基于全耗尽复合沟道结构的场效应晶体管及其制备方法

本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种全耗尽复合沟道结构的碳纳米管和氧化物半导体复合沟道晶体管的构筑及其制备方法。

背景技术：

1、碳纳米管作为准一维半导体材料，有极佳的抑制短沟道效应的能力，较大的饱和速度与强场平均自由程，使得碳纳米管器件能在较低电压获得足够的驱动。然而碳纳米管器件的关态一般比较差，导致碳纳米管器件的工作时能耗比较高。

2、宽禁带氧化物具有较大的带隙，同时具有可见光透明、制备工艺温度低等优点。氧化物中的原本为高电导率的简并半导体，费米能级钉扎在导带底部，导致体内载流子浓度无法被栅极有效控制。但超薄的氧化物中载流子主要由未成键的金属离子提供，氧空位的存在说明金属离子与氧离子的化学键断开，金属离子未成键的电子成为可输运的自由载流子。通过降低氧空位浓度，即可有效降低载流子浓度，将氧化物从金属态转变为半导体态，并获得良好的电子输运能力。

3、因此，可通过制备全耗尽复合沟道，即超薄宽禁带氧化物半导体与碳纳米管半导体沟道异质结沟道，来提升器件开关比，同时希望获得更好的饱和特性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种全耗尽复合沟道的场效应晶体管及其制备方法，旨在优化碳纳米管器件的关态性能，为后硅基时代的低功耗器件提供新技术路径。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种复合沟道场效应晶体管，包括衬底和在衬底上由下到上依次设置的背栅电极、背栅介质层、底层半导体沟道、顶层半导体沟道、源漏接触电极，其特征在于，所述底层半导体沟道为宽禁带氧化物，所述顶层半导体沟道为碳纳米管，二者紧密贴合组成全耗尽复合沟道。

4、在本发明的复合沟道场效应晶体管中，所述衬底可为硅片、蓝宝石、云母等刚性衬底，也可以是历经前端制程(feol)的逻辑或者存储器芯片。

5、所述背栅电极可为氮化钛、氮化钽、钨、铝、钛、镍、铜等导电性良好的金属性材料，优选为低功函数金属，例如镍、钛等金属，可通过物理气相沉积、磁控溅射、原子层沉积等方式生长薄膜，再通过刻蚀、剥离等工艺实现图案化。

6、在本发明的复合沟道场效应晶体管中，上下两层沟道材料的一种为氧化物半导体，其厚度为1～10纳米，包括但不限于ito、igzo、izo、in2o3、zno等具有宽禁带的氧化物材料，氧化物通过磁控溅射、原子层沉积、分子束外延等方法生长；另一种沟道材料为碳纳米管，厚度为1～5纳米，为碳纳米管网络或阵列管状，碳纳米管通过电弧放电法等方法生长后从其生长基底上转移到氧化物半导体沟道上，碳纳米管的转移通过转移工艺实现。

7、所述背栅介质层存在于下层沟道界面，介质材料包括但不限于氧化硅(sio2)、氮化硅(sinx)、氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、氧化锆(zro2)、氧化镧(la2o3)、氧化钇(y2o3)等材料，可通过原子层沉积、物理气相沉积、磁控溅射等工艺方法实现。优选的，背栅介质层的厚度为1～300纳米。

8、源漏电极与顶层半导体沟道材料形成接触，电极材料可为氮化钛、氮化钽、钨、铝、钛、铜等低电阻率金属性材料，其中顶层半导体沟道的欧姆接触电极优选低功函数金属性材料，可通过物理气相沉积、磁控溅射、原子层沉积等方式实现生长，再通过刻蚀、剥离等工艺实现图案化。

9、本发明的复合沟道场效应晶体管的制备工艺步骤如下：

10、1)在衬底上制备背栅电极；

11、2)在背栅电极上沉积绝缘介质，得到背栅介质层；

12、3)在背栅介质层上生长宽禁带氧化物半导体薄膜，然后刻蚀形成底层半导体沟道；

13、4)将碳纳米管转移到底层半导体沟道上，形成顶层半导体沟道；

14、5)在顶层半导体沟道上制备源漏接触电极。

15、在本发明的一些实施方式中，上述步骤2)优选采用原子层沉积(ald)的方法沉积绝缘介质；步骤3)中采用电子束曝光(ebl)定义沟道区域，通过磁控溅射等方法生长复合沟道的底层氧化物沟道材料，采用剥离工艺得到底层半导体沟道；在步骤4)采用湿法刻蚀工艺，将硅片上提拉的碳纳米管转移至所述底层半导体沟道上面，而后采用ebl、等离子体工艺刻蚀碳纳米管定义出有源区；去除多余的碳纳米管后，步骤5)制备低功函数源漏接触电极。

16、本发明通过超薄宽禁带氧化物与碳纳米管组成的异质结沟道，大幅提升长短沟道下的开关比；在开态且漏端电压较大时，通过内建电场可使得沟道横向电场保持缓慢增长，以获得更好的饱和特性，实现射频器件的性能提升。本发明对碳纳米管沟道用于逻辑、射频器件实现了技术推动。

技术特征：

1.一种复合沟道场效应晶体管，包括衬底和在衬底上由下到上依次设置的背栅电极、背栅介质层、底层半导体沟道、顶层半导体沟道、源漏接触电极，其特征在于，所述底层半导体沟道为宽禁带氧化物，所述顶层半导体沟道为碳纳米管，二者紧密贴合组成全耗尽复合沟道。

2.如权利要求1所述的复合沟道场效应晶体管，其特征在于，所述底层半导体沟道厚度为1～10纳米。

3.如权利要求1所述的复合沟道场效应晶体管，其特征在于，所述顶层半导体沟道为碳纳米管网络或碳纳米管组成的阵列，厚度为1～5nm。

4.如权利要求1所述的复合沟道场效应晶体管，其特征在于，形成底层半导体沟道的宽禁带氧化物选自ito、igzo、izo、in2o3和zno。

5.如权利要求1所述的复合沟道场效应晶体管，其特征在于，所述背栅介质层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化镧、氧化钇。

6.如权利要求1所述的复合沟道场效应晶体管，其特征在于，所述源漏接触电极为低功函数金属性材料，与顶层半导体沟道形成欧姆接触。

7.权利要求1～6任一所述的复合沟道场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3)在背栅介质层上通过磁控溅射、原子层沉积或分子束外延的方法生长宽禁带氧化物半导体薄膜。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)将碳纳米管从其生长基底上通过转移工艺转移到底层半导体沟道上。

技术总结
本发明公开了一种基于全耗尽复合沟道结构的场效应晶体管及其制备方法，属于半导体技术领域。所述全耗尽复合沟道是由超薄宽禁带氧化物半导体沟道与碳纳米管沟道组成的异质结沟道，可大幅提升碳纳米管短沟道下的开关比，在开态且漏端电压较大时，通过内建电场可使得碳纳米管沟道横向电场保持缓慢增长，以获得更好的饱和特性，实现射频器件的性能提升。本发明的提出对碳纳米管沟道用于逻辑、射频器件实现了技术推动。

技术研发人员：吴燕庆,肖建坤,熊雄
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22