一种新型鳍式场效应晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于晶体管领域，尤其涉及具有高介电常数电介质的新型鳍式场效应晶体管。
【背景技术】
[0002]现有的集成电路基本都是基于传统的平面型晶体管结构，所谓的平面型晶体管是指金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)的源极、漏极、栅极和沟道的横截面处于同一平面上的晶体管。虽然平面型晶体管技术发展至今已经相当的成熟，成本也日趋低廉，但随着半导体器件特征尺寸按摩尔定律等比缩小，芯片集成度不断提高，漏电流和短沟效应对性能影响严重，尤其是特征尺寸的缩小导致沟道效应显著增大，导致器件关态电流急剧增加。尽管提高掺杂浓度可以在一定程度上抑制短沟道效应，然而高掺杂沟道会增大散射，使载流子迀移率下降。为克服特征尺寸缩小带来的负面效应，研究人员开发出了很多能够改善传统晶体管性能的技术，但特征尺寸减小到32nm以后，这些技术也开始面临难题。所以，传统平面型晶体管所面临的问题越来越难解决。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种新型鳍式场效应晶体管，旨在解决随半导体器件特征尺寸减小，漏电流和短沟效应对性能影响严重这一系列问题。
[0004]本实用新型是这样实现的，一种新型鳍式场效应晶体管，包括衬底以及位于衬底上的鳍式结构，所述鳍式结构由下至上依次包括:
[0005]覆盖于所述衬底上具备高介电常数的第一绝缘层，所述第一绝缘层的中部向上延伸出一鳍状凸起；
[0006]覆盖于所述第一绝缘层上的有源层，所述有源层具有用于包裹所述鳍状凸起的第一包裹部；
[0007]覆盖于所述有源层上的第二绝缘层，所述第二绝缘层具有用于包裹所述第一包裹部的第二包裹部；
[0008]形成于所述第二绝缘层的第二包裹部两侧的漏极和源极；
[0009]覆盖于所述第二绝缘层上用于包裹所述第二包裹部的栅极。
[0010]进一步地，所述有源层的材质为硫化钼。
[0011]进一步地，所述有源层的材质为硫化钨。
[0012]进一步地，所述有源层的材质为黑磷。
[0013]进一步地，所述第一绝缘层的材质为二氧化铪。
[0014]进一步地，所述第二绝缘层的材质为二氧化铪。
[0015]进一步地，所述第一包裹部、第二包裹部、栅极均呈倒U状。
[0016]本实用新型与现有技术相比，有益效果在于:本实用新型由于其鳍形结构增大了栅极对沟道的控制范围，有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，可以提高场效应晶体管的电学性能，如优异的迀移率，极低的漏电流，而且提供的鳍形结构增大了栅极对沟道的控制范围，用于电流控制，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迀移率。进一步地，硫化钼二维材料存在一个可调控的能带带隙且电学性能优秀，使用硫化钼(MoS2)作为有源层，由于MoS2 二维材料独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带带隙，与传统半导体器件相比具备更加优秀的性能;使用高介电常数电介质材料作为绝缘层，能器件使漏电量降低10倍以上并减少器件的耗电和发热，使器件的尺寸进一步大大缩小，其鳍状绝缘层厚度可减少到5nm以下，使用高介电常数电介质材料作为绝缘层，具备良好的绝缘属性，可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应，同时与Si有良好的热稳定性，能够减少泄漏电流，有大的带隙和高的势皇高度，以降低隧穿电流。
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型实施例提供的一种新型鳍式场效应晶体管的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0019]鳍式场效晶体管(FinFET)，是一种新结构的互补式金属氧化物半导体晶体管。在FinFET的架构中，栅门呈类似鱼鳍的叉状3D结构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种鳍形结构增大了栅极对沟道的控制范围，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应。也正由于该特性，FinFET无需高掺杂沟道，因此能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迀移率。FinFET不仅有效缓解了短沟道效应，而且由于其鳍式的垂直结构，使晶体管更加紧密地连接在一起，因此在相同面积的基板上FinFET晶体管密度较平面结构提高，在晶体管密度增加的同时其性能也得到了相应改善。
[°02°]另外，硫化钼(MoS2) 二维材料是典型的过渡金属硫化物，属于二维纳米结构体系。硫化钼二维材料在结构和性能上类似于石墨稀，但与石墨稀不同，硫化钼二维材料不仅具有丰富的电学性能，同时还存在一个可调控的能带带隙。块状晶体MoS2的带隙为1.2eV，其电子跃迀方式间接跃迀；当MoS2的厚度是单层的时候，由于量子效应的存在，导致了其带隙的扩大，因而单层MoS2的带隙可以达到1.8eV，且其电子跃迀方式转变为直接跃迀。并且可以实现对薄膜单层或多层的准确控制。因此，MoS2 二维材料独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带隙使其在电子器件领域比石墨烯更具有应用潜力，它将是一种在电学、光学、半导体领域具有十分重要应用前景的二维纳米材料。并且凭借其纳米尺寸的层状结构，使得制造更小规格、更高能效半导体芯片成为可能，使其在纳米电子元器件领域被广泛应用。
[0021]基于上述原因，本实用新型提供了如图1所示的一种新型鳍式场效应晶体管，包括衬底1以及位于衬底1上的鳍式结构，所述鳍式结构由下至上依次包括:覆盖于衬底1上具备高介电常数的第一绝缘层2，第一绝缘层2的中部向上延伸出一鳍状凸起;覆盖于第一绝缘层2上的有源层3，有源层3具有用于包裹所述鳍状凸起的第一包裹部;覆盖于有源层3上的第二绝缘层4，第二绝缘层4具有用于包裹所述第一包裹部的第二包裹部;形成于第二绝缘层4的第二包裹部两侧的漏极和源极;覆盖于第二绝缘层4上用于包裹所述第二包裹部的栅极5。在本实施例中，衬底1为硅层。
[0022]本实用新型提及的一种新型鳍式场效应晶体管，其为具有鳍式结构高介电常数电介质的硫化钼薄膜场效应晶体管，其结构示意图如图1所示。本实用新型主要有两个重大创新点。第一、本实用新型中鳍式场效晶体管(FinFET)使用二维薄膜硫化钼(MoS2)作为有源层3，由于MoS2二维材料独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带带隙，与传统半导体器件相比具备更加优秀的性能。第二、本实用新型中使用高介电常数电介质材料(high-k电介质材料)二氧化铪(Η??2)作为第一绝缘层2和第二绝缘层4，且其形状为鳍状。所谓high-k电介质材料，是一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。它具备良好的绝缘属性，可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应，同时与硅有良好的热稳定性，能够减少泄漏电流，有大的带隙和高的势皇高度，以降低隧穿电流。使用high-k电介质材料Hf02作为绝缘层取代沿用至今已超过40年的二氧化硅，能器件使漏电量降低10倍以上并减少器件的耗电和发热，使器件的尺寸进一步大大缩小，其鳍状绝缘层厚度可减少到5nm以下。由于本实用新型中，第二绝缘层4紧贴使用MoS2作为有源层3的侧壁和底部，并且栅极紧贴第二绝缘层3的侧壁和顶部。这种鳍形结构增大了栅极对沟道的控制范围，用于电流控制，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迀移率。
[0023]具有鳍式结构高介电常数电介质的硫化钼薄膜场效应晶体管中high-k电介质材料除Hf02作为绝缘层外，其他具有高介电常数的材料也能运用于此，如氮化物Si3N4、Si0N等，金属氧化物Ti02、A1203、HfA10、Zr02、LaA103等。而有源层除了 MoS2，其他二维材料也可以使用，包括黑磷、WS2等。
[0024]本实用新型可用于制备特征尺寸小、电学性能优越的场效应晶体管，其场效应晶体管可以广泛应用在处理器以及其他集成电路的制备。
[0025]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种新型鳍式场效应晶体管，包括衬底以及位于衬底上的鳍式结构，其特征在于，所述鳍式结构由下至上依次包括: 覆盖于所述衬底上具备高介电常数的第一绝缘层，所述第一绝缘层的中部向上延伸出一鳍状凸起； 覆盖于所述第一绝缘层上的有源层，所述有源层具有用于包裹所述鳍状凸起的第一包裹部； 覆盖于所述有源层上的第二绝缘层，所述第二绝缘层具有用于包裹所述第一包裹部的第二包裹部； 形成于所述第二绝缘层的第二包裹部两侧的漏极和源极； 覆盖于所述第二绝缘层上用于包裹所述第二包裹部的栅极。2.如权利要求1所述的新型鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述有源层的材质为硫化钼。3.如权利要求1所述的新型鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述有源层的材质为硫化钨。4.如权利要求1所述的新型鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述有源层的材质为黑磷。5.如权利要求1所述的新型鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层的材质为二氧化給。6.如权利要求1所述的新型鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述第二绝缘层的材质为二氧化給。7.如权利要求1所述的新型鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述第一包裹部、第二包裹部、栅极均呈倒U状。
【专利摘要】本实用新型适用于晶体管，提供了一种新型鳍式场效应晶体管，包括衬底以及鳍式结构，鳍式结构由下至上依次包括：覆盖于衬底上具备高介电常数的第一绝缘层，其中部向上延伸出一鳍状凸起；覆盖于第一绝缘层上的有源层，其具有用于包裹鳍状凸起的第一包裹部；覆盖于有源层上的第二绝缘层，其具有第二包裹部；形成于第二绝缘层的第二包裹部两侧的漏极和源极；覆盖于第二绝缘层上用于包裹第二包裹部的栅极。本实用新型可以提高场效应晶体管的电学性能，如优异的迁移率，极低的漏电流，而且提供的鳍形结构增大了栅极对沟道的控制范围，用于电流控制，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迁移率。
【IPC分类】H01L29/78, H01L29/06
【公开号】CN205140989
【申请号】CN201520915736
【发明人】刘新科, 何佳铸, 刘强, 俞文杰, 吕有明, 韩舜, 曹培江, 柳文军, 曾玉祥, 贾芳, 朱德亮
【申请人】深圳大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月17日