一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构及制备方法，通过采用多步干转移法，在衬底的埋栅上形成二维铁电材料铁电层、二维绝缘材料栅介质层和二维半导体材料沟道层的叠层结构，利用二维铁电材料与二维绝缘材料和二维半导体材料的组合形成二维范德华力异质结，可减少界面陷阱出现，消除界面问题，降低界面陷阱密度，从而可得到具有较小的亚阈值摆幅，较大的开关比的高性能NCFETs，在构建低功耗器件研究中具有一定的应用前景。本发明专利技术方法简单，成功率高，适用性强，可以实现多种器件组合。件组合。件组合。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件工艺
，尤其涉及一种基于二维铁电材料的负电容场效应晶体管(NCFET)结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着硅电路微缩化的发展，降低功耗成为研究者们关心的重要课题。在超大规模集成电路(ULSI)中，工作电压的微缩受到被称为“玻尔兹曼极限(Boltzmann Tyranny)”的物理瓶颈的限制。此外，超大规模集成电路中不可避免地会产生大量的热量损耗。为了解决这些问题，已提出了一种通过内部电压放大机制来减小亚阈值摆幅(Subthreshold Swing)的负电容场效应晶体管(NCFET)，从而能有效地微缩工作电压，显著降低了超大规模集成电路中的功耗。较小的亚阈值摆幅，高开关比、可调滞回、与标准半导体制造工艺的兼容性和环境友好性等优异的工作性能，使NCFET成为降低功耗、解决超大规模集成电路中热量损耗问题的理想选择。在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极叠层中插入一层二维铁电材料(如CIPS，α
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In2Se3等)，可以得到二维负电容场效应晶体管(2D
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NCFET)，此类器件已被广泛研究用于非易失存储器和低功耗逻辑器件。
[0003]基于各种铁电材料，传统的铁电场效应晶体管主要包括有机铁电场效应晶体管，无机铁电钙钛矿场效应晶体管，以及基于HfO2的新型场效应晶体管等。随着器件尺寸的微缩，二维材料尤其是过渡金属二硫化物(TMDs)，被作为沟道材料越来越多地应用到场效应晶体管中。TMDs具有原子级厚度的薄膜提供了理想的静电控制以增强对短通道效应的抑制。
[0004]传统的铁电场效应晶体管为了进一步缩小尺寸，不得不采用与二维材料进行结合的方式。将铁电材料与二维场效应晶体管集成，可以得到负电容场效应晶体管(NCFET)，以结合铁电材料和二维场效应晶体管的优点。然而，非理想的三维铁电材料和二维半导体材料的界面会出现陷阱，这会导致器件性能降低，可靠性变差。同时，二维材料表面缺乏悬挂键这一特性，也使得铁电材料的原子层沉积过程变得困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构及制备方法，利用二维铁电材料薄膜作为铁电层，利用二维绝缘材料薄膜作为栅介质层，以及利用二维半导体材料薄膜作为沟道层，在二维铁电材料、二维绝缘材料和二维半导体材料三者之间分别构建出范德华力异质结，以消除界面问题，降低界面陷阱密度，从而得到高性能，低功耗的2D
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NCFET。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构，包括：
[0008]半导体衬底；
[0009]覆盖所述衬底的介质层；
[0010]埋设于所述介质层表面上的栅极；
[0011]设于所述栅极表面上的二维铁电材料的铁电层；
[0012]设于所述铁电层表面上的二维绝缘材料的栅介质层；
[0013]设于所述栅介质层表面上的二维半导体材料的沟道层；
[0014]以及设于所述沟道层两端上的源漏区；
[0015]其中，所述二维铁电材料与所述二维绝缘材料之间在界面处形成第一二维范德华力异质结，所述二维绝缘材料与所述二维半导体材料之间在界面处形成第二二维范德华力异质结。
[0016]进一步地，所述二维铁电材料包括CuInP2S6；所述二维绝缘材料包括六方氮化硼；所述二维半导体材料包括MoS2。
[0017]本专利技术还提供一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构的制备方法，包括：
[0018]提供一半导体衬底；
[0019]形成覆盖于所述衬底上的介质层；
[0020]形成埋设在所述介质层表面上的栅极；
[0021]采用干转移法，将获得的二维铁电材料薄膜作为铁电层转移至所述介质层上，并覆盖在所述栅极表面上；
[0022]采用干转移法，将获得的二维绝缘材料薄膜作为栅介质层转移至所述铁电层的表面上，在所述二维绝缘材料与所述二维铁电材料之间的界面处形成第一二维范德华力异质结；
[0023]采用干转移法，将获得的二维半导体材料薄膜作为沟道层转移至所述栅介质层的表面上，在所述二维半导体材料与所述二维绝缘材料之间的界面处形成第二二维范德华力异质结；
[0024]在所述沟道层的两端上形成源漏区。
[0025]进一步地，所述采用干转移法，将获得的二维铁电材料薄膜作为铁电层转移至所述介质层上，并覆盖在所述栅极表面上，具体包括：
[0026]采用机械剥离法，将获得的二维铁电材料薄膜转移至第一备用衬底上；
[0027]将获得的聚合物薄膜转移至支撑层的下表面上；
[0028]下移所述支撑层，将所述聚合物薄膜置于所述第一备用衬底上，并与所述二维铁电材料薄膜贴合；
[0029]执行加热和冷却，并上移所述支撑层，利用所述聚合物薄膜将所述二维铁电材料薄膜从所述第一备用衬底上粘起；
[0030]下移所述支撑层，将粘有的所述二维铁电材料薄膜转置于所述衬底的所述介质层上，并覆盖在所述栅极表面上；
[0031]执行加热，并上移所述支撑层与所述聚合物薄膜分离；
[0032]执行冷却，将所述二维铁电材料薄膜上的所述聚合物薄膜在第一溶剂中浸泡去除，在所述介质层上形成二维铁电材料薄膜的所述铁电层。
[0033]进一步地，所述采用干转移法，将获得的二维绝缘材料薄膜作为栅介质层转移至所述铁电层的表面上，在所述二维绝缘材料与所述二维铁电材料之间的界面处形成第一二维范德华力异质结，具体包括：
[0034]采用机械剥离法，将获得的二维绝缘材料薄膜转移至第二备用衬底上；
[0035]将获得的聚合物薄膜转移至支撑层的下表面上；
[0036]下移所述支撑层，将所述聚合物薄膜置于所述第二备用衬底上，并与所述二维绝缘材料薄膜贴合；
[0037]执行加热和冷却，并上移所述支撑层，利用所述聚合物薄膜将所述二维绝缘材料薄膜从所述第二备用衬底上粘起；
[0038]下移所述支撑层，将粘有的所述二维绝缘材料薄膜转置于所述衬底的所述二维铁电材料薄膜表面上；
[0039]执行加热，并上移所述支撑层与所述聚合物薄膜分离；
[0040]执行冷却，将所述二维绝缘材料薄膜上的所述聚合物薄膜在第一溶剂中浸泡去除，在所述二维铁电材料铁电层上形成所述二维绝缘材料栅介质层，从而在所述二维绝缘材料与所述二维铁电材料之间的界面处形成第一二维范德华力异质结。
[0041]进一步地，所述采用干转移法，将获得的二维半导体材料薄膜作为沟道层转移至所述栅介质层的表面上，在所述二维半导体材料与所述二维绝缘材料之间的界面处形成第二二维范德华力异质结，具体包括：
[0042]采用机械剥离法，将获得的二维半导体材料薄膜转移至第三备用衬底上；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构，其特征在于，包括：半导体衬底；覆盖所述衬底的介质层；埋设于所述介质层表面上的栅极；设于所述栅极表面上的二维铁电材料的铁电层；设于所述铁电层表面上的二维绝缘材料的栅介质层；设于所述栅介质层表面上的二维半导体材料的沟道层；以及设于所述沟道层两端上的源漏区；其中，所述二维铁电材料与所述二维绝缘材料之间在界面处形成第一二维范德华力异质结，所述二维绝缘材料与所述二维半导体材料之间在界面处形成第二二维范德华力异质结。2.根据权利要求1所述的基于二维材料的负电容场效应晶体管结构，其特征在于，所述二维铁电材料包括CuInP2S6；所述二维绝缘材料包括六方氮化硼；所述二维半导体材料包括MoS2。3.一种基于二维材料的负电容场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，包括：提供一半导体衬底；形成覆盖于所述衬底上的介质层；形成埋设在所述介质层表面上的栅极；采用干转移法，将获得的二维铁电材料薄膜作为铁电层转移至所述介质层上，并覆盖在所述栅极表面上；采用干转移法，将获得的二维绝缘材料薄膜作为栅介质层转移至所述铁电层的表面上，在所述二维绝缘材料与所述二维铁电材料之间的界面处形成第一二维范德华力异质结；采用干转移法，将获得的二维半导体材料薄膜作为沟道层转移至所述栅介质层的表面上，在所述二维半导体材料与所述二维绝缘材料之间的界面处形成第二二维范德华力异质结；在所述沟道层的两端上形成源漏区。4.根据权利要求3所述的基于二维材料的负电容场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，所述采用干转移法，将获得的二维铁电材料薄膜作为铁电层转移至所述介质层上，并覆盖在所述栅极表面上，具体包括：采用机械剥离法，将获得的二维铁电材料薄膜转移至第一备用衬底上；将获得的聚合物薄膜转移至支撑层的下表面上；下移所述支撑层，将所述聚合物薄膜置于所述第一备用衬底上，并与所述二维铁电材料薄膜贴合；执行加热和冷却，并上移所述支撑层，利用所述聚合物薄膜将所述二维铁电材料薄膜从所述第一备用衬底上粘起；下移所述支撑层，将粘有的所述二维铁电材料薄膜转置于所述衬底的所述介质层上，并覆盖在所述栅极表面上；执行加热，并上移所述支撑层与所述聚合物薄膜分离；
执行冷却，将所述二维铁电材料薄膜上的所述聚合物薄膜在第一溶剂中浸泡去除，在所述介质层上形成二维铁电材料薄膜的所述铁电层。5.根据权利要求3所述的基于二维材料的负电容场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，所述采用干转移法，将获得的二维绝缘材料薄膜作为栅介质层转移至所述铁电层的表面上，在所述二维绝缘材料与所述二维铁电材料之间的界面处形成第一二维范德华力异质结，具体包括：采用机械剥离法，将获得的二维绝缘材料薄膜转移至第二备用衬底上；将获得的聚合物薄膜转移至支撑层的下表面上；下移所述支撑层，将所述聚合物薄膜置于所述第二备用衬底上，并与所述二维绝缘材料薄膜贴合；执行加热和冷却，并上移所述支撑层，利用所述聚合物薄膜将所述二维绝缘材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雅芬，朱颢，张卫，
申请(专利权)人：上海集成电路制造创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：