一种二维材料场效应晶体管失效样品的制备方法

1.本发明涉及晶体管失效技术领域，尤其涉及一种二维材料场效应晶体失效样品的制备方法。


背景技术：

2.随着微电子行业的迅猛发展，器件的集成度越来越高，场效应晶体管的尺寸也在同步缩小，短沟道效应日益加重，这使得传统硅基器件的速度和功耗逐渐达到物理极限，而新兴的二维材料作为沟道材料为这一问题的解决提供了新的方向。自从石墨烯被发现以来，由于石墨烯具有优良的力学、电学和光电子学特性，石墨烯受到了学术界的广泛关注，自此之后的过渡金属硫化物也是研究的热点。这一类二维材料可以参与构成高性能、低功耗、高开关比、短沟道的新型二维材料场效应晶体管。
3.然而由于器件尺寸的不断缩小，二维材料场效应晶体管的栅介质层也同步变薄，这就会不可避免的出现漏电流，不断增加的漏电流会逐渐损坏二维沟道，二维材料场效应晶体管的电子迁移率会受到影响，最终使得晶体管彻底时效，但这一过程通常是缓慢的、难以把握的，可能长达数年，同时二维材料场效应晶体管距离量产仍有一段距离，导致失效后的二维材料场效应晶体管样品的获取非常困难。现有技术中为了获得失效样本通常对晶体管进行恒压击穿，进行击穿时的电压通常根据经验设定，没有一个具体的数值，从而使得晶体管结构损坏较为严重，不利于失效过程及机理的研究。
4.因此，如何获得用于研究失效过程及机理的二维材料场效应晶体管的失效样品成为现有技术的难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种二维材料场效应晶体管失效样品的制备方法。本发明制备的失效样品能够与实际使用失效样品更接近，更有利于后续失效过程及机理的研究。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了一种二维材料场效应晶体管失效样品的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)在二维材料场效应晶体管的电极上施加正压，采用i-v sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压p1；所述二维材料场效应晶体管包括电极、栅介质层、沟道和衬底；
9.(2)对所述步骤(1)的二维材料场效应晶体管进行恒压击穿，得到击穿后样品；所述恒压击穿的电压为p1－(0.6～0.8)v。
10.优选地，所述二维材料场效应晶体管中沟道的材料包括石墨烯或过渡金属硫化物。
11.优选地，所述步骤(1)中的i-v sweep模式的电压变化从0v开始。
12.优选地，所述步骤(1)中的i-v sweep模式每秒增长步长为(1～2)v。
13.优选地，所述步骤(1)中的i-v sweep模式每秒增长步长为1.5v。
14.优选地，所述步骤(1)中的i-v sweep模式限流为(0.05～0.2)ma。
15.优选地，所述步骤(1)中的i-v sweep模式限流为0.1ma。
16.优选地，所述步骤(2)中的恒压击穿的限流为(0.5～1.5)ma。
17.优选地，所述步骤(2)中恒压击穿时对电流进行测量，电流值突然增长后，停止施压。
18.优选地，所述步骤(2)中突然增长的涨幅为30～100％。
19.本发明提供了一种二维材料场效应晶体管失效样本的制备方法，包括以下步骤：(1)在二维材料场效应晶体管的电极上施加正压，采用i-v sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压p1；所述二维材料场效应晶体管包括电极、栅介质层、沟道和衬底；(2)对所述步骤(1)的二维材料场效应晶体管进行恒压击穿，得到击穿后样品；所述恒压击穿的电压为p1－(0.6～0.8)v。本发明首先在二维材料场效应晶体管电极上施加正压得到合适的电压p1，然后以p1－(0.6～0.8)v作为恒压击穿的电压，控制击穿时的电压，模拟并加速二维材料场效应晶体管击穿的过程，控制了击穿的程度避免二维材料场效应晶体管中二维材料被完全烧毁，与实际使用失效样品更接近，通过观察击穿后样品的形貌更有利于晶体管失效过程及机理的研究。
附图说明
20.图1为本发明实施例1二维材料场效应晶体管失效样品制备方法的流程图；
21.图2为本发明实施例1步骤(3)施加恒压时的电流随时间变化图；
22.图3为本发明实施例1步骤(3)得到的失效样品图；
23.图4为本发明实施例1制备的失效样品得到的试样的透射电子显微镜高分辨图。
具体实施方式
24.本发明提供了一种二维材料场效应晶体管失效样品的制备方法，包括以下步骤：
25.(1)在二维材料场效应晶体管的电极上施加正压，采用i-v sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压p1；所述二维材料场效应晶体管包括电极、栅介质层、沟道和衬底；
26.(2)对所述步骤(1)的二维材料场效应晶体管进行恒压击穿，得到击穿后样品；所述恒压击穿的电压为p1－(0.6～0.8)v。
27.本发明在二维材料场效应晶体管的电极上施加正压，采用i-v sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压p1。
28.在本发明中，所述二维材料场效应晶体管包括电极、栅介质层、沟道和衬底。
29.在本发明中，所述二维材料场效应晶体管中沟道的材料优选包括石墨烯或过渡金属硫化物。
30.本发明对所述二维材料场效应晶体管中电极、栅介质层和衬底的材料没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的二维材料场效应晶体管中电极、栅介质层和衬底的材料即可。
31.本发明对所述二维材料场效应晶体管的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或常规制备方法制备的产品即可。
32.本发明采用i-v sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压p1，更优选为电流突变1倍时的电压p1。在本发明中，所述i-v sweep模式的电压变化优选从0v开始；所述i-v sweep模式每秒增长步长优选为(1～2)v，更优选为(1.2～1.8)v，进一步优选为(1.4～1.6)v，最优选为1.5v；所述i-v sweep模式限流优选为(0.05～0.2)ma，更优选为0.1ma。本发明将i-v sweep模式中的各参数及电压p1限定在上述范围内，能够保证具有足够的电压将二维材料场效应晶体管击穿。
33.得到电压p1后，本发明对所述二维材料场效应晶体管进行恒压击穿，得到击穿后样品。
34.在本发明中，所述恒压击穿的电压为p1－(0.6～0.8)v，优选为p1－0.7v。本发明将恒压击穿的电压限定在上述范围内，既能够保证具有足够的电压将二维材料场效应晶体管击穿，又能控制击穿的程度，更有利于获得和实际失效样品更加接近的失效样品。
35.在本发明中，所述恒压击穿的限流优选为(0.5～1.5)ma，更优选为1ma。在本发明中，所述恒压击穿时优选对电流进行测量，电流值突然增长后，停止施压。在本发明中，所述突然增长的涨幅优选为30～100％。
36.本发明将恒压击穿的各参数限定在上述范围内，能够控制击穿的程度避免二维材料场效应晶体管中二维材料被完全烧毁，更有利于得到和实际失效样品形貌更加接近的失效样品，通过观察击穿后样品的形貌更有利于晶体管失效过程及机理的研究。
37.得到失效样品后，本发明优选对失效后的样品进行制样，得到符合拍摄高分辨透射电子显微镜图片要求的试样。
38.在本发明中，所述制样优选在聚焦离子束系统中进行。本发明对所述制样的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制样方法得到符合要求的试样即可。
39.得到试样后，本发明优选对所述试样进行透射电子显微镜测试，得到二维材料场效应晶体管失效样品的透射电子显微镜图像，用于其失效机理及过程的研究。
40.本发明对所述透射电子显微镜测试的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的透射电子显微镜测试的技术方案即可。
41.本发明首先在二维材料场效应晶体管电极上施加正压得到合适的电压p1，然后以p1－(0.6～0.8)v作为恒压击穿的电压，控制击穿时的电压，模拟并加速二维材料场效应晶体管击穿的过程，控制了击穿的程度避免二维材料场效应晶体管中二维材料被完全烧毁，与实际失效样品更接近，通过观察击穿后样品的形貌更有利于晶体管失效过程及机理的研究。
42.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.实施例1
44.本实施例二维材料场效应晶体管失效样品制备方法的流程图如图1所示，首先采用机械剥离定点转移二维材料、生长介质层和电极，得到二维材料场效应晶体管，然后在sweep模式下测试击穿电压p1，再进行电压为击穿电压p1－0.7v的长时间恒压击穿，聚焦离子束对电极烧黑处制样，最后采用透射电子显微镜观察二维材料形貌，具体的：
45.(1)使用机械剥离法得到少层mos2，再将得到的少层mos2转移到si衬底上作为沟道材料，通过原子层沉积将hfo2沉积到沟道材料上作为栅介质层，再通过自对准工艺在栅介质层上沉积au电极，得到二维材料场效应晶体管；
46.(2)将二维材料场效应晶体管置于探针台上，先用探针在下针位置附近拉出划痕作为标记，探针加高压，采用i-v sweep模式，从0v到15v，每秒增长步长1.5v，限流0.1ma，发现电流有一个突然增长的过程，在电流增长到陡增前一倍时，停止加压，记录此时的电压值为8v；
47.(3)在二维材料场效应晶体管上施加恒压，电压值为8－0.7v得到的7.3v，限流1ma，观察电流有一个突然的增长后，停止施压，突然增长的涨幅为50％，得到失效样品，此时失效样品中能看到黑色烧焦。
48.在聚焦离子束系统中，对本实施例制备的失效样品的烧黑区域定位制样区域，得到符合拍摄高分辨透射电子显微镜的样本，然后放入透射电子显微镜中拍摄高分辨图像。
49.实施例1步骤(3)施加恒压时的电流如图2所示。从图2中可以看出，随着加压过程的进行电流有一个突然的增大。
50.实施例1步骤(3)得到的失效样品的图片如图3所示。从图3中可以看到失效样品上的黑色烧焦部分。
51.实施例1制备的失效样品得到的试样的透射电子显微镜高分辨图像如图4所示，其中的双层层状黑色物质就是mos2，线状黑色物质有变淡、破损或有形变处就是击穿区域。
52.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种二维材料场效应晶体管失效样品的制备方法，包括以下步骤：(1)在二维材料场效应晶体管的电极上施加正压，采用i-v sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压p1；所述二维材料场效应晶体管包括电极、栅介质层、沟道和衬底；(2)对所述步骤(1)的二维材料场效应晶体管进行恒压击穿，得到击穿后样品；所述恒压击穿的电压为p1－(0.6～0.8)v。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维材料场效应晶体管中沟道的材料包括石墨烯或过渡金属硫化物。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的i-v sweep模式的电压变化从0v开始。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的i-v sweep模式每秒增长步长为(1～2)v。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的i-v sweep模式每秒增长步长为1.5v。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的i-v sweep模式限流为(0.05～0.2)ma。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的i-v sweep模式限流为0.1ma。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的恒压击穿的限流为(0.5～1.5)ma。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中恒压击穿时对电流进行测量，电流值突然增长后，停止施压。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中突然增长的涨幅为30～100％。

技术总结
本发明提供了一种二维材料场效应晶体管失效样品的制备方法，属于晶体管失效领域，包括：(1)在二维材料场效应晶体管的电极上施加正压，采用I-V sweep模式测量得到电流突变(0.5～1.5)倍时的电压P1；所述二维材料场效应晶体管包括电极、栅介质层、沟道和衬底；(2)对所述步骤(1)的二维材料场效应晶体管进行恒压击穿，得到击穿后样品；所述恒压击穿的电压为P1－(0.6～0.8)V。本发明控制击穿时的电压，模拟并加速二维材料场效应晶体管击穿的过程，控制了击穿的程度避免二维材料场效应晶体管中的二维材料被完全烧毁，与实际失效样品更接近，通过观察击穿后样品的形貌更有利于晶体管失效过程及机理的研究。失效过程及机理的研究。失效过程及机理的研究。


技术研发人员：吴幸 盛智伟 董作院 叶长青
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8