一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法技术

本申请涉及一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法。该晶体管包括：衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，其特征在于：所述负电容铁电层的厚度由源区至漏区方向不同，使得栅极不同厚度的负电容铁电层对栅极电压放大作用呈线性放大，对栅极电压放大作用具有更好的控制能力，同时不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管在相同的栅压下具有更高的饱和区电流以及更低的亚阈值斜率，因此提升了晶体管的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法
本申请涉及半导体器件
，特别是涉及一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法。
技术介绍
摩尔定律的不断发展使得半导体器件的特征尺寸不断缩小，集成电路的功率密度也因此不断增加，芯片的工作温度越来越高，可靠性和性能大幅降低。减小晶体管亚阈值摆幅是降低集成电路电源电压和功耗的有效方法。负电容场效应晶体管(Negativecapacitancefieldeffecttransistor,NCFET)作为近年来最新型的低功耗晶体管，具有非常大的潜力。NCFET与MOSFET相比，仅将具有“负电容效应”的铁电薄膜材料叠加到传统栅氧上，在不改变传统场效应晶体管沟道输运机制的前提下，实现栅极电压的放大，可以将亚阈值斜率(Sub-thresholdSwing,SS)减小到60mV/dec以下，且在电源电压VDD大幅减小的情况下不改变其驱动电流，这显著降低了集成电路的功耗，使得器件尺寸可以进一步减小，摩尔定律能够得到进一步发展。为了改善晶体管的亚阈值特性和减小静态功耗，研究者们提出了各种措施。如文献SalahuddinS,andDattaS.UseofNegativeCapacitancetoProvideVoltageAmplificationforLowPowerNanoscaleDevices[J].NanoLett.,2008,8(2):405-410最早提出了负电容的结构。其结构如图1所示，1是源区，2是沟道，3是漏区，4是铁电层，5是栅极金属层。该结构仅将具有“负电容效应”的铁电薄膜材料叠加到传统栅氧上，在不改变传统场效应晶体管沟道输运机制的前提下，就可以实现小于理论极限值60mV/decade的亚阈值摆幅。但是该结构相比于传统MOSFET，降低的亚阈值摆幅以及静态功耗有限，提升性能不明显。文献A.SharmaandK.Roy.DesignSpaceExplorationofHysteresis-FreeHfZrOx-BasedNegativeCapacitanceFETs[J].IEEEElectronDeviceLetters,2017,38(8):1165-1167提出了全耗尽绝缘体上硅的负电容晶体管结构，如图2所示。1是衬底，2是埋氧层，3是源区，4是全耗尽沟道，5是漏区，6是栅氧层，7是铁电层，8是栅极金属层，9是侧墙。该FDSOI结构通过无掺杂的全耗尽沟道和改进的栅极控制改善了负电容晶体管的性能，使电容和铁电层匹配结果更好。但是该结构并未使亚阈值摆幅低于极限值60mV/decade，同时对于栅极电压的放大也不是可控的。因此，目前的负电容晶体管结构改善晶体管的亚阈值特性或减小静态功耗有限，并且不能线性地控制栅极电压的放大作用，其性能低。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高晶体管的性能的不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法。一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管，所述晶体管包括衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，所述负电容铁电层由所述源区至所述漏区方向不同。在其中一个实施例中，所述负电容铁电层的铁电材料为氧化铪基铁电体、有机铁电材料、层状铋系铁电材料、锆钛酸铅铁电材料、钙铁矿型铁电体、铌酸锂型铁电体、钨青铜型铁电体和铋层状钙铁矿结构铁电体材料中的任意一种。在其中一个实施例中，所述负电容铁电层的厚度由源区至漏区方向阶梯递减或递增，阶梯的数量为n，其中n≥2。在其中一个实施例中，所述负电容铁电层的厚度由源区至漏区方向线性递减或递增。在其中一个实施例中，所述衬底和顶层采用的材料为硅、锗、锗硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅和磷化铟中的任意一种。在其中一个实施例中，所述金属层采用的材料为铝、铜、银、金、多晶硅、氮化钛或氮化钽中的任意一种。在其中一个实施例中，所述侧墙采用的材料为氮化硅、氮氧化硅和碳氧化硅中的任意一种。一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：利用智能剥离技术形成具有衬底、埋氧化层和顶层的三层结构；在所述顶层上沉积栅氧化层，并在所述栅氧化层上沉积多晶硅作为虚拟栅；通过淀积和刻蚀工艺形成侧墙，并在所述顶层上进行选择性外延工艺形成抬升区域，并利用离子注入工艺在两侧抬升区域形成源区和漏区，所述顶层的所述栅氧化层下方区域形成沟道；通过湿法刻蚀去除虚拟栅；通过沉积工艺在所述栅氧化层上形成铁电层；利用掩膜板保护所述铁电层的最高级阶梯区域的沉积的铁电材料，通过刻蚀工艺将所述铁电层中不属于所述最高级阶梯区域的铁电材料去除，形成厚度呈阶梯变化的负电容铁电层；通过刻蚀工艺去除所述掩膜板；利用物理气相淀积工艺制备金属层。上述不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法，包括衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，通过所述负电容铁电层的厚度由所述源区至所述漏区方向不同，使得栅极不同厚度的负电容铁电层对栅极电压放大作用呈线性放大，对栅极电压放大作用具有更好的控制能力，同时不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管在相同的栅压下具有更高的饱和区电流以及更低的亚阈值斜率，因此提升了晶体管的性能。附图说明图1为一个
技术介绍
中文献1采用的负电容晶体管截面结构示意图；图2为
技术介绍
中文献2采用的双栅负电容晶体管截面结构示意图；图3为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的截面结构示意图；图4为另一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的截面结构示意图；图5为本申请的不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的负电容铁电层电压放大效果与传统结构的铁电层电压放大效果的对比示意图；图6为本申请的不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管相比于传统结构负电容晶体管对转移特性改善的示意图；图7为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤2器件的截面结构示意图；图8为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤3器件的截面结构示意图；图9为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤4器件的截面结构示意图；图10为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤5器件的截面结构示意图；图11为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤6器件的截面结构示意图；图12为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤7器件的截面结构示意图；图13为一个实施例中不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管的制备方法中步骤8器件的截面结构示意图。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管，所述晶体管包括衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，其特征在于：/n所述负电容铁电层的厚度由所述源区至所述漏区方向不同。/n

【技术特征摘要】
1.一种不同厚度铁电层的负电容场效应晶体管，所述晶体管包括衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，其特征在于：
所述负电容铁电层的厚度由所述源区至所述漏区方向不同。


2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述负电容铁电层的铁电材料为氧化铪基铁电体、有机铁电材料、层状铋系铁电材料、锆钛酸铅铁电材料、钙铁矿型铁电体、铌酸锂型铁电体、钨青铜型铁电体和铋层状钙铁矿结构铁电体材料中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述负电容铁电层的厚度由源区至漏区方向阶梯递减或递增，阶梯的数量为n，其中n≥2。


4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述负电容铁电层的厚度由源区至漏区方向线性递减或递增。


5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述衬底和顶层采用的材料为硅、锗、锗硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅和磷化铟中的任意一种。

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【专利技术属性】
技术研发人员：姚佳飞，顾鸣远，郭宇锋，李曼，梁其聪，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32