半金屬電極於二硫化鉬短通道電晶體之電性及熱穩定性研究

Abstract

過渡金屬二硫族化物的二硫化鉬（MoS2），因其極具微縮潛力的優勢，被視為一種能夠延續半導體摩爾定律的新興材料；然而，過高的接觸電阻，以及較低載子遷移率等問題，使二硫化鉬電晶體難以被廣泛應用。本論文主要探討利用半金屬作為新穎的接觸方法，獲得了接近零蕭特基能障高度，並且降低短通道二硫化鉬電晶體元件之接觸電阻並提升其電特性，但半金屬錫與鉍熔點較低，為了能夠與後端製程兼容，故也對其熱穩定性進行探討。 第一部分首先調變及優化氦離子束微影之參數並穩定其電晶體製程，使元件通道微縮至50奈米進行接觸電阻的討論。另外我們成功地使用了金輔助重熔方法，我們認為在較低溫度下沉積的半金屬可以減少由熱引起的介面缺陷形成，並且覆蓋高熔點金屬還可以幫助底層半金屬接觸層發生重熔現象，這項製程技術有助於在二硫化鉬上形成平滑的半金屬電極覆蓋，進而降低接觸電阻。接著利用半金屬錫（Sn）、鉍（Bi）和銻（Sb）三種半金屬作為電極進行比較，實驗結果為鉍接觸之電性表現最佳，同樣在VDS = 1 V且通道長度為50 奈米的情況下，鉍接觸元件之接觸電組可以降低至0.48 kΩ∙μm，並且汲極電流可達約742 μA/μm；其次為銻接觸，其接觸電組可以降低至0.66 kΩ∙μm，其汲極電流可達約596 μA/μm；而錫接觸之接觸電組為0.84 kΩ∙μm，其汲極電流約443 μA/μm。 第二部分則是元件封裝後之熱穩定性探討，實驗結果顯示相較於錫與鉍，半金屬銻顯著地有較高的熱穩定性，其熔點為630.6℃，而鉍的熔點為271.5℃，錫的熔點為231.9℃。我們進一步對以鉍與銻為電極的二硫化鉬電晶體做後續的加溫測試並比較其電性表現，銻接觸元件能在400℃退火後保持運作而鉍接觸元件最多只能在300℃退火後保持運作，這顯示銻接觸元件較能夠達到後端製程（BEOL）所需的400℃熱預算，因此解決半金屬錫與鉍在熱穩定性問題方面上的缺點。本研究提供了在二維半導體上形成低接觸電阻的半金屬接觸以提高電特性的實用途徑，並展示了銻作為一種新型半金屬接觸選項的明顯優勢，期許能夠將二維材料應用於先進的電子設備之中。