[发明专利]一种晶圆级层数可控硫化钼及其制备方法

说明书

本发明提供一种晶圆级层数可控硫化钼及其制备方法。该制备方式主要采用两步法，具体包括：首先利用原子层沉积系统将固态钼源加热气化，之后分别将钼源和氧源以气体脉冲的方式输运至衬底表面，利用表面饱和吸附以及自限反应在衬底表面生成晶圆级、厚度可控的MoO₃，之后将硫源和长有MoO₃的衬底置入管式炉中，将MoO₃硫化生成MoS₂，从而获得晶圆级、层数可控的MoS₂。本申请提供的制备方法与现有技术相比，可以通过调控制备的MoO₃厚度精确控制所得MoS₂的层数，具有较好的可控性。利用上述方法已经成功得到了单层(0.7nm)、双层(1.4nm)和多层(≥2.1nm)的层数可控硫化钼，并且尺寸可以达到晶圆级(8in.)。

技术领域

本发明属于微电子材料及集成电路加工工艺技术领域。更具体的为晶圆级二维二硫化钼的层数可控制备。该方法通过原子层沉积和化学气相沉积相结合的两步法来实现晶圆级二硫化钼的层数可控制备。二维硫化钼由于其优良的电学和物理特性可以作为下一代半导体器件的沟道材料，替代传统硅基材料，延续甚至超越摩尔定律。

背景技术

在戈登·摩尔提出摩尔定律之后，自此之后50多年的时间里半导体行业始终遵循着摩尔定律不断发展，不断地缩小晶体管栅极尺寸以有效降低晶体管面积和功耗，使单个芯片集成更多的晶体管来提升性能并降低成本。随着半导体工艺制程的不断缩小，传统的工艺技术和物理定律逐渐失效，由量子隧穿导致的漏电流和功耗问题使得器件的开关特性变差，可靠性降低。2004年，单层石墨烯的发现给世人带来了新的希望，石墨烯具有良好的导电性，极高的室温载流子迁移率(＞15000cm²V^-1s^-1)，并拥有极高的机械强度(杨氏模量～1.0TPa、抗拉强度～125GPa)、极大的比表面积(～2630m²/g)、极高的热导率(～5300W/mK)以及极高的透光度(～97.4％)，引起了对二维材料的研究热潮。

但是由于石墨烯零带隙的特性，导致石墨烯无法实现器件的开关特性，这严重制约了其在半导体领域的应用。过渡金属硫族化合物(TMDCs)因其类石墨烯的晶体结构和天然的带隙，更适合于电子和光电器件的应用。TMDCs通常可以用MX2表示，其中M为过渡金属元素，如Mo、W、Re等，X为硫族元素，如S和Se。硫化钼(MoS₂)是由中间一层Mo原子结合上下两层S原子构成，单层MoS₂的厚度约为0.68nm，S与Mo之间靠共价键紧密相连，层间则靠弱的范德瓦尔斯力结合。MoS₂的禁带宽度取决于它的层数，MoS₂块体材料具有1.29eV的间接带隙，随着层数的减小，禁带宽度逐渐增大，当MoS₂减薄至单层时，受到垂直方向上的量子限制，价带电子跃迁到导带不再需要声子的参与，转变为1.8eV直接带隙。与石墨烯的零带隙相比而言，硫化钼更适合于电子和光电器件的应用。但是由于二维硫化钼的制备工艺还不成熟，制备大面积高质量均匀的MoS₂薄膜仍然面临巨大挑战。

当前MoS₂的制备方法主要有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)等，(Large-scale flexible and transparent electronics based onmonolayermolybdenum disulfide field-effect transistors[J].Nature Electronics,2020,3(11):711-717.

Unravelling orientation distribution and merging behavior ofmonolayer MoS2domains on sapphire[J].Nano letters,2015,15(1):198-205.