高性能双栅高k介质MoS2场效应晶体管的介质屏蔽效应及界面工程

基本信息
批准号:61774064
项目类别:面上项目
资助金额:67.00
负责人:徐静平
学科分类:
依托单位:华中科技大学
批准年份:2017
结题年份:2021
起止时间:2018-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:刘璐,邹晓,程智翔,闻铭,王洪九,张贻贤,徐彬
关键词:
场效应晶体管双栅高k介质MoS2界面特性高k介质屏蔽效应迁移率
结项摘要

The project aims at high-performance few-layer MoS2 (FL-MoS2) field-effect transistor (FET) with dual-gate high-k dielectrics. A new stacked gate structure of (HfTiO/Al2O3)/FL-MoS2/HfSiO/Si is proposed and prepared, where fabrication technologies of the high-k top/bottom gate dielectrics by ALD, the high-k/MoS2 interface properties and high-k dielectric screening effect are key research contents. Through using high-k stacked HfTiO/Al2O3 and HfSiO as top- and bottom-gate dielectric respectively to form encapsulation on MoS2 channel, not only can the good Al2O3/MoS2/HfSiO interfaces be obtained, but also the screening effect of high-k dielectric on charged-impurity scattering can largely be enhanced, effectively reducing Coulomb scattering and largely boosting mobility of carriers, and simultaneously decreasing equivalent oxide thickness of the top- and bottom-gate dielectrics and enhancing their gate-controlling ability, thus comprehensively improving performances of the transistor, e.g. the on-current, current on/off ratio, transconductance, subthreshold slope and short-channel effects and so on. Also, the optimal technologies and conditions of fabricating the above high-k gate dielectrics by ALD will be investigated, and the prototype sample of the relevant dual-gate high-k dielectric FL-MoS2 FETs is prepared. It is expected that the encapsulation of the high-k top/bottom gate dielectric can scale down channel length of the MoS2 transistor to below 10 nm, still maintaining excellent electrical properties.

以高性能双栅高k介质几层MoS2(FL-MoS2)场效应晶体管为研究目标,设计制备新型(HfTiO/Al2O3)/FL-MoS2/HfSiO/Si栅堆栈结构,重点研究ALD高k顶/底栅介质及其与MoS2的界面特性以及屏蔽效应。通过采用HfTiO/Al2O3堆栈和HfSiO高k介质分别作为顶/底栅介质,对MoS2沟道形成良好包封,不仅能获得好的Al2O3/MoS2/HfSiO界面特性,而且能大大增强高k介质对荷电杂质散射的屏蔽效应,有效减小库伦散射,提高迁移率,同时减小顶/底栅介质等效氧化物厚度,增强栅控能力,使晶体管的通态电流、通/断电流比、跨导、亚阈斜率以及短沟道效应等得到全面改进。将研究ALD制备上述高k栅介质的最佳工艺和条件,研制出相应的双栅高k介质FL-MoS2场效应晶体管原型样品。由于高k顶/底栅介质的包封使用,有望使MoS2晶体管沟长缩短至亚10nm而仍具有优良的电性能。

项目摘要

MoS2以其合适的禁带宽度、原子级厚度、可免除短沟效应等有望成为下一代CMOS器件的沟道材料。因此,本项目开展相关研究具有重要科学意义和应用前景。.本项目围绕栅介质与MoS2的界面工程以及栅介质材料、结构和制备工艺等开展了深入研究,取得许多重要成果:①构造了云母作为栅介质的顶栅MoS2晶体管,获得了极佳电性能:开关比达到108,迁移率提高到134cm2/Vs,亚阈值摆幅SS减小到72mV/dec,通态电流Ion接近60A/m;②以云母作为绝缘台面暨栅介质,通过干法转移MoS2薄片至其上,制备出8.7nm的垂直短沟道MoS2晶体管,获得低的SS(73mV/dec)和高的Ion (>100A/m);③采用ALD交替淀积HfO2和Al2O3制备了Hf1-xAlxO栅介质,利用Al掺杂改善界面特性,在Al含量为50%时获得最佳器件性能: 为49cm2/Vs,SS为129mV/dec,开/关比为3.8107;④采用高/低温两步淀积法制备高k顶栅介质,获得栅介质的高质量生长及优良电性能,达到83.3cm2/Vs, SS为83mV/dec,界面态密度Dit低至11012eV-1cm-2;⑤比较分析了不同等离子体处理栅介质对晶体管性能的影响,发现NH3等离子体处理效果最佳,以处理的HfO2为栅介质制备了顶栅MoS2 FET,获得1.6107的开关比,87cm2/Vs的,72 mV/dec的SS;⑥以Al2O3/HfO2堆栈介质包覆MoS2沟道分别制备了顶栅和背栅MoS2晶体管,比较发现顶栅晶体管性能更优:开关比达108,达到102cm2/Vs,SS为93mV/dec;⑦ 采用CVD法在Al2O3表面淀积MoS2薄膜,对比研究了酸处理和未处理Al2O3对MoS2薄膜生长的影响。结果显示,前者生长的MoS2薄膜尺寸增大,性能增强,所制备的晶体管呈现出比未处理样品更好的电特性。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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