[发明专利]基于铁电栅介质的负电容二硫化钼晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于铁电栅介质的负电容二硫化钼晶体管及其制备方法，包括在SiO₂衬底表面生长MoS₂薄膜；在MoS₂薄膜表面依次生长第一High‑K层、第一TiN层、铁电薄膜层、第二TiN层、第二High‑K层作为栅介质层；在栅介质层上生长第三TiN层、Ti/Au金属层，作为栅电极；在MoS₂薄膜层上生长两Al金属，作为源电极和漏电极。本发明以TiN层包裹铁电栅介质薄膜层，金属TiN将铁电栅介质薄膜极化翻转产生的附加电场再平衡，均匀施加到MoS₂薄膜层上，避免沟道中各点MoS₂反型情况不同导致器件开启缓慢、亚阈值较大等情况，同时也避免High‑K层在点场强较大时，易出现点击穿的情况。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，尤其涉及一种基于铁电栅介质的负电容二硫化钼晶体管、以及其制备方法。

背景技术

二硫化钼(MoS₂)薄膜作为一种新型的二维材料，在结构和性能上类似于石墨烯，均具有层状结构和高的载流子迁移率。但相较于石墨烯的零带隙而言，MoS₂薄膜的带隙随着层数而改变。块状晶体MoS₂的带隙为1.20eV，其电子跃迁方式间接跃迁；当厚度为单层时，MoS₂的带隙可以达到1.82eV，且其电子跃迁方式转变为直接跃迁。因此，MoS₂薄膜独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带隙使其在二维半导体器件领域比石墨烯具有更大的应用潜力，其沟道特征尺寸有望达到2nm，有望延续摩尔定律进程，进一步提升集成电路性能。但过高密度的器件集成将带来较大的单位面积功耗，芯片的散热性能将变得难以保障，而较高的温度也会阻碍CPU频率的提升。在传统CMOS集成电路中，很大一部分工作热量来源于器件的开-关状态切换过程，所有MOS器件的开关转换过程都是逐渐过渡的过程，在相同工作频率下，开关速度越快，则浪费的功耗越小。反映这一过渡速度快慢的一个重要参数是亚阈值斜率，亚阈值斜率越小，则器件功耗越小，相应的集成电路发热量也较小。传统的MOSFET受到热力学限制，在常温工作状态下，其亚阈值斜率不能小于60mV/dec。该亚阈值斜率的极限值可表示为：

其中，仅有是变量，在一般情况下该变量是正值，因而SS>60mV/dec。若要使SS<60mV/dec，须有其中C_s是耗尽层电容，C_it是表面态电容，C_ox是栅氧电容，这三个电容一般是正值。采用铁电材料作为栅氧层，可以在器件开关转换过程中使C_ox<0，这主要由于铁电材料的电荷中心会随着外电场的变化而发生移动，从而导致其电极化强度发生变化，并在沟道开启瞬间对其增加一个附加电场。表现为栅极电容呈现负值，代入式(1)中，可知SS可能小于60mV/dec的极限值。

除此之外，由于铁电栅氧的极化强度突然转变，使得MoS₂场效应晶体管的阈值电压降低，则相应集成电路的工作电压也会降低，根据估算集成电路功耗的关系式P＝V²/R(其中P为电路功耗，V为工作电压，R为集成电路电阻)，这也进一步降低了MoS₂场效应晶体管的功耗，减少了发热量，而较低的环境温度将有利于提升器件的开关速度。

传统的MOS结构MoS₂晶体管亚阈值斜率大于60mV/dec，功耗较大。如果将其小型化，制备高密度集成电路，尤其是特征尺寸小于5nm的集成电路，其发热量将不容忽视，在较高温度之下，载流子受到严重的声子散射，这将限制芯片的运行速度，降低其工作频率上限，降低芯片性能，相对相同尺寸的FinFET等器件，难以体现出电学优势。此外，受限于短沟道效应，传统平面栅极MoS₂场效应晶体管的亚阈值斜率会随着沟道宽度的变短而增大，即栅控能力随着沟道变短而恶化。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容