[发明专利]一种二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及半导体器件技术领域，具体公开了一种二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用，该二硫化钼场效应晶体管包括依次设置的衬底层、第一金属层、第一栅介质层与二硫化钼半导体薄膜层，二硫化钼半导体薄膜层两侧分别设有源接触电极与漏接触电极，第二、第三栅介质层以及第二金属层，第二金属层穿过第一栅介质层、第二和第三栅介质层与第一金属层接触。本发明实施例通过设置第一金属层与第二金属层分别作为底栅和顶栅来同时控制二硫化钼沟道，增强对沟道的静电控制能力，有助于进一步缩小尺寸，同时提升器件低功耗性能和高频性能表现，解决了现有二硫化钼场效应晶体管结构在低功耗性能和高频性能方面存在不足的问题。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体是一种二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用。

背景技术

随着集成电路的工艺节点的持续缩短，短沟道效应以及栅极漏电等问题将愈发凸显，集成电路领域的硅工艺已经难以为继，对于硅材料，随着材料厚度的减薄，受介质散射效应影响，其迁移率急剧下降。而二硫化钼是一种在半导体器件领域极具应用潜力的二维材料，它能够在单化合原子层的厚度(约0.7nm)展现出绝佳的半导体性能。其中，二硫化钼场效应晶体管作为一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，可独立包装或在一个非常小的区域，也可是容纳一亿或更多的晶体管的集成电路的一部分。

现阶段二硫化钼场效应晶体管的器件结构设计主要有两种，一种是采用底栅结构或者称为背栅结构，另一种二硫化钼晶体管栅极结构为顶栅结构。其中，顶栅结构使用栅极面积较小的局域栅，同时通常采用较薄的高介电常数栅极介质，对应二硫化钼晶体管通常具有较大接触电阻，进而影响器件高频性能表现。而采用背栅结构的器件具有加工过程简单的特点，是研究二硫化钼材料性能的首选结构，可以通过栅极调控对源漏接触电极区域进行电学掺杂，有助于降低器件的接触电阻。但是，背栅结构也有它的一些明显缺点，首先，背栅器件的栅极是对整个样品进行作用，难以实现对单个器件的局域控制，对于器件的大规模集成非常不利；其次，通常背栅器件的栅介质厚度为90nm或者300nm的二氧化硅，需要较大的栅极电压范围才能够实现对器件输运特性的有效调控，功耗过大。此外，由于栅极面积较大，背栅器件的栅极漏电流也较大，不适用于大规模集成电路的生产。

随着技术的进步发展，低功耗和高频高速器件是未来晶体管急需解决的重要问题，也是目前的技术难点，是实现二硫化钼大规模集成电路的重大挑战。然而，对于高频应用，需要器件具有较低的栅极电阻和接触电阻，以提升其截止频率和最大振荡频率。此外，对于低功耗应用，也需要进一步增强栅极对沟道区域的静电控制能力。

但是，以上的技术方案在实际使用时存在以下不足：现有的二硫化钼场效应晶体管结构在二硫化钼晶体管的低功耗性能和高频性能方面存在不足，性能无法与现阶段硅工艺匹配，以直接应用于二硫化钼大规模集成电路的生产。因此，需要设计满足以上这些要求的二硫化钼场效应晶体管。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种二硫化钼场效应晶体管，以解决上述背景技术中提出的现有二硫化钼场效应晶体管结构在低功耗性能和高频性能方面存在不足的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种二硫化钼场效应晶体管，具体是一种基于双局域栅的二硫化钼场效应晶体管，所述二硫化钼场效应晶体管包括：

衬底层以及依次设置在所述衬底层上的第一金属层、第一栅介质层与二硫化钼半导体薄膜层，所述二硫化钼半导体薄膜层远离所述衬底层的一侧分别对称设置有源接触电极与漏接触电极；以及第二金属层，所述第二金属层通过叠层绝缘栅极介质和第一栅介质层与所述第一金属层接触。

作为本发明进一步的方案：所述叠层绝缘栅极介质包括依次设置的第三栅介质层(具体是氧化铪介质层)与第二栅介质层(具体是氧化铝介质层)，所述第三栅介质层一侧与所述第二金属层接触。