本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种二维半导体场效应管及其制备工艺、一种半导体器件。
背景技术：
场效应晶体管是现代电子技术的基石，为计算机、通信、自动化和医疗等带来了革命性的变化，并孕育了今天数字化的生活。场效应晶体管通过栅极的调节,控制源漏之间的电流,使其实现开和关两种状态,由此定义逻辑1和逻辑0。如今，硅晶体管已经沿着摩尔定律的曲线发展了几十年，由于硅元素本身物理特性的限制，以硅材料制作的计算机芯片的体积将达到物理极限，这势必影响芯片的集成度，进而阻碍电脑运行速度，使得半导体产业不得不寻找新的替代材料,并由此发展新的半导体集成电路技术。因而，目前面临的最紧迫问题是如何制造更小的晶体管器件，并解决器件尺寸微小化过程中所遇到的一些不利的级效应，如短沟道效应和小尺寸效应。
目前能新的材料中，二位半导体材料以其优越的性质脱颖而出，以碳纳米管为例，其以超小的尺寸、超高的对电子和空穴的本征迁移率和超长的载流子平均自由程脱颖而出。单壁碳纳米管微小的直径(1-2nm)使得栅极能够最好地控制沟道的电势，也使得碳纳米管场效应管(cnt-fet)可以成为一类超“薄体”半导体结构，从而能够实现制造更小尺寸的器件而不会出现“短沟道效应”；碳纳米管中价键的稳定特性和光滑的管壁表面能够克服传统mosfet中由于不稳定的表面价键和不光滑的材料表面而致的散射问题，采用碳纳米管作为沟道很容易实现弹道输运晶体管，大大增加能量的利用效率；碳纳米管中的低散射作用使得fet的沟道能够具有非常高的电子迁移率，可比硅材料高出70％以上，以实现更快的数据传输。
研究表明碳纳米管以其优异的静电控制和弹道传输特性，将使cnt-fet成为以半导体硅材料为基础的互补金属氧化物半导体(si-cmos)器件最富前景的候选者，但碳纳米管与硅的特性不一样，目前还没有标准的制备工艺，因此在工艺流程中没有硅工艺成熟，这极大制约了二维半导体材料大批量投入生成。
技术实现要素：
为了克服上述技术问题，本发明提供一种二维半导体场效应晶体管及制备方法。本发明公开了如下技术方案：
一种二维半导体场效应管，其特征在于：从下至上依次包括：绝缘衬底区、导电沟道区、栅极区；其中，导电沟道区包括源、漏极、第一绝缘介质层、二维半导体层，第一绝缘介质层位于源、漏极之间，二维半导体层两端与源、漏极电连接形成源、漏端；栅极区包括高k介电层、金属栅和第二绝缘介质层，金属栅和第二绝缘介质层位于高k介电层上，第二绝缘介质层中包括多个通孔，通孔中的电极引线电连接二维半导体层的源、漏端、金属栅。
同时，本发明还公开了一种二维半导体场效应管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
提供绝缘衬底：
在所述绝缘衬底上形成图案化的源、漏极；
源、漏极之间沉积第一绝缘介质层；
设置二维半导体层，使得二维半导体层与源、漏极电连接形成导电沟道的源、漏端；
沉积高k介电层覆盖导电沟道；
沉积金属栅，使得金属栅位于导电沟道上方；
沉积第二绝缘介质层，使得第二绝缘介质层覆盖金属栅和导电沟道；
电极引线穿过第二绝缘介质层和高k介电层，与源、漏端电连接。
与现有技术相比，本发明有益的技术效果为：本发明适用于碳纳米管以及新型二维材料等没办法通过自对准形成源漏接触的工艺；制备工艺流程简单，在沉积二维半导体层前，形成源漏互连层图形，减少了二维材料沉积后形成源漏接触时的损伤，有利于提高器件的性能和良率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1-6为本发明的二维半导体场效应管的制备工艺示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本发明的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
在本实施例中，提供一种用于制备二维半导体场效应管的方法。结合图1-6为本发明的二维半导体场效应管制备工艺示意图，制备二维半导体场效应管100工艺包括：
提供绝缘衬底101；
在一个实施例中绝缘衬底101采用二氧化硅衬底或表层为热氧化二氧化硅层的重掺杂硅衬底；
在衬底101上通过光刻胶曝光，形成源、漏极图案，并形成源、漏极，如图1所示，102a和102a’为pmos的源、漏极，102b和102b’为nmos的源、漏极。可利用合适的方法如金属有机化学气相沉积、分子束外延、液相外延、气相外延、选择性外延成长(selectiveepitaxialgrowth,seg)、类似方法或前述的组合形成源、漏极。
如图2所述，沉积第一绝缘介质层103-1，第一绝缘介质层103-1隔开源、漏极，第一绝缘介质层103-1与源、漏极高度相平，并对第一绝缘介质层103-1进行化学机械抛光，形成二维半导体层的载体。第一绝缘介质层103可由合适的介电材料所形成，如二氧化硅(sio2)、氮化硅(sinx)等。
如图3所示，将二维半导体层104沉积于上述载体，在一个实施例中采用cvd沉积法，溶液沉积法、薄膜转移法，使得二维半导体层104与源、漏极102a和102a’、102b和102b’电连接形成导电沟道的源、漏端；在一个实施例中二维半导体材料为碳纳米管、石墨烯或者二硫化钼。在一个实施例中，通过掩膜刻蚀的方法使得二维半导体层104图案化。
接着，如图4所示，沉积高k介质105，在一个实施例中，采用原子层沉积(ald)工艺逐层沉积高k介电层105，高k介电层105可具有高于约7.0的介电常数，可以为yo，氧化铪等高k介质。
如图5所示，沉积金属栅材料，并对金属栅106进行图形化工艺，形成栅极图形，刻蚀停止在高k介电层表面。金属栅106可为多层结构，金属栅106可采用tin,w,al,mo等材料，或者其组合体。可利用化学气相沉积、物理气相沉积等工艺形成含金属栅；在一个实施例中采用原子层沉积(ald)工艺逐层沉积金属栅106。
然后，在高k介质层和金属栅表面上沉积第二绝缘介质层103-2，绝缘介质层103-2隔开金属栅，并封装二维半导体器件，对第二绝缘介质层103-2进行化学机械抛光，形成二维半导体器件的绝缘隔离层。第二绝缘介质层103-2可由合适的介电材料所形成，如二氧化硅(sio2)、氮化硅(sinx)，也可以是多层介电材料等，如图6所示。
接着采用常规的通孔工艺，分别在源、漏极102a和102a’、102b和102b’、金属栅106上方将第二绝缘介质层进行通孔，并在通孔内设置电极引线电连接源、漏极102a和102a’、102b和102b’、金属栅106。在一个实施例中，通孔内可以利用提前把源、漏极源、漏极102a和102a’、102b和102b’的电极引线布好，从而不会影响二维半导体材料与源、漏极金属的功函数。
根据本发明的一个实施例，提供一种二维半导体场效应管，图6表示的本发明二维半导体场效应管100的示例结构，包括：
从下至上依次包括：绝缘衬底区、导电沟道区、栅极区；其中，导电沟道区包括源、漏极源、漏极102a和102a’、102b和102b’、第一绝缘介质层103-1、二维半导体层104，第一绝缘介质层103-1位于源、漏极102a和102a’、102b和102b’之间，二维半导体层104两端与源、漏极102a和102a’、102b和102b’电连接形成源、漏端；栅极区包括高k介电层105、金属栅106和第二绝缘介质层103-2，金属栅106和第二绝缘介质层103-2位于高k介电层上，第二绝缘介质层中包括多个通孔107，通孔中的电极引线电连接二维半导体层的源、漏端、金属栅。
在一个实施例中，二维半导体层104为碳纳米管层，石墨烯或二硫化钼。
在一个实施例中，高k介质层105材料为yo或氧化铪。
在一个实施例中，金属栅106材料为tin,w,al,mo或者几种的组合。
在一个实施例中，所述通孔107中还包括填充材料填充通孔中电极引线外的空间。
本发明还公开一种半导体器件，所述半导体器件包括前述的二维半导体场效应管。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本申请实施例提供的二维半导体场效应管的制备工艺，特别适用于碳纳米管以及新型二维材料等没办法通过自对准形成源漏接触的工艺；制备工艺流程简单，在沉积二维半导体层前，形成源漏互连层图形，减少了二维材料沉积后形成源漏接触时的损伤，有利于提高器件的性能和良率。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
1.一种二维半导体场效应管，其特征在于：从下至上依次包括：绝缘衬底区、导电沟道区、栅极区；其中，导电沟道区包括源、漏极、第一绝缘介质层、二维半导体层，第一绝缘介质层位于源、漏极之间，二维半导体层两端与源、漏极电连接形成源、漏端；栅极区包括高k介电层、金属栅和第二绝缘介质层，金属栅和第二绝缘介质层位于高k介电层上，第二绝缘介质层中包括多个通孔，通孔中的电极引线电连接二维半导体层的源、漏端、金属栅。
2.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于：所述的二维半导体层为碳纳米管层，石墨烯或二硫化钼。
3.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于：所述的高k介质层材料为yo或氧化铪。
4.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于：所述的金属栅材料为tin、w、al、mo或者上述几种材料的组合。
5.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于：所述通孔中还包括填充材料填充通孔中电极引线外的空间。
6.一种二维半导体场效应管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
提供绝缘衬底：
在所述绝缘衬底上形成图案化的源、漏极；
源、漏极之间沉积第一绝缘介质层；
设置二维半导体层，使得二维半导体层与源、漏极电连接形成导电沟道的源、漏端；
沉积高k介电层覆盖导电沟道；
沉积金属栅，使得金属栅位于导电沟道上方；
沉积第二绝缘介质层，使得第二绝缘介质层覆盖金属栅和导电沟道；
电极引线穿过第二绝缘介质层和高k介电层，与源、漏端电连接。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的二维半导体层为碳纳米管层，石墨烯或二硫化钼。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的高k介质层材料为yo或氧化铪。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的金属栅材料为tin,、w、al、mo或者上述几种材料的组合。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括步骤：在第二绝缘介质层及高k介电层中形成通孔，使得电极引线穿过第二绝缘介质层和高k介电层，与源、漏端电连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述通孔中还包括填充材料填充通孔中电极引线外的空间。
12.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括权利要求1-5任意一项所述的二维半导体场效应晶体管。
技术总结