高k柵介質MoS2場效應晶體管電性能改善研究.pdf

1、當前硅基CMOS工藝尺寸已進入10 nm節(jié)點，它的進一步縮小面臨短溝道效應等問題制約，很難再向更小尺寸發(fā)展。MoS2是一種新興二維材料，具有天然的二維層狀結構，易減薄至nm級厚度，表面無懸掛鍵，禁帶寬，短溝道效應不顯著等優(yōu)點，具有替代硅制備更小特征尺寸集成電路的能力。由于缺乏對庫侖雜質散射和界面質量等的有效改善，目前所取得的MoS2晶體管的載流子遷移率低于理論預期值；此外，目前普遍使用的微機械剝離法及電子束光刻工藝效率低，難以在未來大規(guī)

2、模工業(yè)生產中得到應用。針對以上問題，本文圍繞著提高高k柵介質-MoS2界面質量及對庫侖雜質散射的屏蔽效應進行研究，以增強器件性能，并探索適應于未來工業(yè)生產的制備工藝；在理論方面，針對高k介質屏蔽和溝道電子屏蔽建立起完整的屏蔽模型，以分析晶體管結構參數(shù)對庫侖雜質散射遷移率的影響。
　　實驗方面，首先以ALD制備的HfO2為背柵高k介質，通過400℃和500℃溫度下的 N2、O2和NH3氣氛熱退火處理，制備背柵多層MoS2晶體管，比較

3、了不同退火條件對器件界面特性和電性能的影響，確定出合適的退火溫度（400℃）和退火氣氛（NH3）。相對于非退火樣品，柵介質退火后，界面態(tài)密度Dit由5.73×1012 eV-1cm-2減小到3.02×1012 eV-1cm-2，遷移率由5.54 cm2/V·s提高到15.1 cm2/V·s。進一步地，由ALD交替淀積HfO2和TiO2制備了具有更高k值的HfTiO背柵介質，并由NH3氣退火，制備出的背柵MoS2晶體管獲得了電性能大的提升

4、，其中遷移率由退火前的9.20 cm2/V·s提高到29.4 cm2/V·s，表明NH3氣退火對高k介質層及高k-MoS2界面陷阱和缺陷具有好的鈍化效果。
　　在上述研究基礎上，進一步采用低溫ALD制備的HfO2為背柵介質并進行400℃的 NH3氣氛熱退火處理，制備出背柵薄層 MoS2晶體管，并在MoS2溝道表面淀積Y2O3/HfO2包覆層，使器件電性能獲得大幅提升，其中遷移率由19.1 cm2/V·s提高到42.1 cm2/V·

5、s，表明高k介質對MoS2的全包覆結構比單獨背柵高k結構具有更強的屏蔽庫侖雜質散射的作用。
　　最后，對熱CVD淀積MoS2薄膜工藝進行了研究，制備出6層連續(xù)均勻的MoS2薄膜，并采用常規(guī)光刻工藝，制備出頂柵薄層 MoS2晶體管；對頂柵介質-MoS2間緩沖層材料進行了優(yōu)化研究，得到合適的緩沖層材料為Ta2O5，獲得0.69 cm2/V·s的電子遷移率。
　　模型方面，針對介質/MoS2/介質的三明治結構，由鏡像電荷法求解 M

6、oS2溝道中庫侖雜質形成的電勢場解析式，并在數(shù)值計算中使用了實驗測得的高k介質層典型k值（如不同溫度下ALD制備HfO2的k值分別為20和12.86），進行Fourier變換后定義了介質屏蔽函數(shù)εk(q)來定量表征高 k介質對庫侖雜質散射的屏蔽效果。針對MoS2溝道中二維電子氣對庫侖雜質電場的感應和屏蔽作用，推導出二維溝道上廣義屏蔽函數(shù)εe(q)方程。通過綜合考慮高k介質屏蔽效應和溝道電子屏蔽效應，由費米黃金法則推導得到了MoS2背柵晶