多层介电二维材料如化学气相沉积制备的单层或少层六方碳化硼二维材料作为介电层6，将低维半导体材料5转移到介电层6之上，通过低成本低分辨率光刻技术获得百纳米级图案并蒸镀金属层作为金属电极4。在制作得到的低维材料场效应的金属电极4上通过以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为载体的湿法转移法转移0.5-1.0nm厚度的六方碳化硼二维材料作为隔离层3(或者直接采用一维或二维材料场效应晶体管，在一维或二维材料场效应晶体管的百纳米级背电极上铺设至少一层介电二维材料作为隔离层3)，在去除转移过程中的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)后，对样品进行干燥处理。待样品干燥后，在隔离层3表面覆盖10微米厚度的铝金属薄膜2作为动量传输层。在铝金属薄膜2之上覆盖透光玻璃或石英作为固体透光层1。利用脉宽7纳秒，波长为1064纳米的Nd-YAG激光器所发出的脉冲激光8垂直照射晶体管的金属电极4，控制激光功率密度为0.4GW/cm²，照射时间为1秒，观测到金属电极4发生形变，如图1所示金属电极4变扁，水平面积增大，沟道尺寸减小。

图2为原子力显微镜表征金属结构、二维材料覆盖的金属结构、以及激光冲击可靠制备的二维材料包裹结构。在经过激光处理后，六方碳化硼二维材料的隔离层3完全包裹金属结构，将两个金属电极4分隔开。图3为原子力显微镜表征随机分布的金属结构、二维材料覆盖的金属结构、以及激光冲击可靠制备的二维材料包裹结构等三种结构的高宽比。可见经过激光冲击处理，随机分布的金属电极4之间均被包裹进绝缘的单层六方碳化硼二维材料，实现两个金属电极4的有效绝缘。图4为激光冲击可靠制备下二维材料包裹金属结构的分子动力学计算结果，这在计算和理论角度支撑了上面原子力显微镜拍摄的实验结果，证实了在激光冲击作用下二维材料的变形可以对金属电极4进行有效包裹。图5为二维材料覆盖的晶体管沟道与激光冲击可靠制备的场效应晶体管沟道亚纳米化。从图中可以看出，原本悬浮的二维材料均匀地覆盖在金属电极4的表面，同时，金属电极4的间距发生明显缩短。图6为激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的扫描电子显微镜照片。

图1为本发明方法的流程示意图，本发明的操作包括以下步骤：

(1)在一维或二维材料场效应晶体管的百纳米级背电极上铺设至少一层介电二维材料，作为隔离层3；

(2)在隔离层3表面覆盖两面平整的金属薄膜2；

(3)在金属薄膜2表面覆盖透光玻璃或石英作为固体透光层1；

(4)利用脉冲激光8垂直照射晶体管金属电极4；

(5)去除金属薄膜2与固体透光层1。

本发明激光冲击制备亚纳米级沟道背电极场效应晶体管的新方法，操作要求简单，通过控制激光强度和曝光时间能够精确地减小沟道长度，提高晶体管的性能，成本低廉，可实现大规模具有高电子性能和集成密度的场效应晶体管的生产。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。