【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到半导体器件，尤其涉及一种阈值电压可控的超薄多桥沟道晶体管及其制备工艺方法。
技术介绍
1、半导体器件技术经过几十年的发展，其特征尺寸持续微缩，同时供电电压也同步减小。根据器件的应用场景，需要对小尺寸器件的阈值电压实施精准调控，以匹配其工作电压范围。传统的阈值电压调控手段多利用金属功函数，通过不同厚度、种类的金属栅来实现有效功函数的改变，对于平面器件具有显著的效果。然而器件尺寸的进一步减小使得栅极的空间压缩，尤其是对于堆叠环栅纳米片等三维结构器件需要缩减纳米片间距以获得性能提升，这使得没有足够的空间使用栅金属对阈值进行调控，且存在如p型栅金属过薄而无法屏蔽n型栅金属影响的问题。传统的阈值电压调控手段随着器件的缩小和结构的演化开始面临极大的挑战。为了实现对沟道更好的控制和更优的调控器件阈值电压，同时提升器件性能和集成度，基于原子层沉积工艺的原位偶极子调控阈值技术在多桥沟道等器件结构中具有极大潜力。
技术实现思路
1、为实现对沟道更好的控制，提升器件性能和集成度，本专利技术提供了一种阈值电压可控的超薄多桥沟道晶体管及其制备方法。
2、本专利技术使用超薄铝、镧、钇、镁和钪等界面金属氧化物层与高κ介质层(如氧化铪)的堆叠层作为栅介质，超薄稀土氧化介电层与氧化铪形成电偶极子，通过调控偶极子强度来实现对阈值电压的调控。具体技术方案如下：
3、一种阈值电压可控的超薄多桥沟道晶体管，包括衬底及在衬底上堆叠的多层环栅晶体管结构，在每一层环栅晶体管结构中由下到上依
4、上述超薄多桥沟道晶体管至少包括二层环栅晶体管结构，即在衬底上由下至上依次设置第一层背栅电极、第一层背栅介质、第一层沟道、第一层顶栅介质、第一层顶栅电极(同时作为第二层沟道的背栅电极)、第二层背栅介质、第二层沟道、第二层顶栅介质、第二层顶栅电极；在第一层沟道两端设置第一层源漏电极，在第二次沟道两端设置第二层源漏电极，第一层源漏电极和第二层源漏电极互连，第一层背栅电极、第一层顶栅电极和第二层顶栅电极互连；所述第一层顶栅介质和第二层顶栅介质均为界面金属氧化物层与高κ介质层的堆叠层。
5、在所述顶栅介质中，所述界面金属氧化物层的厚度优选为0.2～1nm，其中界面金属包括但不限于铝、镧、钇、镁、钛和钪等，所述界面金属氧化物层的材料例如al2o3、la2o3、mgo、y2o3、tio2等。所述高κ介质层的厚度优选为3～15nm，其材料例如氧化铪、氧化锆等。其中，所述界面金属氧化物层采用原子层沉积技术原位生长制备，其与高κ介质层堆叠，形成偶极子层。在保持堆叠栅介质的总厚度不变的情况下，可以通过调节界面金属氧化物层厚度进而调节形成的界面偶极子强度来调控阈值电压。
6、上述多桥沟道晶体管中，衬底可为硅片、蓝宝石、云母等刚性衬底。
7、所述沟道可以是过渡金属硫族化合物如mos2、wse2等二维材料、氧化物半导体(如ito、氧化锌、igzo等)、碳纳米管等新型半导体材料，可采用化学气相沉积、磁控溅射沉积等薄膜制备工艺生长，沟道厚度优选为低于5nm。
8、本专利技术还提供了一种制备上述阈值电压可控的超薄多桥沟道晶体管的方法，包括以下步骤：
9、1)在衬底上通过光刻定义和物理气相沉积制备第一层背栅电极，采用原子层沉积的方法原位生长高κ介质作为第一层背栅介质；
10、2)在第一层背栅介质上制备第一层沟道；
11、3)在第一层沟道两端制备源漏电极；
12、4)采用原子层沉积的方法依次原位生长界面金属氧化物层和高κ介质层作为第一层顶栅介质；
13、5)在第一层顶栅介质上制备第一层顶栅电极；
14、6)采用原子层沉积的方法原位生长高κ介质作为第二层背栅介质，并通过光刻定义和刻蚀第二层背栅介质和第一层顶栅介质形成连接上下层源漏电极的窗口；
15、7)重复步骤2)至5)的操作，在第二层背栅介质上依次制备第二层沟道、第二层源漏电极、第二层顶栅介质和第二层顶栅电极；
16、8)通过光刻定义和刻蚀开窗使第一层背栅电极和各层顶栅电极互连。
17、上述制备方法中，对于二维材料沟道，步骤2)将在熔融玻璃等生长衬底上制备的二维沟道材料通过湿法转移的方法转移到第一层背栅介质表面，再通过旋涂光刻胶、烘烤、曝光、显影、氧等离子体去残胶、刻蚀等一系列微纳加工工艺定义出沟道区并刻蚀掉沟道以外的材料。步骤3)在沟道材料上通过光刻定义出源漏电极区，并进行源漏电极沉积。
18、上述制备方法中，使用原子层沉积技术沉积界面金属氧化物层和高κ介质层堆叠结构，形成偶极子层，且保持堆叠栅介质的总厚度不变，可以调节界面金属氧化物层厚度进而调节偶极子强度来调控阈值电压。其中原子层沉积原位生长形成的用于实现偶极子的界面金属氧化物层厚度低于1nm，具有占用空间小、制备工艺简单的优势。
19、本专利技术用界面金属氧化物层与高κ介质层的堆叠层作为栅介质，以硅、锗、iii-v族等传统半导体材料之外的新型超薄半导体材料作为沟道层，制备阈值电压可控的新型超薄多桥沟道晶体管，具有以下技术优势：
20、(1)界面金属氧化物层与高κ介质层的堆叠层作为栅介质，比如氧化铝和氧化镧材料本身作为高κ材料，形成偶极子层调控阈值电压仅需要低于1nm的厚度，几乎不增加栅介质厚度，所以在应用方面，可兼容先进加工工艺，实现阈值调控。
21、(2)基于原子层沉积的偶极子层原位生长，可通过调节生长时的循环数目，精确调节阈值调控幅度，并且在器件制备过程中减少与空气的接触，这样工艺更容易实现，大大降低了偶极子层对晶体管其它性能的影响。
22、(3)基于新型超薄半导体作为沟道，其具有原子级的厚度、合适的带隙和良好的载流子迁移率；双层沟道或更多层沟道增加了载流子输运路径，偶极子层调控器件阈值电压，可以实现性能更好的器件。
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1.一种阈值电压可控的超薄多桥沟道晶体管，包括衬底及在衬底上堆叠的多层环栅晶体管结构，在每一层环栅晶体管结构中由下到上依次为背栅电极、背栅介质、沟道、顶栅介质、顶栅电极，沟道两端分别为源漏电极；下一层环栅晶体管结构的顶栅电极同时作为上一层环栅晶体管结构的背栅电极，各层的源漏电极互连，背栅电极和各层的顶栅电极互连；其特征在于，所述顶栅介质为界面金属氧化物层与高κ介质层的堆叠层。
2.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述界面金属氧化物层的厚度为0.2～1nm，所述高κ介质层的厚度为3～15nm。
3.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述界面金属氧化物层的材料选自铝、镧、钇、镁、钛和钪的氧化物，所述高κ介质层的材料选自氧化铪、氧化锆。
4.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述界面金属氧化物层与高κ介质层是通过原子层沉积技术原位生长制备的。
5.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述沟道为二维材料、氧化物半导体或碳纳米管，厚度低于5nm。
6.如权利要求5所述
7.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述衬底为刚性衬底。
8.一种制备权利要求1～7任一所述的超薄多桥沟道晶体管的方法，包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2)将在生长衬底上制备的二维沟道材料通过湿法转移的方法转移到第一层背栅介质表面，再通过光刻定义出沟道区并刻蚀掉沟道区以外的材料。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4)保持顶栅介质的厚度不变，通过调节原子层沉积的生长参数调节界面金属氧化物层的厚度，进而调控器件阈值电压。
...【技术特征摘要】
1.一种阈值电压可控的超薄多桥沟道晶体管，包括衬底及在衬底上堆叠的多层环栅晶体管结构，在每一层环栅晶体管结构中由下到上依次为背栅电极、背栅介质、沟道、顶栅介质、顶栅电极，沟道两端分别为源漏电极；下一层环栅晶体管结构的顶栅电极同时作为上一层环栅晶体管结构的背栅电极，各层的源漏电极互连，背栅电极和各层的顶栅电极互连；其特征在于，所述顶栅介质为界面金属氧化物层与高κ介质层的堆叠层。
2.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述界面金属氧化物层的厚度为0.2～1nm，所述高κ介质层的厚度为3～15nm。
3.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述界面金属氧化物层的材料选自铝、镧、钇、镁、钛和钪的氧化物，所述高κ介质层的材料选自氧化铪、氧化锆。
4.如权利要求1所述的超薄多桥沟道晶体管，其特征在于，所述界面金属氧化物层与高κ介质层...
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