复旦大学Adv. Sci.: 台式无掩膜光刻系统助力晶圆级二维半导体自对准顶栅晶体管阵列的开发

发布日期：2025-04-17

文章名称：Development of Self-Aligned Top-Gate Transistor Arrays on Wafer-Scale Two-Dimensional Semiconductor

期刊名称：Advanced Science IF：16.3

DOI：10.1002/advs.202415250

【引言】

在二维半导体材料（2DSM）的研究与应用领域，自对准技术对于顶栅场效应晶体管（TG-FET）的发展至关重要。通过精确同步调整栅极与沟道尺寸，自对准技术实现了短沟道集成，从而显著提升了器件的密度和性能。然而，传统自对准工艺在晶圆级2DSM TG-FET制备中面临诸多制约，如制造过程复杂、器件均匀性欠佳以及与大规模集成兼容性不足等问题。

为攻克上述难题，复旦大学相关研究团队提出了一种创新的自对准方法。该方法结合干法刻蚀、湿法选择性刻蚀及后优化工艺，基于CVD生长的单层MoS₂，成功实现了高性能TG-FET阵列的制备。这一工艺不仅简化了制造流程，还确保了器件的高度一致性和优异的电学性能。

通过该技术，团队成功制备出沟道长度仅为200 nm的晶圆级自对准MoS₂ TG-FET阵列，其开态电流密度高达465.5 μA/m，开关比达到10⁸，远超同类传统器件。基于此阵列，研究者进一步构建了反相器以及NAND和NOR逻辑模块，充分展示了其在逻辑电路中的应用潜力。这一策略突破了传统工艺在小型化和集成方面的瓶颈，为2DSM基短沟道器件的规模化制备开辟了新路径。它不仅显著提升了二维半导体器件的性能与稳定性，还为未来高密度集成电路及先进电子器件的开发奠定了坚实基础，展现出重要的应用前景。

【设备助力】

在整个研究过程中，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3发挥了至关重要的作用。其具备的精准性能够满足短沟道器件对光刻精度的严格要求，确保了器件结构的精确制备，有效降低了因光刻误差导致的器件性能差异。同时，该系统的灵活性使得研究人员可以根据不同的实验需求，快速调整光刻图案和参数，提高了研究效率。在制备过程中，研究人员能够利用其灵活的图案设计功能，针对不同的器件结构和工艺要求进行光刻，加速了对短沟道器件的制备与优化进程。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【图文导读】

图1.自对准MoS₂ TG-FET的制备与结构。(a)自对准MoS₂ TG-FET制备过程的示意图。（b)自对准MoS₂ TG-FET的结构示意图。(c)自对准MoS₂ TG-FET阵列的光学图像。(d)自对准MoS₂ TG-FET接触区和栅极区的STEM与EDS图像。

图2.自对准MoS₂ TG-FET的示意图及初始制备与优化后的电学性能。(a)自对准MoS₂ TG-FET制备过程的示意图。(b)初始制备的MoS₂ TG-FET、退火后的MoS₂ TG-FET及封装后的MoS₂ TG-FET的转移特性。(c)初始制备、退火后及封装后的MoS₂ TG-FET的栅极漏电流。(d)初始制备、退火后及封装后的MoS₂ TG-FET的接触电阻。(e)优化后器件的肖特基势垒高度（SBH）提取结果。

图3.优化后的自对准MoS₂ TG-FET的结构及亚微米沟道长度的电学性能。(a)沟道长度约为200 nm的自对准MoS₂ TG-FET的光学图像及SEM嵌套图像。(b)优化后的自对准MoS₂ TG-FET接触区的STEM图像，沟道长度约为200 nm。(c)优化后的自对准MoS₂ TG-FET接触区的EDS图像，沟道长度约为200 nm。(d)沟道长度约为200 nm的MoS₂ TG-FET的转移曲线，DIBL（d，嵌图）及(e)输出曲线。(f)通过模拟得到的沟道长度为100 nm的自对准MoS₂ TG-FET的转移曲线及(g)输出曲线。

图4.基于优化后的自对准MoS₂ TG-FET的电路光学图像及逻辑功能。(a)反相器的光学图像及(b)电路图。(c)反相器在VDD从1 V至3 V时的电压转移特性及(d)相应的电压增益。(e)基于自对准MoS₂ TG-FET的NAND逻辑电路的光学图像及(f)NAND逻辑的动态响应。(g)基于自对准MoS₂ TG-FET的NOR逻辑电路的光学图像及(h)NOR逻辑的动态响应。

【结论】

综上所述，复旦大学相关研究团队通过创新的自对准技术，成功制备了高性能、可扩展的晶圆级MoS₂ TG-FET阵列，有效解决了传统自对准工艺在二维半导体器件制备中的难题。