具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體技術領域，尤其涉及一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管。
【背景技術】
[0002]數十年來，CMOS集成電路的器件尺寸一直按照摩爾定律在縮小，隨著應變硅、高介電常數電介質(High-K)、鰭狀結構薄膜晶體管(FinFet)等技術的相繼應用，目前器件尺寸成功縮小到了 14nmο但由于體材料半導體不可避免的體效應，預計在5nm節點，體材料器件的進一步小型化將遇到難以克服的瓶頸。然而隨著石墨烯、MoS2、MoSe2等薄膜半導體的發現，器件尺寸有望進一步縮小。由于薄膜半導體可以全耗盡且克服了短溝道效應，以MoS2為例，預計其最小溝道長度可達到2nm，強有力地支持摩爾定律的進一步發展。
[0003]MoS2薄膜器件主要具有以下三個優點:1.與傳統硅材料器件相比，可獲得更小的器件特征尺寸以及更大的集成密度;2.器件開關電流比可達到108，具有較低的漏電功耗；3.可低成本制備出大面積連續MoS2薄膜(如通過CVD生長)。
[0004]但目前所制得的MoS2薄膜場效應晶體管的電學特性仍不盡如人意，其缺陷主要表現在三個方面:l.MoS2薄膜的最高迀移率約為500cm2/V.S，但暴露在常溫、空氣環境中的MoS2薄膜載流子散射嚴重，迀移率約為0?10cm2/V.S，低于常規的硅材料器件;2.未經過優化處理的MoS2薄膜器件的亞閾值擺幅較大，開關態轉換緩慢，限制了器件的響應速度，而且開關動作功耗較大;3.MoS2薄膜器件溝道開啟較早，通常為耗盡型器件，需要施加負的柵極電壓來保持其關斷狀態，引入了不必要的功耗。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，在作為溝道的二硫化鉬薄膜層中引入拉伸應力。本實用新型是這樣實現的:
[0006]—種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，包括襯底、沉積在所述襯底上的絕緣層、沉積在所述絕緣層上的作為溝道的二硫化鉬薄膜層、分別沉積在所述二硫化鉬薄膜層上的源極和漏極、沉積在所述二硫化鉬薄膜層上的介質層、沉積在所述介質層上的柵極;所述柵極的表面鍍有應力材料層，所述應力材料層與所述介質層緊密結合。
[0007]進一步地，所述絕緣層為凸字形，從而使所述二硫化鉬薄膜層形成一個拱起;所述介質層還沉積在所述源極和漏極上。
[0008]進一步地，所述拱起位于所述柵極的正下方。
[0009]進一步地，所述介質層為高電介質層。
[0010]進一步地，所述高電介質層為二氧化鉿、氧化鋁或氧化鑭镥。
[0011]進一步地，所述應力材料層為類金剛石。
[0012]進一步地，所述類金剛石為氮化硅。
[0013]進一步地，所述柵極為氮化鈦;所述源極及漏極均為鈦金電極;所述鈦金電極中的鈦與所述二硫化鉬薄膜接觸。
[0014]與現有技術相比，本實用新型在柵極表面鍍應力材料層，該應力材料層的應力效應通過柵極和介質層傳導到二硫化鉬薄膜層，從而在作為溝道的二硫化鉬薄膜層中引入拉伸應力，使二硫化鉬薄膜層的載流子有效質量降低、晶格散射減弱，從而提高了N型載流子迀移率。本實用新型中的應力結構將有效改善場效應晶體管的性能，增大場效應晶體管的驅動電流。
【附圖說明】
[0015]圖1:本實用新型提供的一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管結構示意圖；
[0016]圖2:本實用新型提供的另一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。
[0018]如圖1所示，本實用新型提供了一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管。該場效應晶體管包括襯底1、沉積在襯底1上絕緣層2、沉積在絕緣層2上的二硫化鉬薄膜層
3、分別沉積在二硫化鉬薄膜層3上的源極4和漏極5、沉積在二硫化鉬薄膜層3上的介質層7、沉積在介質層7上的柵極6。二硫化鉬薄膜層3作為溝道。與普通的薄膜場效應晶體管所不同的是，在本實用新型的場效應晶體管中，柵極6的表面還鍍有應力材料層8，應力材料層8與介質層7緊密結合。應力材料層可采用氮化硅等類金剛石材料。類金剛石材料本身的拉伸應力在l-2GPa的范圍，通過鍍膜技術在柵極6表面沉積一層厚度在30-50nm的均勻類金剛石薄膜，并保證類金剛石薄膜和其下面的介質層7有很好的粘合性。類金剛石薄膜本身的拉伸應力可通過柵極6和介質層7傳導至二硫化鉬(M0S2)薄膜層3，從而在二硫化鉬薄膜層3中引入拉伸應力，使二硫化鉬薄膜層3的載流子有效質量降低、晶格散射減弱，從而提高了N型載流子迀移率。應力材料層8有望改善場效應晶體管的性能，增大其驅動電流。介質層7可采用二氧化鉿、氧化鋁、或氧化鑭镥等高電介質材料，高電介質材料具有較小的有效柵氧厚度和較大的電容面密度，可使柵極6對溝道起到更好的控制作用，還可以對二硫化鉬薄膜起到較好的掩蔽作用，減少二硫化鉬的表面吸附，抑制載流子散射。采用高電介質層將有效改善場效應晶體管的亞閾區特性，使MoS2薄膜的迀移率獲得較大提升，而應力的引入將進一步提高Mo&薄膜的迀移率，兩者將共同提高場效應晶體管的驅動電流。柵極6為氮化鈦，源極4及漏極5均采用鈦金電極，鈦金電極中的鈦與二硫化鉬薄膜層接觸，即在二硫化鉬薄膜層上生長一定厚度的鈦金屬，再在鈦金屬上生長一定厚度的金金屬。金屬鈦和M0S2薄膜可以形成良好的歐姆接觸并具有較小的接觸電阻。可采用原子層氣相沉積、磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、過濾陰極真空電弧等方法制備應力材料層8。
[0019]在圖1所示的結構中，二硫化鉬薄膜層3在受到拉伸應力的同時，在二硫化鉬薄膜層3內部也會產生壓縮應力。將壓縮應力去除，有助于更好地提升二硫化鉬薄膜層3的迀移率。因此，可將絕緣層2設計為如圖2所示的凸字形，由于絕緣層2上的凸起，二硫化鉬薄膜層3將形成一個拱起。使該拱起的高度高于源極4和漏極5的高度，且位于柵極6的正下方，介質層7在沉積在二硫化鉬薄膜層3上的同時，還沉積在源極4和漏極5上。這種結構中，由于二硫化鉬薄膜層3中作為溝道區的拱起與其他區域不在同一水平上，因此，在應力材料層8通過柵極6和介質層7向該拱起施加拉伸應力的同時，化鉬薄膜層3中的其他區域，尤其是處于源極4和漏極5的兩側及下方的區域將不會受到明顯的壓縮應力，從而減少了二硫化鉬薄膜層3可能受到的壓縮應力，提升了二硫化鉬薄膜層3的迀移率。
[0020]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，包括襯底、沉積在所述襯底上的絕緣層、沉積在所述絕緣層上的作為溝道的二硫化鉬薄膜層、分別沉積在所述二硫化鉬薄膜層上的源極和漏極、沉積在所述二硫化鉬薄膜層上的介質層、沉積在所述介質層上的柵極；其特征在于，所述柵極的表面鍍有應力材料層，所述應力材料層與所述介質層緊密結入口 Ο2.如權利要求1所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述絕緣層為凸字形，從而使所述二硫化鉬薄膜層形成一個拱起;所述介質層還沉積在所述源極和漏極上。3.如權利要求2所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述拱起位于所述柵極的正下方。4.如權利要求1所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述介質層為高電介質層。5.如權利要求4所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述高電介質層為二氧化鉿、氧化鋁或氧化鑭镥。6.如權利要求1所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述應力材料層為類金剛石。7.如權利要求6所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述類金剛石為氮化硅。8.如權利要求1所述的具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管，其特征在于，所述柵極為氮化鈦;所述源極及漏極均為鈦金電極;所述鈦金電極中的鈦與所述二硫化鉬薄膜接觸。
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有應力結構的二硫化鉬薄膜場效應晶體管。該場效應晶體管包括襯底、沉積在所述襯底上的絕緣層、沉積在所述絕緣層上的作為溝道的二硫化鉬薄膜層、分別沉積在所述二硫化鉬薄膜層上的源極和漏極、沉積在所述二硫化鉬薄膜層上的介質層、沉積在所述介質層上的柵極；其特征在于，所述柵極的表面鍍有應力材料層，所述應力材料層與所述介質層緊密結合。應力材料層的應力效應通過柵極和介質層傳導到二硫化鉬薄膜層,從而在作為溝道的二硫化鉬薄膜層中引入拉伸應力，使二硫化鉬薄膜層的載流子有效質量降低、晶格散射減弱，從而提高了N型載流子遷移率。本實用新型中的應力結構將有效改善場效應晶體管的性能，增大場效應晶體管的驅動電流。
【IPC分類】H01L29/786
【公開號】CN205140990
【申請號】CN201520729820
【發明人】劉新科, 劉強, 何佳鑄, 俞文杰, 韓舜, 曹培江, 柳文軍, 曾玉祥, 賈芳, 朱德亮, 呂有明
【申請人】深圳大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年9月18日