本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管邏輯器件，具體涉及一種負(fù)電子壓縮率-超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管及其制備方法。

背景技術(shù)：

二十世紀(jì)以來，集成電路產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的雙輪驅(qū)動(dòng)下隨著摩爾定律不斷快速發(fā)展，如今，傳統(tǒng)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET特征尺寸已經(jīng)縮小至納米尺度，然而隨之面臨的器件尺寸縮小帶來的問題也日益嚴(yán)峻。器件不斷的等比例縮小，使得短溝道效應(yīng)越來越嚴(yán)重，熱電子效應(yīng)、漏致勢壘降低效應(yīng)以及漏PN結(jié)擊穿等將引起關(guān)態(tài)電流的增大的問題，與此同時(shí)，傳統(tǒng)MOSFET器件亞閾值斜率無法隨著尺寸等比例縮小而同步減小，因?yàn)橐环矫媸艿綗犭妱輐T/q的限制，另一方面由于正電容分壓使柵壓對表面勢的控制作用受到限制，導(dǎo)致器件功耗較高。因此解決功耗問題成為現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的燃眉之急。

而為了解決器件功耗高問題，在傳統(tǒng)MOSFET方面，減薄氧化層厚度或者采用多柵甚至圍柵器件，能夠提高M(jìn)OSFET柵壓對溝道表面勢控制作用，有效抑制短溝道效應(yīng)，但是這種方式對柵控提高仍然有限。因此，為了利用超陡亞閾值斜率器件來降低功耗，一方面，采用新型導(dǎo)通機(jī)制替代傳統(tǒng)MOSFET導(dǎo)通機(jī)制已經(jīng)成為研究焦點(diǎn)，其中包括柵控P-I-N結(jié)構(gòu)的隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)，通過隧穿開啟機(jī)制突破傳統(tǒng)MOSFET亞閾值斜率60的限制；另一方面，利用非常規(guī)柵氧化層材料形成負(fù)電容效應(yīng)來放大柵壓，也能夠?qū)崿F(xiàn)超陡亞閾值器件，包括以鐵電為柵材料的負(fù)電容場效應(yīng)晶體管NCFET。但是由于鐵電材料晶格結(jié)構(gòu)限制，鐵電NCFET具有回滯大，頻率依賴性大，材料易疲勞等問題。所以，利用其它機(jī)制材料來實(shí)現(xiàn)柵壓放大成為緊迫的重要問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種負(fù)電子壓縮率場效應(yīng)晶體管(NECFET)，以實(shí)現(xiàn)超陡亞閾值斜率器件來降低器件應(yīng)用功耗。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管。

本發(fā)明的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管包括：襯底、源區(qū)、漏區(qū)、第一常規(guī)柵介質(zhì)層、負(fù)電子壓縮率NEC柵介質(zhì)層、第二常規(guī)柵介質(zhì)層、控制柵、隔離層、柵電極、源電極和漏電極；其中，在襯底上淀積常規(guī)柵介質(zhì)材料形成第一常規(guī)柵介質(zhì)層；負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層轉(zhuǎn)移至在第一常規(guī)柵介質(zhì)層上，負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層采用負(fù)電子壓縮率材料；在負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層上電子束蒸發(fā)種籽層材料，形成種籽層，自然氧化形成介質(zhì)，在介質(zhì)上淀積常規(guī)柵介質(zhì)材料，與介質(zhì)一起形成第二常規(guī)柵介質(zhì)層；在第二常規(guī)柵介質(zhì)層上形成控制柵；第一常規(guī)柵介質(zhì)層、負(fù)電子壓縮率NEC柵介質(zhì)層、第二常規(guī)柵介質(zhì)層和控制柵構(gòu)成柵疊層；對柵疊層兩端的襯底分別進(jìn)行離子注入，分別形成源區(qū)和漏區(qū)；在源區(qū)、漏區(qū)和控制柵上淀積形成隔離層；在隔離層中形成接觸孔，在接觸孔中分別形成連接源區(qū)的源電極、連接控制柵的柵電極以及連接漏區(qū)的漏電極；第一常規(guī)柵介質(zhì)層和第二常規(guī)柵介質(zhì)層構(gòu)成常規(guī)柵介質(zhì)電容，負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層構(gòu)成NEC電容，兩個(gè)電容串聯(lián)；根據(jù)第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層以及負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層的材料，調(diào)整第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層以及負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層的厚度，使得常規(guī)柵介質(zhì)電容的電容值大于NEC電容的電容值的絕對值，從而兩個(gè)串聯(lián)電容為負(fù)值，實(shí)現(xiàn)柵控制系數(shù)小于1，同時(shí)溝道表面勢對柵壓的響應(yīng)大于1。

第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層采用常規(guī)柵介質(zhì)材料，常規(guī)柵介質(zhì)材料為高k柵介質(zhì)材料或氧化硅。負(fù)電子壓縮率材料采用石墨烯、黑磷、硫化鉬、硒化鎢、過渡金屬硫化物和強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬化合物中的一種。負(fù)電子壓縮率材料是強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)、強(qiáng)軌道耦合能系統(tǒng)或者低電子態(tài)密度系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子壓縮率<0，從而使其量子電容<0。

種籽層材料采用與第二常規(guī)柵介質(zhì)層的材料能夠兼容的金屬，如鋁、鉿或鋯。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管的制備方法。

本發(fā)明的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)采用的常規(guī)柵介質(zhì)材料和負(fù)電子壓縮率材料的介電常數(shù)和有效質(zhì)量，設(shè)計(jì)第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層以及負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層的厚度，使得常規(guī)柵介質(zhì)電容的電容值大于NEC電容的電容值的絕對值，從而兩個(gè)串聯(lián)電容為負(fù)值，實(shí)現(xiàn)柵控制系數(shù)小于1，同時(shí)溝道表面勢對柵壓的響應(yīng)大于1；

2)提供襯底；

3)生長常規(guī)柵介質(zhì)材料，形成第一常規(guī)柵介質(zhì)層；

4)提供負(fù)電子壓縮率材料的生長基底，均勻淀積負(fù)電子壓縮率材料；在上面蓋上膠，并將生長基底刻蝕掉，將帶有膠的負(fù)電子壓縮率材料泡在去膠溶液中，去除膠，得到干凈的負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層；

5)負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層轉(zhuǎn)移至第一常規(guī)柵介質(zhì)層上，退火去除殘膠和雜質(zhì)；

6)在負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層上電子束蒸發(fā)一層種籽層材料，自然氧化形成介質(zhì)，并淀積常規(guī)柵介質(zhì)材料，與種子層自然氧化后形成的介質(zhì)一起形成第二常規(guī)柵介質(zhì)層；

7)淀積柵金屬，并光刻刻蝕出控制柵的區(qū)域，形成控制柵，第一常規(guī)柵介質(zhì)層、負(fù)電子壓縮率NEC柵介質(zhì)層、第二常規(guī)柵介質(zhì)層和控制柵構(gòu)成柵疊層；

8)光刻，對柵疊層兩端的襯底分別進(jìn)行離子注入，并進(jìn)行快速高溫退火雜質(zhì)激活，分別形成源區(qū)和漏區(qū)；

9)淀積形成隔離層，光刻刻蝕形成接觸孔，并金屬化；淀積金屬，在接觸孔中分別形成連接源區(qū)的源電極、連接控制柵的柵電極以及連接漏區(qū)的漏電極。

其中，在步驟1)中，襯底材料采用絕緣體上的硅(SOI)、絕緣體上的鍺(GOI)或II-VI、III-V和IV-IV族的二元或三元化合物中的一種，如Si、Ge、SiGe和GaAs。

在步驟2)中，生長常規(guī)柵介質(zhì)材料采用常規(guī)熱氧化、摻氮熱氧化、化學(xué)氣相淀積和物理氣相淀積中的一種方法。

在步驟3)中，負(fù)電子壓縮率材料的生長基底采用銅、氧化硅和藍(lán)寶石中的一種?？刂频矸e負(fù)電子壓縮率材料的厚度為1～5nm。負(fù)電子壓縮率材料采用石墨烯、黑磷、硫化鉬、硒化鎢、過渡金屬硫化物和強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬化合物中的一種。

在步驟6)中，種籽層材料采用與第二常規(guī)柵介質(zhì)層的材料能夠兼容的金屬，如鋁、鉿或鋯。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

(1)由第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層構(gòu)成常規(guī)柵介質(zhì)電容以及負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層串聯(lián)形成的總柵介質(zhì)電容，在器件處于亞閾區(qū)時(shí)，NEC介質(zhì)層電容小于0，并通過電容值匹配，使得總柵介質(zhì)電容小于0，超常地提高溝道表面勢對柵壓變化的響應(yīng)，能夠獲得超越傳統(tǒng)MOSFET的柵壓對導(dǎo)通電流的驅(qū)動(dòng)能力，使器件獲得超陡的亞閾值斜率；

(2)特殊的夾層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)將負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層夾在其中，避免了負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層與控制柵以及溝道的直接接觸，從而有效地降低了泄露電流；

(3)負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層，通過施加的電壓改變電子云費(fèi)米面的變化，材料的電子云為強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，從電子尺度調(diào)控電子壓縮率，而非晶格尺度，所以器件的宏觀特性理論上將表現(xiàn)為無回滯，而且不受材料疲勞問題困擾；

(4)在制備第二常規(guī)柵介質(zhì)層時(shí)，先在負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層上淀積了一層種籽層，進(jìn)行初步氧化，再進(jìn)行ALD淀積，充分保護(hù)了負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層料，形成均勻的材料與界面；

(5)制備工藝簡單，與目前成熟的傳統(tǒng)MOSFET相兼容。

本發(fā)明在器件亞閾區(qū)，第一常規(guī)柵介質(zhì)層和第二常規(guī)柵介質(zhì)層構(gòu)成常規(guī)柵介質(zhì)電容，負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層構(gòu)成NEC電容，使得常規(guī)柵介質(zhì)電容的電容值大于NEC電容的電容值的絕對值，從而兩個(gè)串聯(lián)電容為負(fù)值，實(shí)現(xiàn)柵控制系數(shù)小于1，抑制了柵泄露電流，從而使柵壓對溝道表面勢有超常的控制能力使器件擁有超陡亞閾值斜率；并且，器件中NEC柵介質(zhì)層在電子尺度的變化能夠使其宏觀特性不再回滯并且無材料疲勞性，所以在降低器件功耗的基礎(chǔ)上，解決了傳統(tǒng)鐵電NCFET的問題，對于未來的低功耗集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有廣闊應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；

圖2(a)和(b)為定義器件區(qū)域的流程圖；

圖3(a)～(c)為本發(fā)明的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管的負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層的制備方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；

圖4至圖7為本發(fā)明的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管的制備方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管包括：襯底1、源區(qū)3、漏區(qū)4、第一常規(guī)柵介質(zhì)層5、負(fù)電子壓縮率NEC柵介質(zhì)層7、第二常規(guī)柵介質(zhì)層6、控制柵8、隔離層9、柵電極10、源電極11和漏電極12；其中，在襯底1上淀積常規(guī)柵介質(zhì)材料形成第一常規(guī)柵介質(zhì)層5；負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層7轉(zhuǎn)移至在第一常規(guī)柵介質(zhì)層5上，負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層7采用負(fù)電子壓縮率材料；在負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層7上電子束蒸發(fā)種籽層材料形成種籽層，自然氧化形成介質(zhì)，在介質(zhì)上淀積常規(guī)柵介質(zhì)材料，與介質(zhì)一起形成第二常規(guī)柵介質(zhì)層6；在第二常規(guī)柵介質(zhì)層6上形成控制柵8；第一常規(guī)柵介質(zhì)層5、負(fù)電子壓縮率NEC柵介質(zhì)層、第二常規(guī)柵介質(zhì)層6和控制柵8構(gòu)成柵疊層；對柵疊層兩端的襯底1分別進(jìn)行離子注入，分別形成源區(qū)3和漏區(qū)4；在源區(qū)3、漏區(qū)4和控制柵8上淀積形成隔離層9；在隔離層9中形成接觸孔，在接觸孔中分別形成連接源區(qū)3的源電極11、連接控制柵8的柵電極10以及連接漏區(qū)4的漏電極12。

在本實(shí)施例中，襯底采用體硅硅片；第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層采用Al₂O₃，厚度為1～5nm，總電容值為0.7e-3～3.5e-3F/m²；負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層采用單層石墨烯，負(fù)電容值達(dá)-1～2e-2F/m²；種籽層材料采用鋁。

本實(shí)施例的負(fù)電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層以及負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層的材料，設(shè)計(jì)第一和第二常規(guī)柵介質(zhì)層以及負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層的厚度，使得常規(guī)柵介質(zhì)電容的電容值大于NEC電容的電容值的絕對值，從而兩個(gè)串聯(lián)電容為負(fù)值，實(shí)現(xiàn)柵控制系數(shù)小于1；

2)提供襯底1，襯底采用體硅硅片，摻雜濃度為輕摻雜，隨后光刻刻蝕，不去膠淀積厚度為300nm的氧化層SiO₂為場氧區(qū)2，如圖2(a)所示，光刻剝離SiO₂，定義出器件區(qū)域，如圖2(b)所示；

3)生長常規(guī)柵介質(zhì)材料Al₂O₃，厚度為1～5nm，并控制淀積的厚度，形成第一常規(guī)柵介質(zhì)層；

4)提供負(fù)電子壓縮率材料的生長基底，采用銅箔，利用化學(xué)氣相沉積法生長大片均勻單層石墨烯；并在石墨烯上蓋上PMMA膠，如圖3(a)所示，刻蝕底部的銅箔，如圖3(b)所示，將PMMA膠連帶石墨烯泡入丙酮溶液中，直至去除PMMA膠，得到干凈的負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層，如圖3(c)所示；

5)負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層7轉(zhuǎn)移至第一常規(guī)柵介質(zhì)層5上，并在管式爐中，通氬氣，300℃退火去除殘膠，如圖4所示；

6)在負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層上電子束蒸發(fā)一層1nm的金屬鋁，自然氧化形成介質(zhì)，原子層沉積法淀積常規(guī)柵介質(zhì)材料Al₂O₃，厚度為1～5nm，與種子層自然氧化后形成的介質(zhì)一起形成第二常規(guī)柵介質(zhì)層6，如圖5所示；

7)淀積柵金屬，并光刻刻蝕定義出控制柵的圖形，形成控制柵8，第一常規(guī)柵介質(zhì)層5、負(fù)電子壓縮率柵介質(zhì)層7、第二常規(guī)柵介質(zhì)層6和控制柵8構(gòu)成柵疊層；

8)光刻，對柵疊層兩端的襯底分別進(jìn)行離子注入，并進(jìn)行快速高溫退火雜質(zhì)激活，分別形成源區(qū)3和漏區(qū)4，如圖6所示；

9)淀積形成隔離層9，光刻刻蝕形成接觸孔，并金屬化；淀積金屬，在接觸孔中分別形成連接源區(qū)的源電極11、連接控制柵的柵電極10以及連接漏區(qū)的漏電極12，如圖7所示。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。