本技术涉及一种二维铌酸钙介电材料的制备技术及其在微缩晶体管中的应用。该技术采用五氧化二铌粉末和含氧化钙的氧化铝板作为原料,辅以氯化钠助熔剂和硒粉,实现材料的高效制备。该材料在微缩晶体管中展现出优异性能,提升器件性能和可靠性。
背景技术
随着超大规模集成电路及微电子信息行业的快速发展,推动着半导体器件不断前进,硅基芯片的集成度不断提高、尺寸不断缩小。集成电路是支撑国民经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。而集成电路的核心元件晶体管器件,经历了应变硅技术、高κ栅介质技术、FinFET技术、环栅晶体管技术,后摩尔时代器件需要解决短沟道硅材料迁移率降低、异质界面失稳严重、器件功耗显著增加等科学问题。二维材料具有的亚纳米原子层厚度、无悬挂键表界面结构、范德华低接触等优势,从物理原理上可解决晶体管尺寸微缩问题。
当前,针对沟道材料的研究已非常广泛,主要集中在沟道材料的迁移率、接触电阻和导电类型等方面,而对超薄二维介电材料相关的研究尚在起步阶段。场效应晶体管的微型化关键点也要求氧化硅绝缘层厚度的缩小。而当绝缘栅极氧化物的厚度降至几个纳米时,会出现漏电流过大的情况,从而使得器件的能耗过高。针对此,应用高介电常数的氧化物以代替二氧化硅绝缘层,可以实现更低的等效氧化层厚度。在等效于1nm氧化硅厚度条件下,高 κ
氧化层有着更高的物理厚度,从而能够有效地改善漏电流过大问题,提高器件性能。因此,寻求二维高介电常数的栅极材料尤为重要。在半导体行业中,栅极材料一直在被研究,试图取代常用的氧化硅栅极层。众所周知,常见的高介电常数材料,如 h
-BN、二氧化铪、氧化钛、氧化铝、氧化锆等都是三维结构,目前这些高介电常数的栅极材料已经能够实现与硅基材料器件的集成。而获得这些二维金属氧化物的方法主要是通过溶液法、机械剥离、原子层沉积等。但随着半导体器件的发展,器件尺寸的微型化对材料的厚度提出了进一步要求,而由于制备工艺的限制,当材料厚度低于5nm后,会出现非晶态从而无法形成沟道材料和介电层之间良好的界面,其二维单晶薄膜的制备仍然是一项很大的挑战。因此,研发其它更高介电常数、宽带隙的超薄单晶氧化层具有重要意义。
现如今,高介电常数( κ
>10)、宽带隙( E
g
>4eV)的材料仍在不断被发掘,最新的研究给出了几种新型的高 κ
氧化物,如CaF2
、 α
-Sb2
O3
、SbO1.93
、 β
-Bi2
SeO5
、Sr2
Nb3
O10
等,进一步证明了高介电常数氧化层对实现晶体管性能的提升起着重要作用。因此,开发新型高质量、大面积、高介电常数的超薄氧化物单晶介电材料仍是一项长远而重要的挑战。
实现思路