專利名稱：一種垂直結(jié)構(gòu)納米線隧穿場效應(yīng)晶體管及其的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)及其制備方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管(簡稱MOS晶體管)如圖1所示，它是先在襯底101上形成柵介質(zhì)層104和柵極105，柵極105 通常采由重?fù)诫s的多晶硅形成，然后采用離子注入的方法形成源區(qū)102和漏區(qū)103。通過離子注入工藝形成源區(qū)和漏區(qū)后，需要進(jìn)行高溫(約100(TC )退火處理來激活摻雜，以消除離子注入造成的晶格損傷，降低接觸電阻。然而，如此高的加工溫度會引起源區(qū)和漏區(qū)摻雜 (硼或磷)的再擴(kuò)散，從而引起結(jié)深和溝道長度的變化，最終導(dǎo)致器件性能偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是隨著器件特征尺寸縮小到50納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，源區(qū)和漏區(qū)的結(jié)深及溝道長度均進(jìn)入納米量級，而采用常規(guī)的方法無法實(shí)現(xiàn)超淺結(jié)源區(qū)和漏區(qū)，這給小尺寸器件的加工帶來了很大挑戰(zhàn)。另外為了克服MOS管的短溝道效應(yīng)，隧穿場效應(yīng)晶體管也已被提出并研究。最近幾年，一維納米結(jié)構(gòu)，例如納米管、納米線、納米帶等，因?yàn)樗鼈兪浅叨群途S度決定的物理和化學(xué)性質(zhì)的理想體系，引起了人們廣泛的研究興趣?；谄洫?dú)特的物理化學(xué)特性，現(xiàn)在對一維半導(dǎo)體納米線的關(guān)注也逐漸增多，它被認(rèn)為有可能是未來集成電路的基本組成元件。金屬氧化物ZnO半導(dǎo)體納米線由于其類半導(dǎo)體的特性得到了廣泛重視。但是，由于其制備方法不便，還沒有很好的方法進(jìn)行簡便地大規(guī)模陣列生產(chǎn)，而且之后將其處理為平面器件溝道也并不容易，因此將ZnO納米線作為溝道集合入隧穿場效應(yīng)晶體管仍具有較大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于ZnO納米線的隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法，以便實(shí)現(xiàn)以ZnO納米線作為溝道的隧穿場效應(yīng)晶體管的大規(guī)模陣列生產(chǎn)。為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種垂直結(jié)構(gòu)的納米線隧穿場效應(yīng)晶體管，具體包括
一個P型重?fù)诫s的半導(dǎo)體襯底；
位于所述襯底之上形成的籽晶層；
位于所述籽晶層之上形成的垂直結(jié)構(gòu)的納米線；
位于所述納米線溝道四周并覆蓋所述籽晶層形成的柵介質(zhì)層；
覆蓋所述柵介質(zhì)層形成的多晶硅柵極；
進(jìn)一步地，所述的納米線頂端作為器件的漏極并與金屬接觸作為金屬電極引出；以所述重?fù)诫s的半導(dǎo)體襯底作為源極。本發(fā)明還提出了上述垂直結(jié)構(gòu)的納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，具體步驟包括提供一個P型重?fù)诫s的襯底；
采用lift-off工藝或者光刻、刻蝕工藝在所提供襯底的特定區(qū)域上生長一層aio網(wǎng)格籽晶層；
以所形成的網(wǎng)格籽晶層為固態(tài)源，在水浴環(huán)境下生長ZnO納米線； 在所述ZnO納米線和襯底四周形成第一層絕緣薄膜； 在所述第一層絕緣薄膜上淀積形成高濃度摻雜的多晶硅層； 刻蝕所形成的多晶硅層與第一層絕緣薄膜露出ZnO納米線； 在所形成的多晶硅層上定義出柵極電極圖案；
形成第二層絕緣薄膜并刻蝕所述第二層絕緣薄膜露出ZnO納米線頂端； 以露出的ZnO納米線頂端作為器件的漏極并進(jìn)行金屬接觸形成漏極電極； 形成第三層絕緣薄膜并刻蝕所述第三層絕緣薄膜形成通孔，并用一層金屬將漏極電極與柵極電極引出。更進(jìn)一步地，所述的襯底為硅、絕緣體上的硅(SOI)或者為聚酰亞胺(PI)等有機(jī)襯底。所述的第一層絕緣薄膜為SiO2或者為HfO2等高介電常數(shù)材料。所述的第二層、第三層絕緣薄膜為二氧化硅或者為氮化硅。本發(fā)明所提出的垂直結(jié)構(gòu)的納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法具有以下優(yōu)占.
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1、本發(fā)明在水浴環(huán)境下生長所需的ZnO納米線，不需要高溫高壓環(huán)境，溶液配置簡單， 生長方便，價格低廉，并且直接將納米線構(gòu)成垂直結(jié)構(gòu)的TFET器件，可以避免后期的納米線處理。2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本較低，而且利用網(wǎng)格可以使生長的納米線溝道與以此制造的垂直結(jié)構(gòu)的TFET陣列排布可控，便于直接完成大規(guī)模MOSFET陣列的制造。


圖1為常規(guī)的隧穿場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖9為本發(fā)明所提出的垂直結(jié)構(gòu)的納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法的一個實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明的一個示例性實(shí)施方式作詳細(xì)說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點(diǎn)，但在本發(fā)明實(shí)施例中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。同時在下面的描述中，所使用的術(shù)語襯底可以理解為包括正在工藝加工中的半導(dǎo)體襯底，可能包括在其上所制備的其它薄膜層。首先，提供一個硅襯底或者有機(jī)襯底，然后通過lift-off工藝或者光刻以及刻蝕工藝，在提供的襯底201上的特定區(qū)域內(nèi)生長一層厚度約為幾十納米的SiO網(wǎng)格籽晶層 202，如圖2所示。接著以所形成的ZnO網(wǎng)格籽晶層為固態(tài)源，在常壓以及90攝氏度的水浴環(huán)境下生長ZnO族納米線203，如圖3a所示，其中，圖北為圖3a所示結(jié)構(gòu)的A向視圖。接下來，在所形成的ZnO族納米線四周淀積一層高介電常數(shù)介質(zhì)層204，比如為 HfO2，如圖4所示，然后進(jìn)行退火。接下來，在HfO2介質(zhì)層204上淀積一層高濃度摻雜的多晶硅層205并作平坦化處理，如圖5所示。接著，利用氫氟酸腐蝕表面的多晶硅層至ZnO納米線與HfO2介質(zhì)層露出， 此時HfO2介質(zhì)層由于具有抗腐蝕特性從而可以保護(hù)ZnO納米線不被刻蝕，如圖6所示。接下來，采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕納米線頂端的HfO2介質(zhì)層至露出納米線，如圖 7a所示，圖7b為圖7a所示結(jié)構(gòu)的B向視圖。接著，定義出柵極電極圖案206，如圖8所示。最后，淀積第一層氧化層207，比如為二氧化硅，并刻蝕二氧化硅207至露出ZnO納米線頂端，接著以露出的ZnO納米線頂端作為器件的漏極并將其與Ti/Au金屬接觸形成漏極電極208，接著形成第二層二氧化硅209并刻蝕所形成的二氧化硅層209、207形成通孔， 然后淀積一層金屬將柵極電極和漏極電極引出，采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)將其平整化后如圖 9所示。需要指出的是，圖9中的襯底是ρ型重?fù)诫s，是一個TFET的源極，而ZnO本身是η 型的半導(dǎo)體，頂部的漏極是η型半導(dǎo)體。所以它與傳統(tǒng)的MOS管有明顯區(qū)別。利用這種TFET 器件可以大大優(yōu)化短溝道效應(yīng)。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種垂直結(jié)構(gòu)納米線隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，包括 一個P型重?fù)诫s的半導(dǎo)體襯底；位于所述襯底之上形成的籽晶層； 位于所述籽晶層之上形成的垂直結(jié)構(gòu)的納米線； 位于所述納米線溝道四周并覆蓋所述籽晶層形成的柵介質(zhì)層； 覆蓋所述柵介質(zhì)層形成的重?fù)诫s多晶硅柵極；所述的納米線頂端作為器件的漏極，并與金屬接觸作為金屬電極引出；以所述重?fù)诫s的半導(dǎo)體襯底作為源極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)納米線隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的襯底為硅、絕緣體上的硅或者為聚酰亞胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)納米線隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的納米線溝道由ZnO納米線形成。
4.一種垂直結(jié)構(gòu)納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于具體步驟為 提供一個P型重?fù)诫s的半導(dǎo)體襯底；在所述襯底的特定區(qū)域上生長一層SiO網(wǎng)格籽晶層； 以所形成的網(wǎng)格籽晶層為固態(tài)源，在水浴環(huán)境下生長ZnO納米線； 在所述ZnO納米線和襯底四周形成第一層絕緣薄膜； 在所述第一層絕緣薄膜上淀積形成高濃度摻雜的多晶硅層； 刻蝕所形成的多晶硅層與第一層絕緣薄膜露出ZnO納米線； 在所形成的多晶硅層上定義出柵極電極圖案；形成第二層絕緣薄膜并刻蝕所述第二層絕緣薄膜露出ZnO納米線的頂端； 以露出的ZnO納米線頂端作為器件的漏極并進(jìn)行金屬接觸形成漏極電極； 形成第三層絕緣薄膜并刻蝕所述第三層絕緣薄膜形成通孔并用一層金屬將漏極電極與柵極電極引出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直結(jié)構(gòu)納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述的第一層絕緣薄膜為S^2或者為Hf02。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種垂直結(jié)構(gòu)的納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法。在水浴環(huán)境下生長所需的ZnO納米線，不需要高溫高壓環(huán)境，溶液配置簡單，生長方便，價格低廉，并且直接將納米線構(gòu)成垂直結(jié)構(gòu)的MOS器件，可以避免后期的納米線處理。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本較低，而且利用網(wǎng)格可以使生長的納米線溝道與以此制造的垂直結(jié)構(gòu)的MOSFET陣列排布可控，便于直接完成大規(guī)模MOSFET陣列的制造。
文檔編號H01L21/28GK102412301SQ20111030936
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者包微寧, 張衛(wèi), 曹成偉, 王鵬飛 申請人:復(fù)旦大學(xué)