一种超短沟道二维场效应晶体管

本发明属于晶体管，尤其涉及一种超短(亚5纳米)沟道二维场效应晶体管。

背景技术：

1、在人工智能迅猛发展的当下，对计算机算力的渴求日益加剧，这一趋势直接推动了芯片设计以及制造领域的深刻变革。具体而言，芯片上器件的密度不断攀升、器件的物理尺寸持续微缩。这种高密度、低功耗、高速度的芯片设计已成为当前及未来技术演进的主导趋势。然而，硅基器件的尺寸缩减并非没有边界。随着器件尺寸的减小，短沟道效应逐渐显现，它导致器件失去栅控能力，进而引发性能衰退。在这种背景下，评估短沟道效应的自然长度λ成为了衡量硅基器件性能极限的关键参数。λ的数学表达式为其中tch、εch、tox和εox分别代表沟道材料和栅氧材料的厚度及介电常数，而n则代表栅极与沟道接触面的数量。较小的λ意味着短沟道效应对器件性能的影响较小，因此，确保沟道长度小于或等于自然长度λ成为了业界追求的目标。

2、为实现这一目标，研究者们投入了大量精力，致力于开发具有高介电常数、薄材料厚度和多栅极数量的器件。这一努力推动了硅基器件从fintfet到gaa，再到cfet的技术演进，并不断探索使用更薄的nanosheet和nanowire等新型结构。然而，值得注意的是，当硅材料的厚度降低至亚10纳米尺度时，材料缺陷和表面悬挂键等问题将显著影响器件性能，使得进一步缩小硅基器件尺寸面临极大的挑战。因此，在亚10纳米尺度下实现高性能硅基器件的前景仍显得较为渺茫。

3、半导体过渡金属二硫族化合物(tmds)为代表的二维材料由于其原子级厚度的特性让其自然长度λ可以达到1纳米，可以很好的抵制短沟道效应，并且无表面悬挂键、载流子被限制在二维空间中让它有着很高的迁移率，同时部分二维材料有着比硅材料更大带隙、更大的电子有效质量，因此可以实现超尺度器件的小隧穿电流。因此在后摩尔时代的发展中，二维材料成为了十分有前景的材料。到目前为止，大量的基于二维场效应晶体管的理论研究已经被实现，证明了二维场效应晶体管在沟道长度亚10纳米尺寸上有着比传统硅基场效应晶体管更出色的免疫短沟道效应的特性，有着更加优异的性能，因此二维场效应集体管有助于推进后摩尔时代下集成电路的高速发展。然而，将亚10纳米沟道长度的二维场效应晶体管的理论构想转化为实际可行的制造技术，进而成功制造出高性能器件，这一过程充满了极大的挑战。不仅如此，目前该领域的研究还相对有限，许多技术难题亟待攻克。因此，在后摩尔时代，亚10纳米沟道二维场效应晶体管的制造工艺无疑值得我们进行更为深入、细致的研究与探讨，以推动这一领域的技术进步和应用拓展。

4、然而，传统的光刻技术根据瑞利判据受着数值孔径和光波长限制而不能做到亚5纳米尺寸的沟道图形，而一些先进的光刻技术如极紫外(euv)光刻、纳米压印光刻、带电粒子束光刻等自顶向下光刻以及嵌段共聚物(bcp)的定向自组装(dsa)这样的自底向上光刻也很难做到亚5纳米的沟道图形化，并且制造成本高昂，无法做到大规模制造。同时，一些新颖的器件结构如沟道为垂直方向的垂直沟道二维场效应晶体管可以利用隔离层薄膜的原子级厚度做到亚5纳米的沟道长度，但是器件制备工艺复杂、成本高昂、器件性能差。还有一些通过晶界加宽、应力释放、碳纳米管做掩膜等技术获得亚5纳米的纳米缝隙，但是复杂的制备工艺、不能大规模制备让他们不能被人们接受。综上所述，能够真正制备出亚5纳米的二维场效应晶体管是十分困难的，而稳定、低成本的大规模制备更是难上加难。

5、金属铝电极可以在空气中自身氧化，产生均匀、厚度可控的氧化铝薄膜，将其用作隔离源极和漏极金属的材料，可以实现氧化铝薄膜厚度定义的亚10纳米长度沟道的图形化，这是一种稳定、低成本、可大规模制备二维场效应晶体管的工艺，但是由于铝金属电极的自身氧化无法控制到氧化铝薄膜厚度小于5纳米，因此基于铝电极的自身氧化来实现亚5纳米沟道二维场效应晶体管是无法做到的。并且随着隔离源漏极的氧化铝薄膜厚度达到亚10纳米的时候，隔离效果很差，因此会有巨大的遂穿漏电流穿过氧化铝隔离薄膜，进而导致器件有巨大的关断电流，降低器件的开关比，影响器件的亚阈值性能，导致器件无法关断而失效。

6、亚5纳米沟道图形化是制造亚5纳米沟道二维场效应晶体管的难点，传统的光刻技术根据瑞利判据受着数值孔径和光波长限制而不能做到亚5纳米尺寸的沟道图形，而一些先进的光刻技术如极紫外(euv)光刻、纳米压印光刻、带电粒子束光刻等自顶向下光刻以及嵌段共聚物(bcp)的定向自组装(dsa)这样的自底向上光刻也很难做到亚5纳米的沟道图形化，并且制造成本高昂，无法做到大规模制造。同时，一些新颖的器件结构如沟道为垂直方向的垂直沟道二维场效应晶体管可以利用隔离层薄膜的原子级厚度做到亚5纳米的沟道长度，但是器件制备工艺复杂、成本高昂、器件性能差。还有一些通过晶界加宽、应力释放、碳纳米管做掩膜等技术获得亚5纳米的纳米缝隙，但是制造工艺复杂、制造成本高、不能大规模制备限制了他们的应用。综上所述，能够真正制备出亚5纳米沟道的二维场效应晶体管是十分困难的，而稳定、低成本的大规模制备更是需要一种先进的工艺来实现。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种超短沟道二维场效应晶体管，利用金铝双层合金用作第一电极来稳定、可靠、低成本以及大规模制备具有亚5纳米沟道的二维场效应晶体管，并且制备的晶体管具有低遂穿漏电流以及低电极电阻的特性。

2、本发明是这样实现的，一种超短沟道二维场效应晶体管，包括衬底、栅极、栅介质、二维沟道，所述二维沟道的上表面或下表面分别与第一电极和第二电极相接触；所述第一电极采用金铝双层合金，所述第一电极与第二电极间采用第一电极自氧化层间隔。所述金铝双层合金采用不同原子比的上层合金和下层合金。所述第一电极的靠近二维沟道所在层合金自氧化的自氧化层厚度为亚5纳米。

3、作为优选，远离二维沟道所在层合金中au和al的原子比为(0.05-0.3)：1，靠近二维沟道所在层合金中au和al的原子比为(0.5-2)：1。所述金铝双层合金中，远离二维沟道所在层合金的高度大于靠近二维沟道所在层合金。所述金铝双层合金中，远离二维沟道所在层合金的外周两侧自氧化层厚度和高度均大于靠近二维沟道所在层合金的外周两侧自氧化层。

4、作为优选，所述二维沟道选用具有半导体特性，且其与第一电极界面无法产生自氧化层的二维薄膜。

5、作为优选，所述第二电极的材料选自金属、导电非金属、掺杂半导体或柔性电极材料。

6、作为优选，若晶体管中栅极为埋栅或底栅类型，则衬底、栅极、栅介质、二维沟道为从下至上的堆叠结构，第一电极和第二电极位于所述二维沟道的上表面，且所述第一电极的上表面和外周两侧均设有第一电极的自氧化层，所述第二电极的厚度等于第一电极和第一电极上表面自氧化层厚度之和。

7、作为优选，若晶体管中栅极为顶栅类型，则衬底、二维沟道、栅介质、栅极为从下至上结构，第一电极和第二电极位于所述二维沟道和衬底间，且所述第一电极的外周两侧均设有第一电极的自氧化层，所述第一电极、第二电极的厚度相等。

8、针对已有的基于金属铝自氧化产生的氧化铝薄膜无法做到亚5纳米的技术障碍，本发明通过采用金铝双层合金分层自氧化的方式实现了亚5纳米厚度的均匀自氧化层，并将亚5纳米厚度的自氧化层用作隔离材料，实现第一电极和第二电极的自对准隔离，进而实现由第一电极自氧化层厚度定义的亚5纳米沟道长度。同时，本发明采用的工艺与当下晶圆级大规模生产器件的工艺相兼容，也实现了亚5纳米沟道长度二维场效应晶体管低成本、大规模的制备。

技术特征：

1.一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于包括衬底、栅极、栅介质、二维沟道，所述二维沟道的表面分别与第一电极和第二电极相接触；所述第一电极采用金铝双层合金，所述第一电极与第二电极间采用第一电极自氧化层间隔；所述金铝双层合金采用不同原子比的上层合金和下层合金；所述第一电极的靠近二维沟道所在层合金自氧化的自氧化层厚度为亚5纳米。

2.根据权利要求1所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于所述金铝双层合金中，远离二维沟道所在层合金中au和al的原子比为(0.05-0.3)：1，靠近二维沟道所在层合金中au和al的原子比为(0.5-2)：1。

3.根据权利要求2所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于所述金铝双层合金中，远离二维沟道所在层合金的高度大于靠近二维沟道所在层合金。

4.根据权利要求3所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于所述金铝双层合金中，远离二维沟道所在层合金的外周两侧自氧化层厚度和高度均大于靠近二维沟道所在层合金的外周两侧自氧化层。

5.根据权利要求1所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于所述二维沟道选用具有半导体特性，且其与第一电极界面无法产生自氧化层的二维薄膜。

6.根据权利要求1所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于，所述第二电极的材料选自金属、导电非金属、掺杂半导体或柔性电极材料。

7.根据权利要求1所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于若晶体管中栅极为埋栅或底栅类型，则衬底、栅极、栅介质、二维沟道为从下至上的堆叠结构，第一电极和第二电极位于所述二维沟道的上表面，且所述第一电极的上表面和外周两侧均设有第一电极的自氧化层，所述第二电极的厚度等于第一电极和第一电极上表面自氧化层厚度之和。

8.根据权利要求7所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于采用如下工艺制备得到：

9.根据权利要求5所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于若晶体管中栅极为顶栅类型，则衬底、二维沟道、栅介质、栅极为从下至上结构，第一电极和第二电极位于所述二维沟道和衬底间，且所述第一电极的外周两侧均设有第一电极的自氧化层，所述第一电极、第二电极的厚度相等。

10.根据权利要求9所述一种超短沟道二维场效应晶体管，其特征在于采用如下工艺制备得到：

技术总结
本发明公开一种超短沟道二维场效应晶体管，包括衬底、栅极、栅介质、二维沟道，二维沟道的表面分别与第一电极和第二电极相接触；第一电极采用金铝双层合金，第一电极与第二电极间采用第一电极自氧化层间隔。所述金铝双层合金采用不同原子比的上层合金和下层合金。第一电极的靠近二维沟道所在层合金自氧化的自氧化层厚度为亚5纳米。本发明通过采用金铝双层合金分层自氧化的方式实现了亚5纳米厚度的均匀自氧化层，并将亚5纳米厚度的自氧化层用作隔离材料，实现第一电极和第二电极的自对准隔离，进而实现由第一电极自氧化层厚度定义的亚5纳米沟道长度，实现了亚5纳米沟道长度二维场效应晶体管低成本、大规模的制备。

技术研发人员：李海川,綦殿禹,任堃,高大为,许凯,方文章
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23