一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發明提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法，所述制備方法至少包括步驟：提供一SGOI襯底，包括埋氧層和P型重摻雜SiGe；在所述P型重摻雜SiGe依次沉積形成硅層和N型重摻雜SiGe；利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe，在所述硅層一側表面形成漏極；刻蝕所述硅層形成具有納米線或納米棒結構的溝道；利用化學腐蝕工藝去除所述溝道下部分P型重摻雜SiGe，使所述溝道懸空，與所述漏極處于相對的另一側的P型重摻雜SiGe定義為源極，所述漏極、溝道和源極構成垂直結構。本發明提供的垂直結構的隧穿場效應晶體管中漏極、溝道和源極為垂直結構，可以增大隧穿面積，提高器件的驅動電流。另外，形成的懸空的溝道可以進一步抑制器件的漏電流。
【專利說明】一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件【技術領域】，特別是涉及一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，以硅集成電路為核心的微電子技術得到了迅速的發展，集成電路芯片的發展基本上遵循摩爾定律，即半導體芯片集成度以每18個月翻一番的速度增長。在過去一段時間里，微電子技術的進步是以不斷優化材料、工藝和流程的成本效益為基礎的。然而，隨著微電子技術的發展，常規的硅基CMOS晶體管按比例縮小已變得越來越困難。而且，現今利用MOSFET制造的大多數電子產品，出現以下主要問題:第一，由于MOSFET溝道縮短導致漏電變大，即使關機或待機中也會不斷消耗電力。IBM引用歐盟的報告指出，10%的家庭和辦公室電力都是浪費在電子產品的待機狀態。第二，傳統MOSFET受物理機制的限制，其亞閾值擺幅較高。
[0003]解決以上問題的方案之一就是采用隧穿場效應晶體管(Tunnel FET:TFET)結構，隧穿場效應晶體管(TFET)是一種新型工作機制器件，可以抑制短溝道效應，有效減小漏電流，因此其具有低靜態功耗的優勢。同時其亞閾斜率可以打破KT/q的限制(常溫下為60mV/dec)，這有利于在低電源電壓下工作。然而，傳統的隧穿效應晶體管(TFET)的源極、溝道和漏極是平面結構，其面臨著驅動電流小以及漏電流仍然很大的問題。
【發明內容】
[0004]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法，用于解決現有技術中平面隧穿場效應晶體管的驅動電流小以及漏電流仍然很大的問題。
[0005]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法，所述垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法至少包括步驟:
[0006]I)提供一 SGOI襯底，所述SGOI襯底包括埋氧層和形成于所述埋氧層上的P型重摻雜SiGe ；
[0007]2)在所述P型重摻雜SiGe依次沉積形成硅層和N型重摻雜SiGe ；
[0008]3)利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe,在所述娃層一側表面形成漏極；
[0009]4)刻蝕所述硅層形成具有納米線或納米棒結構的溝道；
[0010]5)利用化學腐蝕工藝去除所述溝道下的部分P型重摻雜SiGe，使所述溝道懸空，與所述漏極處于相對的另一側的P型重摻雜SiGe定義為源極，所述漏極、溝道和源極構成
垂直結構；
[0011]6)在所述溝道表面形成包裹所述溝道的柵介質層，在所述柵介質層上形成柵極。作為本發明的一種優選方案，所述P型重摻雜SiGe中Ge原子的原子百分比含量為10%?50%。
[0012]作為本發明的一種優選方案，所述N型重摻雜SiGe中Ge原子的原子百分比為10% ~50%O
[0013]作為本發明的一種優選方案,所述娃層為本征娃或輕摻雜的娃。
[0014]作為本發明的一種優選方案，采用選擇性化學腐蝕工藝去除所述溝道下的P型重摻雜SiGe。
[0015]作為本發明的一種優選方案，其特征在于:所述納米線或納米棒結構的溝道的寬度范圍為10~900nm。
[0016]作為本發明的一種優選方案，所述柵介質層為HfO2或Si02。
[0017]作為本發明的一種優選方案，所述柵極為金屬柵極。
[0018]本發明提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管，所述垂直結構的隧穿場效應晶體管至少包括:
[0019]SGOI襯底，包括埋氧層和位于埋氧層兩側上的P型重摻雜SiGe，其中一側的P型重摻雜SiGe定義為源極；
[0020]具有納米線或納米棒結構的溝道，懸空于所述P型重摻雜SiGe上；
[0021]漏極，結合于與所述源極相對的另一側的P型重摻雜SiGe上，所述源極、溝道和漏極構成垂直結構；
[0022]柵介質層，包裹于所`述溝道表面；
[0023]柵極，形成于所述柵介質層上。
[0024]作為本發明的一種優化的結構，所述納米線或納米棒結構的溝道的寬度范圍為10 ~900nm。
[0025]如上所述，本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法，包括步驟:首先，提供一 SGOI襯底，包括埋氧層和P型重摻雜SiGe ;其次，在所述P型重摻雜SiGe依次沉積形成硅層和N型重摻雜SiGe ;接著，利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe，在所述硅層一側表面形成漏極；接著，刻蝕所述硅層形成具有納米線或納米棒結構的溝道；然后利用化學腐蝕工藝去除所述溝道下的部分P型重摻雜SiGe，使所述溝道懸空，與所述漏極處于相對的另一側的P型重摻雜SiGe定義為源極，所述漏極、溝道和源極構成垂直結構；最后形成柵介質層和柵極。本發明提供的隧穿場效應晶體管中漏極、溝道和源極為垂直結構，可以增大隧穿面積，提高器件的驅動電流。另外，形成的懸空的溝道可以進一步抑制器件的漏電流。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法的工藝流程示意圖。
[0027]圖2為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中在提供的SGOI襯底上沉積硅層和N型摻摻雜層的結構示意圖。
[0028]圖3a為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟3)呈現的結構正視圖。
[0029]圖3b為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟3)呈現的結構俯視圖。[0030]圖4a為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟4)呈現的結構正視圖。
[0031]圖4b為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟4)呈現的結構俯視圖。
[0032]圖5a為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟5)呈現的結構正視圖。
[0033]圖5b為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟5)呈現的結構俯視圖。
[0034]圖6a為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟6)中形成柵介質層的結構正視圖。
[0035]圖6b為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟6)中形成柵介質層的結構俯視圖。
[0036]圖6c為圖6b沿AA’方向構剖面圖。
[0037]圖7a為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟6)中形成柵極的結構正視圖。
[0038]圖7b為本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法中步驟6)中形成柵極的結構俯視圖。
[0039]圖7c為圖7b沿AA’方向構剖面圖。
`[0040]元件標號說明
[0041]
S1-S6步驟
1SGOI襯底
11埤氧M
[0042]12Ρ.11Φ:摻雜 SiGe
121mm
2翻
21mm
3N 參染 SiGc
4漏極
5柵介質層
6柵極
【具體實施方式】
[0043]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0044]請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0045]實施例一
[0046]本發明提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，如圖1所示的工藝流程圖，所述垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法至少包括以下步驟:
[0047]SI，提供一 SGOI襯底，所述SGOI襯底包括埋氧層和形成于所述埋氧層上的P型重摻雜SiGe ；
[0048]S2，在所述P型重摻雜SiGe依次沉積形成硅層和N型重摻雜SiGe ；
[0049]S3,利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe,在所述娃層一側表面形成漏極；
[0050]S4，刻蝕所述硅層形成具有納米線或納米棒結構的溝道；
[0051]S5，利用化學腐蝕工藝去除所述溝道下的部分P型重摻雜SiGe，使所述溝道懸空，與所述漏極處于相對一側的P型重摻雜SiGe定義為源極，所述漏極、溝道和源極構成垂直結構；
[0052]S6，在所述溝道表面形成包裹所述溝道的柵介質層，在所述柵介質層上形成柵極。
[0053]下面結合具體的附圖詳細描述本發明的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法。
[0054]首先執行步驟SI，提供一 SGOI襯底1，所述SGOI襯底I包括埋氧層11和位于埋氧層11上的P型重摻雜SiGel2。
[0055]請參閱圖2，所述埋氧層11包括但不限于為二氧化硅。
[0056]作為本發明實施例的一個優選方案，所述埋氧層11厚度為50nm?IOOnm,所述P型重摻雜SiGel2的厚度為60nm?150nm。本實施例中，所述埋氧層11的厚度暫選為lOOnm，所述P型重摻雜SiGel2的厚度暫選為150nm，但并不限于此，在其它實施例亦可為其它厚度，例如，埋氧層11的厚度可取50nm、70nm、80nm、或90nm等,所述P型重摻雜SiGel2的厚度可取 60nm、80nm、lOOnm、120nm 或 140nm 等。
[0057]進一步地，所述P型重摻雜SiGel2中Ge原子的原子百分比含量范圍在10%?50%之間。本實施例中，所述P型重摻雜SiGel2中Ge原子的原子百分比含量暫選為50%。但并不限于此，在其它實施例亦可為其它含量，例如，10%、20%、30%或40%等。
[0058]所述P型重摻雜SiGel2中P型重摻雜離子為硼，且摻雜濃度為lE16cnT3?lE20CnT3，但并不限于此，在其它實施例中，亦可選用其它P型摻雜離子。
[0059]接著執行步驟S2，在所述P型重摻雜SiGel2依次沉積形成硅層2和N型重摻雜SiGe3。
[0060]可利用外延生長的方法來生長所述硅層2和N型重摻雜SiGe3，例如，低壓化學氣相沉積(LPCVD)、超真空化學氣相沉積(UHVCVD)、常壓化學氣相沉積(APCVD)、分子束外延(MBE)或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)等。本實施例中，采用低壓化學氣相沉積工藝來制備所述硅層2和N型重摻雜SiGe3。形成的所述硅層2和N型重摻雜SiGe3如圖2所/Jn ο
[0061]進一步地，所述N型重摻雜SiGe3中Ge原子的原子百分比含量范圍在10%?50%之間。本實施例中，N型重摻雜SiGe3中Ge原子的原子百分比含量暫選為20%。但并不限于此，在其它實施例亦可為其它含量，例如，10%、30%、40%或50%等。
[0062]所述N型重摻雜SiGe3中N型重摻雜離子為磷或砷，且摻雜濃度為lE16cm_3?lE20CnT3，但并不限于此，在其它實施例中，亦可選用其它N型摻雜離子。
[0063]所述娃層2可以是本征娃或者輕摻雜的娃。本實施例中，所述娃層2為輕摻雜的娃，其摻雜濃度不大于lE15cm3。
[0064]然后執行步驟S3，利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe3，在所述硅層2一側表面形成漏極4。
[0065]具體地，可采用干法或者濕法刻蝕法刻蝕掉所述N型重摻雜SiGe3，在所述硅層2一側表面形成漏極4。更具體地，在所述N型重摻雜SiGe3表面旋涂光刻膠層(未予以圖示)，圖形化光刻膠層形成開口，再對開口下方的N型重摻雜SiGe3進行濕法刻蝕，刻蝕后在所述硅層2 —側表面留下剩余的N型重摻雜SiGe3，該剩余的N型重摻雜SiGe3定義為漏極4，如圖3a?3b。
[0066]然后執行步驟S4，刻蝕所述硅層2形成具有納米線或納米棒結構的溝道21。
[0067]具體地，先對在所述硅層2表面旋涂光刻膠，在利用電子束曝光工藝圖案化所述光刻膠，再采用濕法刻蝕方法腐蝕所述硅層2，從而形成納米線或納米棒結構的溝道21，如圖4a?4b所示。濕法刻蝕可采用稀釋的氫氟酸。所述納米線或納米棒結構的溝道21寬度可在10?900nm范圍內。本實施例中，形成納米線形狀的溝道21，其寬度為lOOnm。
[0068]然后執行步驟S5，利用化學腐蝕工藝去除所述溝道21下的部分P型重摻雜SiGel2,使所述溝道21懸空；與所述漏極4處于相對的另一側的P型重摻雜SiGel2定義為源極121，所述漏極4、溝道21和源極121構成垂直結構。
[0069]具體地，采用選擇性化學腐蝕方式進行P型重摻雜SiGel2的部分去除。可以采用腐蝕液為HF/H202/醋酸的混合液體，混合比例為1:2:3 ;或者采用HN03/HF的混合液，混合比例為100:1。本實施例中，采用100:1的hno3/hf的混合液進行選擇性腐蝕。該腐蝕液對SiGe的腐蝕速率遠遠大于對Si的腐蝕速率，從而形成懸空的納米線溝道21，懸空的納米線長度大于lOOnm，但不能過長，以免后續工藝中發生納米線的斷裂，一般不超過5 μ m，如圖5a?5b所示。
[0070]傳統的隧穿場效應晶體管的漏極、溝道和源極處于同一水平面內，其隧穿面積小，驅動電流也小。本發明提供的隧穿場效應晶體管中漏極4、溝道21和源極121為垂直結構，可以增大隧穿面積，提高器件的驅動電流。另外，形成的懸空溝道可以進一步抑制器件的漏電流。
[0071]最后執行步驟S6，所述溝道21表面形成包裹所述溝道的柵介質層5，在所述柵介質層5上形成柵極6，請參閱附圖6a?7c。
[0072]請參閱圖6a?圖7c，需要說明的是，圖6c和7c中溝道21外側面的的柵介質層未畫出。可采用電子束蒸發、分子束沉積或者原子層沉積等方法來形成所述柵介質層5。所述柵介質層5可以是HfO2或者SiO2等，其厚度為2?20nm。本實施例中，柵介質層5為HfO2,采用原子層沉積方式形成，厚度為5nm。[0073]另外，所述柵極6可以是金屬柵極，當然也可以是單晶硅或多晶硅，不限于此。本實施例中，所述柵極6為金屬柵極。作為示例，比如，可以是TiN。
[0074]還需要說明的是，形成源極121、漏極4和柵極6后，淀積二氧化硅材料形成絕緣層(未予以圖示)，然后掩膜曝光刻蝕絕緣層，分別在所述源極121、漏極4和柵極6上形成源極通孔、漏極通孔和柵極通孔(未予以圖示)，之后還需要用金屬鋁材料填充通孔形成互連布線，當然，填充通孔的金屬材料不限于鋁，也可為其他適合的金屬材料。
[0075]實施例二
[0076]本發明還提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管，用實施例一種提供的所述制備方法制成，所述垂直結構的隧穿場效應晶體管至少包括:
[0077]SGOI襯底I，包括埋氧層11和位于埋氧層11兩側上的P型重摻雜SiGel2，其中一側的P型重摻雜SiGel2定義為源極121 ；
[0078]具有納米線或納米棒結構的溝道21，懸空于所述P型重摻雜SiGel2上；
[0079]漏極4，結合于與所述源極121相對的另一側的P型重摻雜SiGel2上，所述源極121、溝道21和漏極4構成垂直結構；
[0080]柵介質層5，包裹于所述溝道21表面；
[0081]柵極6，形成于所述柵介質層5上。
[0082]所述納米線或納米棒結構的溝道21寬度可在10?900nm范圍內。本實施例中，形成的納米線狀的溝道21，其寬度為lOOnm。
[0083]綜上所述，本發明提供一種垂直結構的隧穿場效應晶體管及其制備方法，包括步驟:首先，提供一 SGOI襯底，包括埋氧層和P型重摻雜SiGe ;其次，在所述P型重摻雜SiGe依次沉積形成硅層和N型重摻雜SiGe ;接著，利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe，在所述硅層一側表面形成漏極；接著，刻蝕所述硅層形成具有納米線或納米棒結構的溝道；然后利用化學腐蝕工藝去除所述溝道下的部分P型重摻雜SiGe，使所述溝道懸空，與所述漏極處于相對的另一側的P型重摻雜SiGe定義為源極，所述漏極、溝道和源極構成垂直結構；最后形成柵介質層和柵極。本發明提供的隧穿場效應晶體管中漏極、溝道和源極為垂直結構，可以增大隧穿面積，提高器件的驅動電流。另外，形成的懸空的溝道可以進一步抑制器件的漏電流。
[0084]所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0085]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于，所述垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法至少包括步驟: 1)提供一SGOI襯底，所述SGOI襯底包括埋氧層和形成于所述埋氧層上的P型重摻雜SiGe ； 2)在所述P型重摻雜SiGe依次沉積形成硅層和N型重摻雜SiGe； 3)利用光刻和刻蝕技術刻蝕所述N型重摻雜SiGe，在所述硅層一側表面形成漏極； 4)刻蝕所述硅層形成具有納米線或納米棒結構的溝道； 5)利用化學腐蝕工藝去除所述溝道下的部分P型重摻雜SiGe，使所述溝道懸空；與所述漏極處于相對的另一側的P型重摻雜SiGe定義為源極，所述漏極、溝道和源極構成垂直結構； 6)在所述溝道表面形成包裹所述溝道的柵介質層，在所述柵介質層上形成柵極。
2.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:所述P型重摻雜SiGe中Ge原子的原子百分比含量為10%?50%。
3.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:所述N型重摻雜SiGe中Ge原子的原子百分比為10%?50%。
4.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:所述娃層為本征娃或輕摻雜的娃。
5.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:采用選擇性化學腐蝕工藝去除所述溝道下的部分P型重摻雜SiGe。
6.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:所述納米線或納米棒結構的溝道的寬度范圍為10?900nm。
7.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:所述柵介質層為HfO2或SiO2。
8.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管的制備方法，其特征在于:所述柵極為金屬柵極。
9.一種垂直結構的隧穿場效應晶體管，其特征在于，所述垂直結構的隧穿場效應晶體管至少包括: SGOI襯底，包括埋氧層和位于埋氧層兩側上的P型重摻雜SiGe，其中一側的P型重摻雜SiGe定義為源極； 具有納米線或納米棒結構的溝道，懸空于所述P型重摻雜SiGe上； 漏極，結合于與所述源極相對的另一側的P型重摻雜SiGe上，所述源極、溝道和漏極構成垂直結構； 柵介質層，包裹于所述溝道表面； 柵極，形成于所述柵介質層上。
10.根據權利要求1所述的垂直結構的隧穿場效應晶體管，其特征在于:所述納米線或納米棒結構的溝道的寬度范圍為10?900nm。
【文檔編號】H01L21/336GK103560152SQ201310573840
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】趙清太, 俞文杰, 劉暢, 王曦 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所