高k柵介質(zhì)MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管電性能改善研究.pdf

1、當(dāng)前硅基CMOS工藝尺寸已進(jìn)入10 nm節(jié)點(diǎn)，它的進(jìn)一步縮小面臨短溝道效應(yīng)等問(wèn)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(jié)構(gòu)，易減薄至nm級(jí)厚度，表面無(wú)懸掛鍵，禁帶寬，短溝道效應(yīng)不顯著等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)庫(kù)侖雜質(zhì)散射和界面質(zhì)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(yù)期值；此外，目前普遍使用的微機(jī)械剝離法及電子束光刻工藝效率低，難以在未來(lái)大規(guī)

2、模工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。針對(duì)以上問(wèn)題，本文圍繞著提高高k柵介質(zhì)-MoS2界面質(zhì)量及對(duì)庫(kù)侖雜質(zhì)散射的屏蔽效應(yīng)進(jìn)行研究，以增強(qiáng)器件性能，并探索適應(yīng)于未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的制備工藝；在理論方面，針對(duì)高k介質(zhì)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)庫(kù)侖雜質(zhì)散射遷移率的影響。
　　實(shí)驗(yàn)方面，首先以ALD制備的HfO2為背柵高k介質(zhì)，通過(guò)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(duì)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(duì)于非退火樣品，柵介質(zhì)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(jìn)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(zhì)，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(duì)高k介質(zhì)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(chǔ)上，進(jìn)一步采用低溫ALD制備的HfO2為背柵介質(zhì)并進(jìn)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(zhì)對(duì)MoS2的全包覆結(jié)構(gòu)比單獨(dú)背柵高k結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的屏蔽庫(kù)侖雜質(zhì)散射的作用。
　　最后，對(duì)熱CVD淀積MoS2薄膜工藝進(jìn)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(duì)頂柵介質(zhì)-MoS2間緩沖層材料進(jìn)行了優(yōu)化研究，得到合適的緩沖層材料為T(mén)a2O5，獲得0.69 cm2/V·s的電子遷移率。
　　模型方面，針對(duì)介質(zhì)/MoS2/介質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)，由鏡像電荷法求解 M

6、oS2溝道中庫(kù)侖雜質(zhì)形成的電勢(shì)場(chǎng)解析式，并在數(shù)值計(jì)算中使用了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的高k介質(zhì)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(jìn)行Fourier變換后定義了介質(zhì)屏蔽函數(shù)εk(q)來(lái)定量表征高 k介質(zhì)對(duì)庫(kù)侖雜質(zhì)散射的屏蔽效果。針對(duì)MoS2溝道中二維電子氣對(duì)庫(kù)侖雜質(zhì)電場(chǎng)的感應(yīng)和屏蔽作用，推導(dǎo)出二維溝道上廣義屏蔽函數(shù)εe(q)方程。通過(guò)綜合考慮高k介質(zhì)屏蔽效應(yīng)和溝道電子屏蔽效應(yīng)，由費(fèi)米黃金法則推導(dǎo)得到了MoS2背柵晶