文章名稱(chēng)：Development of Self-Aligned Top-Gate Transistor Arrays on Wafer-Scale Two-Dimensional Semiconductor

期刊名稱(chēng)：Advanced Science IF：16.3

DOI：10.1002/advs.202415250

【引言】

在二維半導(dǎo)體材料（2DSM）的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)對(duì)于頂柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TG-FET）的發(fā)展至關(guān)重要,。通過(guò)精確同步調(diào)整柵極與溝道尺寸,，自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了短溝道集成，從而顯著提升了器件的密度和性能,。然而,，傳統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)工藝在晶圓級(jí)2DSM TG-FET制備中面臨諸多制約，如制造過(guò)程復(fù)雜,、器件均勻性欠佳以及與大規(guī)模集成兼容性不足等問(wèn)題,。

為攻克上述難題，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的自對(duì)準(zhǔn)方法,。該方法結(jié)合干法刻蝕,、濕法選擇性刻蝕及后優(yōu)化工藝，基于CVD生長(zhǎng)的單層MoS?,，成功實(shí)現(xiàn)了高性能TG-FET陣列的制備,。這一工藝不僅簡(jiǎn)化了制造流程，還確保了器件的高度一致性和優(yōu)異的電學(xué)性能,。

通過(guò)該技術(shù),，團(tuán)隊(duì)成功制備出溝道長(zhǎng)度僅為200 nm的晶圓級(jí)自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET陣列，其開(kāi)態(tài)電流密度高達(dá)465.5 μA/m,，開(kāi)關(guān)比達(dá)到10?,，遠(yuǎn)超同類(lèi)傳統(tǒng)器件?；诖岁嚵?，研究者進(jìn)一步構(gòu)建了反相器以及NAND和NOR邏輯模塊，充分展示了其在邏輯電路中的應(yīng)用潛力,。這一策略突破了傳統(tǒng)工藝在小型化和集成方面的瓶頸,，為2DSM基短溝道器件的規(guī)模化制備開(kāi)辟了新路徑,。它不僅顯著提升了二維半導(dǎo)體器件的性能與穩(wěn)定性,，還為未來(lái)高密度集成電路及先進(jìn)電子器件的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景,。

【設(shè)備助力】

在整個(gè)研究過(guò)程中,，小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。其具備的精準(zhǔn)性能夠滿(mǎn)足短溝道器件對(duì)光刻精度的嚴(yán)格要求,，確保了器件結(jié)構(gòu)的精確制備,，有效降低了因光刻誤差導(dǎo)致的器件性能差異,。同時(shí)，該系統(tǒng)的靈活性使得研究人員可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求,，快速調(diào)整光刻圖案和參數(shù),，提高了研究效率。在制備過(guò)程中,，研究人員能夠利用其靈活的圖案設(shè)計(jì)功能,，針對(duì)不同的器件結(jié)構(gòu)和工藝要求進(jìn)行光刻，加速了對(duì)短溝道器件的制備與優(yōu)化進(jìn)程,。

小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的制備與結(jié)構(gòu),。(a)自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET制備過(guò)程的示意圖。（b)自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的結(jié)構(gòu)示意圖,。(c)自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET陣列的光學(xué)圖像,。(d)自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET接觸區(qū)和柵極區(qū)的STEM與EDS圖像。

圖2.自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的示意圖及初始制備與優(yōu)化后的電學(xué)性能,。(a)自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET制備過(guò)程的示意圖,。(b)初始制備的MoS? TG-FET、退火后的MoS? TG-FET及封裝后的MoS? TG-FET的轉(zhuǎn)移特性,。(c)初始制備,、退火后及封裝后的MoS? TG-FET的柵極漏電流。(d)初始制備,、退火后及封裝后的MoS? TG-FET的接觸電阻,。(e)優(yōu)化后器件的肖特基勢(shì)壘高度（SBH）提取結(jié)果。

圖3.優(yōu)化后的自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的結(jié)構(gòu)及亞微米溝道長(zhǎng)度的電學(xué)性能,。(a)溝道長(zhǎng)度約為200 nm的自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的光學(xué)圖像及SEM嵌套圖像,。(b)優(yōu)化后的自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET接觸區(qū)的STEM圖像，溝道長(zhǎng)度約為200 nm,。(c)優(yōu)化后的自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET接觸區(qū)的EDS圖像,，溝道長(zhǎng)度約為200 nm。(d)溝道長(zhǎng)度約為200 nm的MoS? TG-FET的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn),，DIBL（d,，嵌圖）及(e)輸出曲線(xiàn)。(f)通過(guò)模擬得到的溝道長(zhǎng)度為100 nm的自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)及(g)輸出曲線(xiàn),。

圖4.基于優(yōu)化后的自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的電路光學(xué)圖像及邏輯功能,。(a)反相器的光學(xué)圖像及(b)電路圖。(c)反相器在VDD從1 V至3 V時(shí)的電壓轉(zhuǎn)移特性及(d)相應(yīng)的電壓增益,。(e)基于自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的NAND邏輯電路的光學(xué)圖像及(f)NAND邏輯的動(dòng)態(tài)響應(yīng),。(g)基于自對(duì)準(zhǔn)MoS? TG-FET的NOR邏輯電路的光學(xué)圖像及(h)NOR邏輯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

【結(jié)論】

綜上所述,，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新的自對(duì)準(zhǔn)技術(shù),，成功制備了高性能、可擴(kuò)展的晶圓級(jí)MoS? TG-FET陣列,，有效解決了傳統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)工藝在二維半導(dǎo)體器件制備中的難題,。