阅读说明：本技术 具有横向半导体异质结的半导体器件和方法 (Semiconductor device and method with lateral semiconductor heterojunction ) 是由 李明洋 黄敬凯 李连忠 于 2018-09-20 设计创作，主要内容包括：用于形成具有横向半导体异质结的半导体器件的方法,包括在衬底上与第一金属电极相邻地形成横向半导体异质结的第一金属硫属化物层。第一金属硫属化物层包括与第一金属电极相同的金属,并且第一金属硫属化物层中的至少一些包括来自第一金属电极的金属。与第一金属硫属化物层相邻地形成横向半导体异质结的第二金属硫属化物层。与第二金属硫属化物层相邻地形成第二金属电极。第二金属硫属化物层包括与第二金属电极相同的金属。(A method for forming a semiconductor device having a lateral semiconductor heterojunction includes forming a first metal chalcogenide layer of the lateral semiconductor heterojunction on a substrate adjacent to a first metal electrode. The first metal chalcogenide layers include the same metal as the first metal electrodes, and at least some of the first metal chalcogenide layers include metal from the first metal electrodes. A second metal chalcogenide layer forming a lateral semiconductor heterojunction adjacent to the first metal chalcogenide layer. A second metal electrode is formed adjacent to the second metal chalcogenide layer. The second metal chalcogenide layer includes the same metal as the second metal electrode.)

具有横向半导体异质结的半导体器件和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月17日提交的、名称为“生长可称量的自对齐二维异质结器件的方法(METHOD TO GROWTH SCALABLE SELF-ALIGNED TWO-DIMENSIONALHETEROJECTION DEVICES)”的美国临时专利申请No.62/573,234的优先权，以及于2018年1月22日提交的、名称为“具有横向半导体异质结的半导体器件和方法(SEMICONDUCTORDEVICE HAVING A LATERAL SEMICONDUCTOR HETEROJUNCTION AND METHOD)”美国临时专利申请No.62/620,161，通过引用将临时申请的全部公开内容并入本文。

背景

技术领域

所公开的主题的实施例大体涉及一种用于形成具有横向半导体异质结的半导体器件的方法、一种包括横向半导体异质结的二极管、以及一种形成半导体器件的方法。

背景技术

诸如具有二硫化钼(MoS2)层的那些二维(2D)过渡金属二硫属化物(TMD)层状材料已被认为是高开关比(on-off ratio)的半导体，在高量子产率光电子器件、下一代晶体管以及集成电路应用方面有广阔前景。常规的过渡金属二硫属化物生长技术的一个问题是对生长位置几乎没有控制。例如，现在参考图1，在一种常规技术中，硫(S)102和过渡金属104粉末布置在化学气相沉积室106中。气体108被提供给化学气相沉积室106，这使硫102和过渡金属104粉末流到衬底110，在加热化学气相沉积室106时，在该衬底上生长过渡金属二硫属化物层112。具体地，在所示的示例中，过渡金属是钼(Mo)，其被氧化形成三氧化钼(MoO₃)，然后与硫结合形成二硫化钼(MoS₂)层112。

尽管这种常规技术导致在衬底110上形成过渡金属二硫属化物层112，但是对层112在衬底上的生长位置几乎没有控制。这对于在两个不同过渡金属二硫属化物单分子层之间的p-n结的形成会是有问题的。因为在两个不同过渡金属二硫属化物单分子层之间的p-n结使器件具有包括电流整流、发光以及光子收集的功能，所以具有所述p-n结的器件是期望的。

用于实现位置选择性生长以形成横向异质结的一种技术涉及化学气相沉积和光刻的组合。具体地，使用化学气相沉积在衬底上生长第一层，然后从化学气相沉积室中移除衬底，以使用光刻和反应性离子蚀刻将第一层图案化。然后将衬底放置在化学气相沉积室中以生长第二层。然后在衬底上形成第一金属电极和第二金属电极。

通过光刻和反应性离子蚀刻进行的图案化降低了第一层中材料的质量，并导致较差的两层之间的界面，然而异质结的两个横向层之间的原子级突变界面已显示对所得的具有横向异质结的半导体器件的性能有利。此外，光刻和反应性离子蚀刻需要使用光致抗蚀剂，这导致在生长第二层时在衬底上余留难以避免的残留物。这些残留物在第二层生长时充当生长种子，这引发不可控的生长。

因此，期望提供以位置选择的方式形成横向异质结，该方式在两个横向层之间提供原子级突变界面(atomic sharp interface)。

发明内容

根据一实施例，存在一种用于形成具有横向半导体异质结的半导体器件的方法。在衬底上与第一金属电极相邻地形成横向半导体异质结的第一金属硫属化物层。第一金属硫属化物层包括与第一金属电极相同的金属，并且第一金属硫属化物层中的至少一些包括来自第一金属电极的金属。与第一金属硫属化物层相邻地形成横向半导体异质结的第二金属硫属化物层。与第二金属硫属化物层相邻地形成第二金属电极。第二金属硫属化物层包括与第二金属电极相同的金属。

根据另一实施例，存在一种二极管，该二极管包括衬底、布置在衬底上并包括第一金属的第一电极、布置在衬底上并包括第二金属的第二电极、以及在衬底上第一电极和第二电极之间的横向半导体异质结。横向半导体异质结包括横向布置的第一层和第二层，并且第一层包括第一金属，第二层包括第二金属。第一层的一部分覆盖第一电极的顶表面的一部分。

根据又一实施例，存在一种用于形成具有横向半导体异质结的半导体器件的方法。在化学气相沉积室中，将第一金属粉末和第一硫属元素粉末布置在衬底的上游。衬底具有第一金属电极，并且第一金属电极和第一金属粉末包括相同的金属。在将载气供给到化学气相沉积室中时，加热化学气相沉积室，以生长遵循第一金属电极的几何形状的第一金属硫属化物层。第一金属硫属化物层包括来自第一金属电极和来自第一金属粉末的金属。在化学气相沉积室中，将第二金属粉末和第二硫属元素粉末布置在衬底的上游。在将载气供给到化学气相沉积室中时，加热化学气相沉积室，以生长遵循第一金属硫属化物层的几何形状的第二金属硫属化物层，以形成横向半导体异质结。

附图说明

结合在说明书中并构成其一部分的附图示出了一个或更多个实施例，并且与描述一起，说明这些实施例。在附图中：

图1是用于生长过渡金属二硫属化物层的常规方法的示意图；

图2是根据一实施例的形成横向半导体异质结的方法的流程图。

图3A1-3C2是根据一实施例的形成横向半导体异质结的方法的示意图。

图4是沿着根据一实施例形成的横向半导体异质结截取的拉曼光谱曲线图。

图5A和5B是根据一实施例分别用于二硒化钨层和二硫化钼层的拉曼光谱的强度映射。

图5C和5D是根据一实施例的分别用于二硒化钨层和二硫化钼层的光致发光光谱的强度映射。

图6是根据一实施例的形成横向半导体异质结的方法的流程图；以及

图7A-7E是根据一实施例的形成横向半导体异质结的方法的示意图。

具体实施方式

示例性实施例的以下描述参考了附图。不同附图中的相同标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，关于金属硫属化物层生长技术的术语和结构讨论了以下实施例。

整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中多处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定是指同一实施例。此外，在一个或更多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构或特性。

现在将结合图2和3A1-3C2来描述形成横向半导体异质结的方法，该横向半导体异质结在所示的实施例中是二极管。初始，在衬底315上与第一金属电极310相邻地形成横向半导体异质结的第一金属硫属化物层305(步骤205以及图3A1和3A2)。第一金属硫属化物层305包括与第一金属电极310相同的金属，并且第一金属硫属化物层305中的至少一些包括来自第一电极310的金属。接下来，与第一金属硫属化物层305相邻地形成横向半导体异质结的第二金属硫属化物层320(步骤210以及图3B1和3B2)。最后，与第二金属硫属化物层320相邻地形成第二金属电极325(步骤215以及图3C1和3C2)。第二金属硫属化物层320包括与第二金属电极325相同的金属。

发明人已认识到，因为第一金属电极310充当催化剂以促进第一金属硫属化物层305的生长，所以通过对第一金属电极310和第一金属硫属化物层305使用相同的金属，导致第一金属硫属化物层305遵循第一金属电极310的几何形状。这有利地提供了第一金属硫属化物层305的位置选择性生长。如图3A1-3C2中所示，这还导致第一金属硫属化物层305的至少一部分覆盖第一金属电极310的顶表面。覆盖第一金属电极310的顶表面不影响器件功能，因为下层的第一金属电极将具有足够的厚度以确保通过第一金属硫属化物层305的覆盖第一金属电极310的部分的传输(transport)。

此外，如图3B1、3B2、3C1以及3C2中所示，从第一金属硫属化物层305的边缘外延形成第二金属硫属化物层320，这在第一金属硫属化物层305和第二金属硫属化物层320之间提供了原子级突变界面，与使用光刻形成异质结的常规技术相比，该界面提供了具有异质结的器件的更好性能。

通过以本文所公开的方式形成的横向半导体异质结的拉曼光谱测量结果证实了异质结的原子级突变界面。具体地，图4示出了横向半导体异质结的拉曼光谱测量结果，在其中一个层是二硒化钨(WSe₂)，另一个层是二硫化钼(MoS₂)。在仅具有二硒化钨的区域(即，图4中的最低绘图)或仅具有二硫化钼的区域(即，图4中的最高绘图)，在约250cm^-1(A_1g模式)、405cm^-1(A_1g模式)以及385cm^-1(E_2g模式)处发现了特性峰值。此外，二硒化钨层和二硫化钼层之间的界面(即，图4的中间点划线)显示二硫化钼和共存的二硒化钨，而没有合金的形成。因此，在二硒化钨层和二硫化钼层之间没有诸如合金的中间材料。

还通过对以本文所公开的方式形成的横向半导体异质结进行拉曼光谱和光致发光强度映射证实了异质结的原子级突变界面，其中一个层是二硒化钨，另一个层是二硫化钼。具体地，根据一实施例，图5A和5B是分别用于二硒化钨层和二硫化钼层的拉曼光谱的强度映射，并且图5C和5D是分别用于二硒化钨层和二硫化钼层的光致发光光谱的强度映射。图5A-5D均示出了钨电极510、二硒化钨层505以及二硫化钼层520。如图5A和5C中所示，二硒化钨层505的生长遵循钨电极510的几何形状，并且与衬底的蓝宝石基面(未示出)相比，在生长位置方面展示出高选择性。此外，如图5A-5D中所示，二硒化钨层505和二硫化钼层520被很好地分离，而在这两个层的横向结合处没有形成合金。

现在将结合图6和7A-7E描述使用化学气相沉积形成具有横向异质结的半导体器件的方法。将结合二硒化钨-二硫化钼异质结器件的形成描述方法的实施例。然而，能够使用这种方法形成使用本文所公开的其他金属和硫属元素的异质结。

初始，在衬底715上形成第一金属电极710(步骤605以及图7A)。在该实施例中，例如通过物理气相溅射在蓝宝石衬底上形成50nm厚的钨电极，随后进行光刻图案化，而在化学气相沉积室的外面形成第一金属电极710。然后包括第一金属电极710在内的衬底715可例如使用丙酮和超声处理五分钟而被清洁，以清洁表面从而增加生长选择。第一金属电极710能够以任何期望的几何形状形成，该几何形状能够是规则的(即，对应于几何形状)或不规则的(即，不对应于几何形状)。选择第一金属电极710的几何形状的能力。

在化学气相沉积室730中，将第一金属粉末702A和第一硫属元素粉末704A布置在衬底715的上游(步骤610以及图7B)。在该实施例中，第一金属粉末702A是三氧化钨粉末，并且第一硫属元素粉末704A是硒。在将粉末702A和704A放置在化学气相沉积室730中时，能够将化学气相沉积室730维持在例如250℃温度下。

在将载气供给到化学气相沉积室730中时，加热化学气相沉积室730，以生长遵循第一电极710的几何形状的第一金属硫属化物层705(步骤615以及图7C)。在该实施例中，在将氩/氢(Ar/H₂)载气(65sccm/5sccm)供给到化学气相沉积室730中时，能够将化学气相沉积室730加热至例如850℃达15分钟，该氩/氢载气被保持在20Torr压强下。二硒化钨层705的生长通过在第一金属电极710的钨金属表面上的硒化以及通过从第一金属电极710的钨金属边缘到蓝宝石衬底715的基面上的外延生长而遵循第一金属电极710的几何形状。因此，所公开的方法提供了第一层的位置选择性生长。此外，化学气相沉积工艺使二硒化钨层705包括来自第一金属电极710的一些金属。

在化学气相沉积室730中，将第二金属粉末702B和第二硫属元素粉末704B布置在衬底715的上游(步骤620以及图7D)。在该实施例中，第二金属粉末702B是三氧化钼，并且第二硫属元素粉末704B是硫。这能够在与先前步骤相同的化学气相沉积室中或不同的化学气相沉积室中执行。使用不同化学气相沉积室是有利的，因为在生长二硒化钨层705之后，会有一些残留物或副产物覆盖该室。然而，只要从用于生长二硒化钨层705的化学气相沉积室中清除这些残留物或副产物，就能够使用相同的化学气相沉积室。

在将载气供给到化学气相沉积室730中时，加热化学气相沉积室730，以生长遵循第一金属硫属化物层的几何形状的第二金属硫属化物层720(步骤625以及图7D)。在该实施例中，在将氩载气(60sccm)供给到化学气相沉积室730中时，能够将化学气相沉积室730加热至例如750℃达10分钟，该氩载气被保持在50Torr压强下。二硫化钼层从二硒化钨层的边缘外延生长，遵循二硒化钨层的几何形状，并在两层之间形成原子级突变界面。相反，常规的层异质结通常使用蚀刻形成，蚀刻不在层之间提供原子级突变界面，因此与以所公开的方式形成的层异质结相比，导致器件性能降低。换言之，能够通过形成异质结而不蚀刻第一金属硫属化物层来实现原子级突变界面。

最后，然后在衬底725上形成第二电极725(步骤630以及图7E)。在该实施例中，例如通过物理气相溅射在蓝宝石衬底715上形成5nm/25nm厚的钼/镍电极，随后进行光刻图案化，而在化学气相沉积室730的外面形成第二金属电极725。

因此，从上面的讨论中可以理解，第一金属硫属化物层705和第一电极710包括相同的金属(在该示例中为钨)，第二金属硫属化物层720和第二电极725包括相同的金属(在该示例中为钼)。

尽管已描述了在其中使用三氧化钨和三氧化钼作为前驱体(precursor)金属以及使用硒和硫作为硫属元素前驱体来形成异质结的实施例，但是能够使用其他金属和硫属元素前驱体。例如，金属前驱体能够是氧化钨(WO₂)、四氯氧化钨(WOCl₄)、六羰基钨((W(CO)₆)、氧化钼(MoO₂)、氯化钼(MoCl₅)、六羰基钼((Mo(CO)₆)、碲化铋(Bi₂Te₃)、硒化铋(Bi₂Se₃)、硒氧化铋(Bi₂O₂Se)、硒化铟(InSe)或硒化镓(GaSe)。此外，硫属元素能够是硒化氢(H₂Se)、硫化氢(H₂S)、二甲基硒(DMSe)、二甲基二硒(DMDSe)、二甲基硫(DMS)或二甲基二硫(DMDS)。

所公开的实施例提供了一种用于形成具有横向半导体异质结的半导体器件的方法、包括横向半导体异质结的二极管、以及形成半导体器件的方法。应当理解，该描述不旨在限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同形式。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这样的具体细节的情况下实践各个实施例。

尽管在实施例中以特定组合描述了本发明的示例性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件能够在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文所公开的其他特征和元件的各种组合来使用。

本书面描述使用所公开的主题的示例，以使本领域技术人员能够实践该主题，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例旨在落入权利要求的范围内。