[发明专利]一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管

说明书

本发明提出的一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管，包括依次层叠的衬底、衬底绝缘层、单层或少层石墨烯和垂直电场屏蔽结构，及第一绝缘层、二维薄膜和三个电极；厚度在亚1nm的单层或少层石墨烯作为栅极；垂直电场屏蔽结构由第二绝缘层和沉积电场阻挡层组成，或由金属层和包覆于其外的氧化层组成；垂直电场屏蔽结构用于隔绝栅极垂直方向电场以利用栅极厚度定义栅长；第一绝缘层覆盖在衬底绝缘层的顶部以及单层或少层石墨烯和垂直电场屏蔽结构同侧，并覆盖垂直电场屏蔽结构的上表面，用于产生栅极水平方向的电场；二维薄膜作为导电沟道覆盖在第一绝缘层上。本发明利用石墨烯厚度来定义栅长，可控制场效应晶体管的栅长在亚1nm范围内。

技术领域

本发明涉及场效应晶体管器件领域，尤其涉及一种具有亚1nm栅长的二维薄膜场效应晶体管。

背景技术

摩尔定律发展一直推动着微电子技术不断的进步，晶体管特征尺寸不断缩小。然而晶体管特征尺寸下降至亚10nm以下节点时，持续缩小平面体硅器件尺寸遇到了严峻的挑战，各种新结构器件应运而生，器件结构由单栅发展到双栅、多栅以及环绕栅，传统硅基沟道晶体管需要通过复杂的工艺和昂贵的设备继续延续节点的发展。

传统的平面型场效应晶体管，利用掺杂等方式完成硅基底导电沟道的掺杂，以形成金属-氧化物-掺杂半导体的结构，通过金属端电压的施加以改变掺杂半导体的电导率。这种平面型场效应晶体管，具有与传统CMOS工艺兼容的特性，但随着导电沟道长度的不断下降，金属栅极对于硅基底导电通道的控制能力不断减弱，短沟道效应显现。目前，改善或解决短沟道效应的晶体管类型主要有以下三种：鳍式场效应晶体管、全耗尽的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)场效应晶体管、环绕栅纳米线场效应晶体管。

鳍式场效应晶体管，将传统的平面型场效应晶体管的沟道由平面型转向立体型，使得栅极不仅能从顶部控制器件实现导通与断开，也能从类似于鱼鳍的两侧控制器件实现导通与断开。这种构型相比传统的平面型场效应晶体管，具有更强的栅极控制能力，可以明显改善短沟道效应，可大幅降低场效应晶体管的沟道长度，具有良好的工艺兼容性，但随着微电子技术的不断发展，10nm以下的场效应晶体管若使用此方式，则会出现设备成本代价过高等问题。

全耗尽的SOI场效应晶体管，利用氧化层将硅隔离开，使得在MOS结构中工作时，硅膜完全耗尽，不存在浮空的中性区，基本消除了浮空衬底带来的Kink效应(翘曲效应)，且由于在氧化层上的硅膜非常薄(一般为200nm～80um的硅膜)，栅极对于沟道的控制能力有了很大改善，也能较好的改善短沟道效应。但是，SOI器件的漏电流比较大，且会存在寄生的侧向双极型晶体管效应，制作较薄硅膜的SOI器件又面临成本问题。

环绕栅纳米线场效应晶体管解决短沟道效应方式类似于上述的鳍式场效应晶体管，此元件栅极围绕了整个导电沟道。根据应用的不同，环绕栅纳米线场效应晶体管可以分为2个或4个等效闸极。此类晶体管在复杂的栅极制造，纳米线和接触方面，存在许多障碍；并且，除硅材料外，还需要使用一些其他材料，如铟镓砷、锗纳米线等等，这些材料的出现都降低了于传统CMOS工艺的兼容性，大大提高了成本。

对于上述三种技术方案而言，都是体材料或二维材料场效应晶体管在光刻机精度不断发展的过程中，优化结构以提升栅极对于导电沟道的控制力，以进一步降低有效沟道长度。如何进一步降低有效沟道长度，同时不依赖于光刻机的精度，成为了目前研究的重点。

此外，二维材料由于其本身原子层厚度，是天然良好的超薄体，能够有效的抑制短沟道效应。在近年来的研究过程中，二维材料多方面都具有着优于传统硅基材料的特性，在成为下一代CMOS工艺中主流材料的候选材料中具有着明显的优势。近年来，对于二维材料制备的晶体管进行了极广范围的基础性研究，然而，如何通过二维材料其本身原子层的厚度，以制备有效栅长极窄的晶体管，仍是目前研究亟待解决的问题。