[发明专利]一种不同材料铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法

说明书

本申请涉及一种不同材料铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法。该晶体管包括：衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，其特征在于：所述负电容铁电层由第一铁电层和第二铁电层拼接而成，所述第一铁电层和所述第二铁电层的铁电材料不同，使得栅极不同材料的负电容铁电层对栅极电压放大作用呈线性放大，对栅极电压放大作用具有更好的控制能力，同时不同材料铁电层的负电容场效应晶体管在相同的栅压下具有更高的饱和区电流以及更低的亚阈值斜率，亚阈值斜率可以低于理论极限值60mV/dec，因此提升了晶体管的性能。

技术领域

本申请涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种不同材料铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法。

背景技术

摩尔定律的不断发展使得半导体器件的特征尺寸不断缩小，集成电路的功率密度也因此不断增加，芯片的工作温度越来越高，可靠性和性能大幅降低。减小晶体管亚阈值摆幅是降低集成电路电源电压和功耗的有效方法。负电容场效应晶体管(Negativecapacitance field effect transistor,NCFET)作为近年来最新型的低功耗晶体管，具有非常大的潜力。NCFET与MOSFET(金氧半场效晶体管，全称为Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,MOSFET)相比，仅将具有“负电容效应”的铁电薄膜材料叠加到传统栅氧上，在不改变传统场效应晶体管沟道输运机制的前提下，实现栅极电压的放大，可以将亚阈值斜率(Sub-threshold Swing,SS)减小到60mV/dec以下，且在电源电压VDD大幅减小的情况下不改变其驱动电流，这显著降低了集成电路的功耗，使得器件尺寸可以进一步减小，摩尔定律能够得到进一步发展。

为了改善晶体管的亚阈值特性和减小静态功耗，研究者们提出了各种措施。文献Salahuddin S,and Datta S.Use of Negative Capacitance to Provide VoltageAmplification for Low Power Nanoscale Devices[J].Nano Lett.,2008,8(2):405-410最早提出了负电容的结构。如图1所示，1是源区，2是沟道，3是漏区，4是铁电层，5是栅极金属层。该结构仅将具有“负电容效应”的铁电薄膜材料叠加到传统栅氧上，在不改变传统场效应晶体管沟道输运机制的前提下，就可以实现小于理论极限值60mV/decade的亚阈值摆幅。但是该结构相比于传统MOSFET，降低的亚阈值摆幅以及静态功耗有限，提升性能不明显。文献Jiang C,Liang R,Wang J,et al.Simulation-Based Study of NegativeCapacitance Double-Gate Junctionless Transistors with Ferroelectric GateDielectric[J].Solid-State Electronics,2016,126:130-135的双栅负电容晶体管。如图2所示，1是源区，2是沟道，3是漏区，4是绝缘层，5是悬浮栅，6是铁电层，7是金属栅极。该双栅负电容晶体管能够改善晶体管亚阈值摆幅，但是改善作用不明显。

因此，目前的负电容晶体管结构改善晶体管的亚阈值特性或减小静态功耗有限，并且不能线性地控制栅极电压的放大作用，其性能低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高晶体管的性能的不同材料铁电层的负电容场效应晶体管及制备方法。

一种不同材料铁电层的负电容场效应晶体管，所述晶体管包括衬底、埋氧化层、基于顶层形成的源区、基于顶层形成的漏区、基于顶层形成的全耗尽或部分耗尽的沟道、侧墙，以及源区漏区之间通过侧墙隔离的栅氧化层、负电容铁电层、金属层，所述负电容铁电层由第一铁电层和第二铁电层拼接而成，所述第一铁电层和所述第二铁电层的铁电材料不同。