CN110911478A - 一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管，包括依次层叠的衬底、衬底绝缘层、单层或少层石墨烯和垂直电场屏蔽结构，及第一绝缘层、二维薄膜和三个电极；厚度在亚1nm的单层或少层石墨烯作为栅极；垂直电场屏蔽结构由第二绝缘层和沉积电场阻挡层组成，或由金属层和包覆于其外的氧化层组成；垂直电场屏蔽结构用于隔绝栅极垂直方向电场以利用栅极厚度定义栅长；第一绝缘层覆盖在衬底绝缘层的顶部以及单层或少层石墨烯和垂直电场屏蔽结构同侧，并覆盖垂直电场屏蔽结构的上表面，用于产生栅极水平方向的电场；二维薄膜作为导电沟道覆盖在第一绝缘层上。本发明利用石墨烯厚度来定义栅长，可控制场效应晶体管的栅长在亚1nm范围内。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管器件领域，尤其涉及一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管。
背景技术
摩尔定律发展一直推动着微电子技术不断的进步，晶体管特征尺寸不断缩小。然而晶体管特征尺寸下降至亚10nm以下节点时，持续缩小平面体硅器件尺寸遇到了严峻的挑战，各种新结构器件应运而生，器件结构由单栅发展到双栅、多栅以及环绕栅，传统硅基沟道晶体管需要通过复杂的工艺和昂贵的设备继续延续节点的发展。
传统的平面型场效应晶体管，利用掺杂等方式完成硅基底导电沟道的掺杂，以形成金属-氧化物-掺杂半导体的结构，通过金属端电压的施加以改变掺杂半导体的电导率。这种平面型场效应晶体管，具有与传统CMOS工艺兼容的特性，但随着导电沟道长度的不断下降，金属栅极对于硅基底导电通道的控制能力不断减弱，短沟道效应显现。目前，改善或解决短沟道效应的晶体管类型主要有以下三种：鳍式场效应晶体管、全耗尽的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)场效应晶体管、环绕栅纳米线场效应晶体管。
鳍式场效应晶体管，将传统的平面型场效应晶体管的沟道由平面型转向立体型，使得栅极不仅能从顶部控制器件实现导通与断开，也能从类似于鱼鳍的两侧控制器件实现导通与断开。这种构型相比传统的平面型场效应晶体管，具有更强的栅极控制能力，可以明显改善短沟道效应，可大幅降低场效应晶体管的沟道长度，具有良好的工艺兼容性，但随着微电子技术的不断发展，10nm以下的场效应晶体管若使用此方式，则会出现设备成本代价过高等问题。
全耗尽的SOI场效应晶体管，利用氧化层将硅隔离开，使得在MOS结构中工作时，硅膜完全耗尽，不存在浮空的中性区，基本消除了浮空衬底带来的Kink效应(翘曲效应)，且由于在氧化层上的硅膜非常薄(一般为200nm～80um的硅膜)，栅极对于沟道的控制能力有了很大改善，也能较好的改善短沟道效应。但是，SOI器件的漏电流比较大，且会存在寄生的侧向双极型晶体管效应，制作较薄硅膜的SOI器件又面临成本问题。
环绕栅纳米线场效应晶体管解决短沟道效应方式类似于上述的鳍式场效应晶体管，此元件栅极围绕了整个导电沟道。根据应用的不同，环绕栅纳米线场效应晶体管可以分为2个或4个等效闸极。此类晶体管在复杂的栅极制造，纳米线和接触方面，存在许多障碍；并且，除硅材料外，还需要使用一些其他材料，如铟镓砷、锗纳米线等等，这些材料的出现都降低了于传统CMOS工艺的兼容性，大大提高了成本。
对于上述三种技术方案而言，都是体材料或二维材料场效应晶体管在光刻机精度不断发展的过程中，优化结构以提升栅极对于导电沟道的控制力，以进一步降低有效沟道长度。如何进一步降低有效沟道长度，同时不依赖于光刻机的精度，成为了目前研究的重点。
此外，二维材料由于其本身原子层厚度，是天然良好的超薄体，能够有效的抑制短沟道效应。在近年来的研究过程中，二维材料多方面都具有着优于传统硅基材料的特性，在成为下一代CMOS工艺中主流材料的候选材料中具有着明显的优势。近年来，对于二维材料制备的晶体管进行了极广范围的基础性研究，然而，如何通过二维材料其本身原子层的厚度，以制备有效栅长极窄的晶体管，仍是目前研究亟待解决的问题。
对于二维材料作为沟道的场效应晶体管而言，目前可通过碳纳米管作为栅极来降低栅极长度至尺度极限1nm(Desai S B,Madhvapathy S R,Sachid A B,et al.MoS2transistors with 1-nanometer gate lengths[J].Science,2016,354(6308):99-102.)。而小于1nm栅极长度的技术目前还未被人提出。
综上所述，进一步实现1nm以下栅长的晶体管，目前半导体行业尚未有明确的解决方案。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管；本发明通过单层或少层石墨烯原子层级的厚度与其良好的电导性作为侧边栅极，通过沉积电场阻挡层的金属屏蔽垂直方向电场，以实现基于单层或少层石墨烯的亚1nm栅长二维薄膜场效应晶体管，能够进一步降低传统硅基场效应晶体管的栅长，能够广泛应用在数字逻辑集成电路领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，包括依次层叠的衬底、衬底绝缘层、单层或少层石墨烯和垂直电场屏蔽结构，还包括第一绝缘层、二维薄膜和三个电极；
所述单层或少层石墨烯作为栅极，厚度在亚1nm；
所述垂直电场屏蔽结构由第二绝缘层和层叠于其上的沉积电场阻挡层组成；或者由金属层和包覆于其外的氧化层组成，所述氧化层通过金属层的自氧化方式形成；所述垂直电场屏蔽结构用于隔绝单层或少层石墨烯垂直方向的电场以利用栅极的厚度来定义栅长；
所述第一绝缘层通过刻蚀方式覆盖在衬底绝缘层的顶部以及单层或少层石墨烯和垂直电场屏蔽结构同侧，且该第一绝缘层一端向垂直电场屏蔽结构另一侧延伸以覆盖垂直电场屏蔽结构的上表面，形成台阶状的第一绝缘层，用于产生单层或少层石墨烯水平方向的电场；
所述二维薄膜呈台阶状覆盖在第一绝缘层上，作为导电沟道，且保证二维薄膜下台阶的上表面低于单层或少层石墨烯的下表面；
第一电极和第二电极分别设置在二维薄膜的上台阶面和下台阶面上，用于导出二维薄膜的电学信号；第三电极同时与衬底绝缘层和单层或少层石墨烯连接，用于传输栅极所需的电压信号。
本发明特点及有益效果：
本发明对于如何进一步降低场效应晶体管的栅长提供了一种全新的、可大规模制备的解决方案，其原理是利用石墨烯的原子层级厚度与其良好的电导性作为侧向栅极，通过转移或沉积介质层作为绝缘层，进一步通过沉积电场阻挡层屏蔽垂直方向电场，以实现基于石墨烯的侧向栅极二维薄膜场效应晶体管。石墨烯作为一种二维材料，以其超薄的厚度，拥有突破现有硅基晶体管尺寸缩小的限制，维持摩尔定律进一步发展，能够应用于进一步降低特征尺寸的新芯片工艺。该器件的制备工艺与传统硅基工艺兼容，特别是其中的垂直电场屏蔽结构可采用金属自氧化方式形成，进一步降低了工艺复杂度和制备成本，在更小尺寸、更大规模模拟电路及数字逻辑电路有广阔的应用前景和空间。
附图说明
图1是本发明实施例1提出的具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管结构的剖视图；
图2是本发明实施例2提出的具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管结构的剖视图；
图3是本发明提出的具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
实施例1
本发明实施例1提供的一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管，其结构参见图1，包括依次层叠的衬底101、衬底绝缘层102、单层石墨烯103和垂直电场屏蔽结构，还包括绝缘层106、二维薄膜107和三个电极(108、109、110)；单层石墨烯103的厚度为0.34nm，作为本场效应晶体管的栅极；垂直电场屏蔽结构由绝缘层104和层叠于其上的沉积电场阻挡层105组成，用于隔绝单层石墨烯103垂直方向的电场以利用栅极的厚度来定义栅长；绝缘层106通过刻蚀方式覆盖在衬底绝缘层102的顶部以及单层石墨烯103、绝缘层104和沉积电场阻挡层105的同侧，且绝缘层106一端向沉积电场阻挡层105另一侧延伸以覆盖沉积电场阻挡层105的上表面，形成台阶状的绝缘层106，用于产生单层石墨烯103水平方向的电场，通过单层石墨烯103和绝缘层106构成侧向栅极结构的核心部分，且电场屏蔽层结构能够屏蔽来自单层石墨烯103垂直方向的电场，实现进一步降低场效应晶体管的栅长，侧向栅极结构是依次通过转移、图形化、淀积和刻蚀的方式制得；二维薄膜107呈台阶状覆盖在绝缘层106上，作为导电沟道，能在电场调控下完成载流子浓度的变化，且保证二维薄膜107下台阶的上表面低于单层石墨烯103的下表面保证沟道的形成；电极109和电极108分别设置在二维薄膜107的上、下台阶的上表面，用于导出二维薄膜107的电学信号；电极110同时与衬底绝缘层102和单层石墨烯103连接，用于传输栅极所需的电压信号。
本实施例中各组成器件的具体实现方式及功能分别说明如下：
所述衬底101，采用导电或是绝缘材料制成，本实施例选用重掺杂的P型Si，用于为整个晶体管提供物理支撑，与衬底绝缘层102相连接。
所述衬底绝缘层102，下表面与衬底101相连，上表面分别与单层石墨烯103、绝缘层106的下表面相连，本实施例选用热氧生长的300nm SiO2作为衬底绝缘层102，用于电学隔离单层石墨烯103的电学信号，同时可被适当刻蚀，以实现单层石墨烯103与二维薄膜107的栅极调控作用。
所述单层石墨烯103作为栅极，下表面与衬底绝缘层102相连，上表面与电场屏蔽层结构的绝缘层104相连，单层石墨烯103经过刻蚀的一侧面与绝缘层106相连接，所选用的单层石墨烯厚度为0.34nm，此外，也可采用少层石墨烯，总厚度控制在1nm以内即可。
所述绝缘层104，下表面与单层石墨烯103接触，上表面与沉积电场阻挡层105相连，绝缘层104经过刻蚀的一侧面与绝缘层106相连，用于单层石墨烯103和沉积电场阻挡层105的隔离，制成绝缘层104的材料包括氧化物绝缘体、二维绝缘体或柔性绝缘体，厚度在10nm以下为宜。对于本实施例而言，采用金属自氧化的氧化铝材料。
所述沉积电场阻挡层105，下表面与绝缘层104相连，上表面及经过刻蚀的一侧面与绝缘层106相连，用于屏蔽来自单层石墨烯103垂直方向的电场，同时利用自对准技术完成刻蚀，以实现较为陡直的栅极控制区域。制成沉积电场阻挡层105的材料包括金属及其他导电非金属，如高掺杂p型和n型硅，锗半导体，柔性电极材料等。对于本实施例而言，为15nm的金属Al。
所述绝缘层106，上、下台阶的下表面分别与沉积电场阻挡层105、衬底绝缘层102的上表面接触，绝缘层106的上表面与二维薄膜107相连，绝缘层106的侧面同时与衬底绝缘层102、单层石墨烯103、绝缘层104和沉积电场阻挡层105的同侧接触，用以实现栅极的介质层，实现场效应晶体管结构。制成绝缘层106的材料包括金属氧化物，二维绝缘体及柔性绝缘体。对于本实施例而言，为使用原子层淀积的10nm厚的氧化铪材料。
所述二维薄膜107，其底部与绝缘层106相连接，二维薄膜107上、下台阶的顶部分别与第一电极109、第二电极108相连，在该二维薄膜内形成场效应晶体管沟道。二维薄膜107材料可选用具有半导体特性二维薄膜或氧化物半导体等，厚度范围在0.33nm-50nm，对于本实施例而言，为具有较高载流子迁移率的单层二硫化钼。
所述第一电极109和第二电极108，其底部分别与二维薄膜107上、下台阶的底面相连接，用以传输二维薄膜场效应晶体管的电学信号。制成第一电极109和第二电极108的材料包括金属及其他导电非金属，如高掺杂p型和n型硅，锗半导体，柔性电极材料等，第一电极和第二电极的材料可以相同也可以不同，对于本实施例而言，均为30nm的金属Pt。
所述第三电极110，其底部同时与单层石墨烯103和衬底绝缘层102相连接，用于传输栅极所需要的电压信号。制成第三电极110的材料包括金属及其他导电非金属，高掺杂p型和n型硅，锗半导体，柔性电极材料等。对于本实施例而言，为30nm的金属Pt。
实施例2
参见图2，本实施例与实施例1的不同之处在于垂直电场屏蔽结构由金属层111和包覆于其外的氧化层112组成，且该氧化层112是通过金属层111的自氧化方式形成。本实施例中金属层111采用25nm的金属铝，还可采用铜、镁、锌或铅等具有致密自氧化特性的金属，氧化层112的厚度在5-10nm。通过自氧化方式构成垂直电场屏蔽结构，可以进一步降低工艺复杂度。本实施例的其余部分均与实施例1相同，此处不再赘述。
参见图3，是本发明具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管的制备流程图，所述方法包括：
S101：在衬底101和衬底绝缘层102上采用生长或转移结合图形化、刻蚀的方式制备石墨烯103，所述图形化的方式为：掩模版曝光或电子束曝光工艺等相应的制作工艺，所述刻蚀方法为等离子体干法刻蚀或化学反应腐蚀法。
S102：采用原子层沉积或湿法转移二维绝缘薄膜；抑或是采用金属自氧化的方式制备垂直电场屏蔽结构在石墨烯103上。
S103：采用普通光刻(掩模版曝光)或电子束曝光等图形化工艺，在绝缘层104上制备沉积电场阻挡层105。对于采用金属自氧化的方式形成垂直电场屏蔽结构的情况，本步骤缺省。
S104：采用原子层沉积或湿法转移二维绝缘薄膜，抑或是金属自氧化的方式制备绝缘层106在沉积电场阻挡层105或氧化层112上。如果是原子层沉积或湿法转移的方式，需要后续图形化并刻蚀的方式制备绝缘层106。
S105：采用湿法转移抑或是生长的方式，然后经过图形化和刻蚀方法制备具有导电沟道的二维薄膜107，所述图形化的方式为：掩模版曝光或电子束曝光工艺等相应的制作工艺，所述刻蚀方法为等离子体干法刻蚀或化学反应腐蚀法。
S106：采用普通光刻或电子束曝光等图形化工艺，在二维薄膜107上制备第一电极109、第二电极108。此步骤可以分开进行以便制备不同材料的第一电极109、第二电极108。
S107：采用普通光刻或电子束曝光等图形化工艺，在衬底绝缘层102和石墨烯103上制备第三电极110。此步骤可以在步骤S102后任意一步进行。
Claims (6)
1.一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，包括依次层叠的衬底(101)、衬底绝缘层(102)、单层或少层石墨烯(103)和垂直电场屏蔽结构，还包括第一绝缘层(106)、二维薄膜(107)和三个电极(108、109、110)；
所述单层或少层石墨烯(103)作为栅极，厚度在亚1nm；
所述垂直电场屏蔽结构由第二绝缘层(104)和层叠于其上的沉积电场阻挡层(105)组成；或者由金属层(111)和包覆于其外的氧化层(112)组成，所述氧化层(112)通过金属层(111)的自氧化方式形成；所述垂直电场屏蔽结构用于隔绝单层或少层石墨烯(103)垂直方向的电场以利用栅极的厚度来定义栅长；
所述第一绝缘层(106)通过刻蚀方式覆盖在衬底绝缘层(102)的顶部以及单层或少层石墨烯(103)和垂直电场屏蔽结构同侧，且该第一绝缘层(106)一端向垂直电场屏蔽结构另一侧延伸以覆盖垂直电场屏蔽结构的上表面，形成台阶状的第一绝缘层(106)，用于产生单层或少层石墨烯(103)水平方向的电场；
所述二维薄膜(107)呈台阶状覆盖在第一绝缘层(106)上，作为导电沟道，且保证二维薄膜(107)下台阶的上表面低于单层或少层石墨烯(103)的下表面；
第一电极(109)和第二电极(108)分别设置在二维薄膜(107)的上台阶面和下台阶面上，用于导出二维薄膜(107)的电学信号；第三电极(110)同时与衬底绝缘层(102)和单层或少层石墨烯(103)连接，用于传输栅极所需的电压信号。
2.根据权利要求1所述的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，垂直电场屏蔽结构中，所述第二绝缘层(104)由二维绝缘薄膜或柔性绝缘薄膜通过原子层沉积或湿法转移制得；所述沉积电场阻挡层(105)由金属或导电非金属通过图形化工艺制得。
3.根据权利要求1所述的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，垂直电场屏蔽结构中，所述金属层(111)选用具有致密自氧化特性的金属。
4.根据权利要求1所述的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层(106)的材料包括金属氧化物，二维绝缘薄膜及柔性绝缘薄膜；所述金属氧化物是通过金属自氧化的方式形成。
5.根据权利要求1所述的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述二维薄膜(107)采用湿法转移或生长的方式，然后经图形化和刻蚀制得，该二维薄膜(107)选自具有半导体特性的二维薄膜或氧化物半导体。
6.根据权利要求1所述的二维薄膜场效应晶体管，其特征在于，各电极采用金属或导电非金属。
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