具有负电容栅极结构的场效应晶体管制造技术

一种具有负电容栅极结构的场效应晶体管。所述场效应晶体管包括沟道和布置在所述沟道上方的栅极电介质。所述负电容栅极结构包括包含底部电极的底部电极结构、多畴结构和顶部电极结构。所述多畴结构包括布置在所述底部电极上方的多畴元件，所述多畴元件包括多个拓扑畴和至少一个拓扑畴壁。所述顶部电极结构包括布置在所述多畴元件上方的顶部电极。所述负电容栅极结构的所述底部电极结构的至少一部分布置在所述栅极电介质上方并且适于通过所述栅极电介质耦接到所述沟道。极电介质耦接到所述沟道。极电介质耦接到所述沟道。

【技术实现步骤摘要】
具有负电容栅极结构的场效应晶体管


[0001]本公开涉及一种场效应晶体管，具体地涉及场效应晶体管的栅极结构，更具体地， 涉及具有负电容的栅极结构。

技术介绍

[0002]随着小型化的趋势，微电子行业正经历着快速增长，然而电子电路的复杂性也在不 断增加。功能密度(即，每芯片面积互连器件的数量)正在增加，同时可以使用最先进的 制造工艺产生的几何尺寸(即，最小电路部件)正在下降。集成电路不断增加的功率密度 可能会以高密度产生废热，从而限制集成电路按照摩尔定律的持续增长。
[0003]晶体管，更具体地场效应晶体管，是微电子技术中的基本电路部件。由于场效应晶 体管的功率损耗和由此产生的热量，半导体电路的持续小型化面临挑战。多年来，人们 一直努力克服因功率耗散引起的发热，以试图防止在室温下超过60
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mV/decade的亚阈值 斜率的实施方式。
[0004]已经提出并研究了标准金属氧化物半导体场效应晶体管的现有替代方案，具体地包 括隧道场效应晶体管、纳米机电系统和反馈场效应晶体管。最近，已经提出了包含铁电 材料可以提供负电容的想法。特别地，负电容器可以解决克服60
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mV/decade的亚阈值斜 率的问题。可以通过将铁电材料结合到栅极中来产生负电容晶体管。然而，迄今为止，还 没有单一的材料组合或单一的几何形状被成功地证明可以实现具有稳定、可逆和无滞后 的负电容的电容器。
[0005]负电容晶体管的一般设计原则对于实现稳定的性能和在半导体器件中的灵活集成是 合乎需要的。<br/>
技术实现思路

[0006]鉴于上述技术问题，需要一种改进的具有负电容栅极结构的场效应晶体管，所述负 电容栅极结构具有经调整的负电容，特别是需要一种保证稳定的静态负电容的负电容栅 极结构。
[0007]该目的通过根据独立权利要求1所述的场效应晶体管来实现。独立权利要求11提供 了一种用于操作具有负电容栅极结构的场效应晶体管的方法。从属权利要求涉及优选实 施例。
[0008]在第一方面，一种场效应晶体管具有负电容栅极结构。所述场效应晶体管包括沟道 和布置在所述沟道上方的栅极电介质。所述负电容栅极结构包括包含底部电极的底部电 极结构、多畴结构和顶部电极结构。所述多畴结构包括布置在所述底部电极上方的多畴 元件，所述多畴元件包括多个拓扑畴和至少一个拓扑畴壁。所述顶部电极结构包括布置 在所述多畴元件上方的顶部电极。所述负电容栅极结构的所述底部电极结构的至少一部 分布置在所述栅极电介质上方并且适于通过所述栅极电介质耦接到所述沟道。
[0009]具有负电容栅极结构的场效应晶体管可以提供增强的开关速度。具有负电容栅极
线。
[0028]在本公开的上下文中，最短分隔线可以对应于或表示分隔相邻拓扑畴的拓扑畴壁， 和/或所述多个区可以对应于或表示多个拓扑畴。
[0029]将截面区域划分为(基本上)相等面积的多个区的最短分隔线可以对应于在零栅极 电压下拓扑畴壁的平衡位置。因此，在本公开的上下文中，最短分隔线可以被称为平衡 分隔线。
[0030]参考线可以相对于最短分隔线移位，并且特别地可以平行于最短分隔线并且至少部 分地在由截面区域限定的表面中延伸。参考线在截面区域内的长度可以短于最短分隔线 在截面区域内的长度，并且参考线在截面区域内的长度与最短分隔线在截面区域内的长 度可能存在差异，其差值在最短分隔线附近随着参考线与最短分隔线之间的距离的增加 而增加。最短分隔线可以提供至少一个拓扑畴壁的图像。最短分隔线和参考线的长度之 间的差异可以表示负电容的增强的可靠性和鲁棒性。
[0031]在施加栅极电压时，最短分隔线/平衡分隔线可以从其在零电压的平衡位置移位，并 且参考线可以对应于或表示移位的分隔线。分隔线在从其在零电压下的平衡位置移位时 长度可以减小，并且可以弓弯或弯曲以在截面区域的边界处保持与截面区域的边缘正交。
[0032]在一些实施例中，参考线是直线段。在其他实施例中，参考线可以包括弓弯部分和 弯曲部分。
[0033]面积基本相等的多个区可以恰好由面积相等的两个区构成。
[0034]这确保了对至少一个拓扑畴壁的动力学和具有两个拓扑极化畴的实施例的动力学的 控制。
[0035]底部电极的顶表面可以是平坦的，并且截面区域可以平行于底部电极的顶表面。
[0036]底部电极的顶表面可以包括数个平坦表面，特别是反射底层鳍结构的平坦表面，并 且截面区域可以布置在数个平面中，其中，每个平面可以平行于底部电极的平坦表面。
[0037]底部电极的顶表面可以是圆柱形或球形，并且截面区域可以与底部电极的顶表面同 轴或同心。
[0038]最短分隔线的附近可以包括截面区域内最接近最短分隔线的区，特别是截面区域内 最接近最短分隔线的面积至少为截面区域的面积的5％、特别是面积至少为截面区域的面 积的10％、或面积至少为截面区域的面积的20％的区。
[0039]场效应晶体管可以进一步包括设置在底部电极结构与顶部电极结构之间的附加介电 元件，例如构成多畴元件的壳涂层、特别是铁电元件的壳涂层的附加介电元件。
[0040]附加介电元件的材料可以不同于多畴元件的材料。
[0041]附加介电元件的至少一部分材料、特别是至少大部分材料可以不是铁电的。
[0042]底部电极结构的第一部分与顶部电极结构的第一部分之间的第一区可以包括多畴元 件的材料但不包括附加介电元件的材料，和/或底部电极结构的第二部分与顶部电极结构 的第二部分之间的第二区可以包括附加介电元件的材料但不包括多畴元件的材料。
[0043]第一电容器区可以包括或由底部电极结构的第一部分、第一区和顶部电极结构的第 一部分构成，其中，第一电容器区可以具有负电容。
[0044]根据一些实施例，第二电容器区包括或由底部电极结构的第二部分、第二区和顶
部 电极结构的第二部分构成，其中，第二电容器区具有正电容。
[0045]底部电极结构与顶部电极结构之间的空间可以包括气体或真空间隔物。
[0046]底部电极结构与顶部电极结构之间的空间可以部分或完全被多畴结构和附加介电元 件填充。
[0047]多畴元件沿着从底部电极指向顶部电极的第一方向可以具有厚度，其中，多畴元件 在最短分隔线的位置处的宽度超过所述厚度。
[0048]根据一些实施例，多畴元件在最短分隔线位置处的宽度不超过1,000nm，特别是不 超过100nm，或不超过50nm，或不超过20nm，或不超过15nm。
[0049]多畴元件的对应宽度有利地促进拓扑畴壁的形成，特别是拓扑畴壁在靠近最短分隔 线的位置处的受控形成。
[0050]根据一些实施例，多畴元件在最短分隔线位置处的宽度至少为2nm，特别是至少5 nm，或至少8nm。
[0051]多个拓扑畴可以包括恰好两个拓扑畴。
[0052]具有恰好两个拓扑畴的实施例可以对拓扑畴壁的形成、特别是拓扑畴壁在靠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有负电容栅极结构(202，202
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)的场效应晶体管(200，200
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)，所述场效应晶体管(200，200
’
)包括沟道(216)和布置在所述沟道(216)上方的栅极电介质(218)，所述负电容栅极结构(202，202
’
)包括：底部电极结构，所述底部电极结构包括底部电极(212)，多畴结构，所述多畴结构包括布置在所述底部电极(212)上方的多畴元件(204)，所述多畴元件(204)包括多个拓扑畴(206，208)和至少一个拓扑畴壁(210)，以及顶部电极结构，所述顶部电极结构包括布置在所述多畴元件(204)上方的顶部电极(214)；其中，所述负电容栅极结构(202，202
’
)的所述底部电极结构的至少一部分布置在所述栅极电介质(218)上方并且适于通过所述栅极电介质(218)耦接到所述沟道(216)。2.根据权利要求1所述的场效应晶体管(200，200
’
)，其中，所述拓扑畴(206，208)是铁电畴，并且其中，所述拓扑畴壁(210)是铁电畴壁。3.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管(200，200
’
)，其中，所述多畴元件(204)包括：具有与所述底部电极(212)的顶表面的取向相对应的取向的截面区域(300a，300b，300c)，所述截面区域(300a，300b，300c)限定最短分隔线(304a，304b，304c)以将所述截面区域(300a，300b，300c)分成面积基本相等的多个区，参考线(306)，所述参考线相对于所述最短分隔线(304a，304b，304c)移位并且处于由所述截面区域(300a，300b，300c)限定的表面中，其中，所述参考线(306)在所述截面区域(300a，300b，300c)内的长度(308)短于所述最短分隔线(304a，304b，304c)在所述截面区域(300a，300b，300c)内的长度(302a，302b，302c)，其差值在所述最短分隔线(304a，304b，304c)附近随着所述参考线(306)与所述最短分隔线(304a，304b，304c)之间的距离(310)的增加而增加。4.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管(200
’
)，进一步包括设置在所述底部电极结构与所述顶部电极结构之间的附加介电元件(400，400a，400a
’
，400b，400c)。5.根据权利要求3或结合权利要求3的权利要求4所述的场效应晶体管(200，200
’
)，其中，所述多畴元件(204)沿从所述底部电极(212)指向所述顶部电极(214)的第一方向(z)具有厚度(d
f
)，并且其中，所述多畴元件(204)在所述最短分隔线(304a，304b，304c)位置处的宽度(302a，302b，302c)超过所述厚度(d
f
)。6.根据权利要求3或结合其他前述权利要求中任一项的权利要求3所述的场效应晶体管(200，200
’
)，其中，所述多畴元件(204)在所述最短分隔线(304a，304b，304c)位置处的宽度(302a，302b，302c)不超过1,000nm，特别是不超过100nm，或不超...

【专利技术属性】
技术研发人员：I，
申请(专利权)人：特拉量子股份公司，
类型：发明
国别省市：