垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法。该制备方法包括：形成纳米线阵列以及环绕纳米线阵列的栅堆叠结构，栅堆叠结构两端具有对应的第一凹口和第二凹口，然后分别在第一凹口和第二凹口中形成高‑k介质侧墙和低‑k介质侧墙，在高‑k介质侧墙与沟道层之间形成重掺杂层，从而通过在源区与沟道层之间插入与源区掺杂类型相反的重掺杂层来提升隧穿几率，利用环栅结构增强栅控能力，源区一侧引入的高‑k介质侧墙能够增大局域电场，垂直方向上堆叠的环栅纳米线能够提高有效隧穿面积，进而显著提升了隧穿场效应晶体管的开启电流；于此同时，在漏区一侧采用低‑k介质侧墙，将有效抑制隧穿场效应晶体管的双向导通特性。

【技术实现步骤摘要】
垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法
本专利技术涉及半导体
，具体而言，涉及一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
随着CMOS器件集成密度的提升，日益增长的功耗将成为制约集成电路进一步发展的重要瓶颈。通过减小器件的亚阈值摆幅来降低工作电压是降低功耗的有效方案，隧穿场效应晶体管是实现该方案的有效技术路线之一。但是，隧穿场效应晶体管存在开启电流低，导致其容易双向导通。通过优化器件结构和制造工艺来提高隧穿场效应晶体管的开启电流和抑制其双向导通特性，仍是隧穿场效应晶体管必须要解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法，以解决现有技术中难以提高隧穿场效应晶体管的开启电流和抑制其双向导通特性的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：在衬底的表面交替堆叠沟道层和牺牲层，并在最外层的牺牲层上形成掩膜层；从各牺牲层的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层的两端相对于沟道层向内凹入形成第一凹口和第二凹口；刻蚀去除部分沟道层和全部牺牲层，剩余的沟道层形成纳米线阵列；绕纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层的栅堆叠结构，向下刻蚀裸露的栅极材料形成第一凹槽，然后在第一凹槽中形成钝化保护层；在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中形成高-k介质侧墙，去除位于高-k介质侧墙之间的部分沟道层以形成第三凹口，在第三凹口中形成覆盖沟道层的重掺杂层，并形成与重掺杂层连接的源区；以及在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口中形成低-k介质侧墙，并形成与沟道层连接的漏区。进一步地，形成沟道层、牺牲层和掩膜层的步骤包括以下过程：在衬底表面依次交替形成牺牲预备层和沟道预备层；在与衬底距离最大的牺牲预备层表面形成掩膜预备层；采用图形转移工艺去除各掩膜预备层的部分、各牺牲预备层的部分和各沟道预备层的部分，得到掩膜层、沟道层和牺牲层。进一步地，形成沟道层和牺牲层的材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种，且形成沟道层的材料不同于形成牺牲层的材料。进一步地，在形成第一凹口和第二凹口的步骤中，使牺牲层的裸露表面发生自限制化学反应形成牺牲氧化层，并刻蚀去除牺牲氧化层以形成第一凹口和第二凹口。进一步地，形成纳米线阵列的步骤包括以下过程：采用图形转移工艺去除掩膜层的部分、沟道层的部分和牺牲层的部分，以形成纳米线阵列；以及去除剩余的牺牲层，以使纳米线阵列的外周裸露。进一步地，形成栅堆叠结构和钝化保护层的步骤包括以下过程：绕纳米线阵列的外周形成栅介质层，并在栅介质层的外周沉积栅极材料，形成环绕纳米线阵列的栅堆叠结构；最外层的栅堆叠结构具有未被掩膜层覆盖的第一裸露表面，从第一裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极材料以形成第一凹槽，优选采用等离子体回刻去除部分栅极材料；在第一凹槽中沉积钝化介质形成钝化保护层，优选钝化介质为Si3N4。进一步地，形成高-k介质侧墙的步骤包括：在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中沉积高-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分高-k介质材料，剩余的高-k介质材料与沟道层的裸露表面齐平，以形成高-k介质侧墙。进一步地，形成第三凹口的步骤包括：使沟道层的裸露表面发生自限制化学反应形成沟道氧化层，并刻蚀去除沟道氧化层以形成第三凹口。进一步地，形成重掺杂层的步骤包括：在第三凹口的裸露表面以及高-k介质侧墙的裸露表面选择性外延生长外延材料并进行原位掺杂形成掺杂材料；各向异性刻蚀去除位于高-k介质侧墙表面的部分掺杂材料，剩余掺杂材料与高-k介质侧墙的裸露表面齐平，以形成重掺杂层。进一步地，形成低-k介质侧墙的步骤包括：在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口中沉积低-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分低-k介质材料，剩余的低-k介质材料与沟道层的裸露表面齐平，以形成低-k介质侧墙。进一步地，形成高-k介质侧墙的材料和形成低-k介质侧墙的材料独立地选自SiO2、HfO2、La2O3、Al2O3、TiO2和Si3N4的任一种或多种，且高-k介质侧墙的介电常数大于低-k介质侧墙的介电常数。进一步地，重掺杂层的掺杂类型与源区的掺杂类型相反，重掺杂层的掺杂类型与漏区的掺杂类型相同。进一步地，在重掺杂层的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与重掺杂层连接的源区，源区通过重掺杂层与纳米线阵列的一端连接；在纳米线阵列的另一端的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与纳米线阵列连接的漏区。进一步地，形成源区和漏区的材料独立地选自Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种。进一步地，在形成源区和漏区的步骤之后，制备方法还包括以下步骤：去除栅极材料，绕栅介质层的外周形成高-k栅介质层，并在高-k栅介质层的外周形成栅极；或者去除栅极材料和栅介质层以使纳米线阵列的外周裸露，绕纳米线阵列的外周形成高-k栅介质层，并在高-k栅介质层的外周形成栅极。进一步地，在形成栅极的步骤之后，制备方法还包括以下步骤：栅极具有未被掩膜层覆盖的第二裸露表面，从第二裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极以形成第二凹槽，并在第二凹槽的四周侧壁形成侧墙，剩余的栅极具有未被侧墙覆盖的第三裸露表面；从第三裸露表面开始向下对栅极进行各向异性刻蚀至栅介质层或衬底裸露，以形成沟槽；在沟槽中填充介电材料。根据本专利技术的另一方面，提供了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，包括：纳米线阵列，具有相对的两端；栅堆叠结构，环绕纳米线阵列设置，栅堆叠结构具有相对的第一端和第二端，且栅堆叠结构包括栅介质层和栅极；重掺杂层，与纳米线阵列的一端连接；高-k介质侧墙，与第一端连接；低-k介质侧墙，与第二端连接；源区，与重掺杂层连接，且高-k介质侧墙位于源区与栅堆叠结构之间；以及漏区，与纳米线阵列连接，且低-k介质侧墙位于漏区与栅堆叠结构之间。进一步地，形成源区和漏区的材料包括Si1-xGex、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种。进一步地，重掺杂层的掺杂类型与源区的掺杂类型相反，且重掺杂层的掺杂类型与漏区的掺杂类型相同。进一步地，形成高-k介质侧墙的材料和形成低-k介质侧墙的材料独立地选自SiO2、HfO2、La2O3、Al2O3、TiO2和Si3N4的任一种或多种，且高-k介质侧墙的介电常数大于低-k介质侧墙的介电常数。应用本专利技术的技术方案，由于该方法中先提供表面设置有沟道层和牺牲层的衬底，牺牲层与沟道层沿远离衬底的方向交替层叠设置，最外层的牺牲层上形成掩膜层，并从各牺牲层的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层的具有裸露表面的两端相对于沟道层向内凹入形成第一凹口和第二凹口，然后顺序形成纳米线阵列以及环绕纳米线阵列的栅堆叠结构，栅堆叠结构两端具有对应的第一凹口和第二凹口，然后分别在第一凹口和第二凹口中形成高-k介质侧墙和低-k介质侧墙，在高-k介质侧墙与沟道层之间形成重掺杂层，从而通过在源区与沟道层之间插入与源区掺杂类型相反的重掺杂层来提升隧穿几率，利用环栅结构增强栅控能力，源区一侧引入的高-k介质侧墙能够增大局域电场，垂直方向上堆叠的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底(10)的表面交替堆叠沟道层(30)和牺牲层(20)，并在最外层的所述牺牲层(20)上形成掩膜层(40)；从各所述牺牲层(20)的裸露表面开始向内进行刻蚀，使所述牺牲层(20)的两端相对于所述沟道层(30)向内凹入形成第一凹口(220)和第二凹口(230)；刻蚀去除部分所述沟道层(30)和全部所述牺牲层(20)，剩余的所述沟道层(30)形成纳米线阵列；绕所述纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层(60)的栅堆叠结构，向下刻蚀裸露的栅极材料形成第一凹槽，然后在第一凹槽中形成钝化保护层(160)；在位于所述栅堆叠结构第一端的所述第一凹口中形成高‑k介质侧墙(170)，去除位于所述高‑k介质侧墙(170)之间的部分所述沟道层(30)以形成第三凹口，在所述第三凹口中形成覆盖所述沟道层(30)的重掺杂层(180)，并形成与所述重掺杂层连接的源区(80)；以及在位于所述栅堆叠结构第二端的所述第二凹口(230)中形成低‑k介质侧墙(190)，并形成与所述沟道层(30)连接的漏区(90)。

【技术特征摘要】
1.一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底(10)的表面交替堆叠沟道层(30)和牺牲层(20)，并在最外层的所述牺牲层(20)上形成掩膜层(40)；从各所述牺牲层(20)的裸露表面开始向内进行刻蚀，使所述牺牲层(20)的两端相对于所述沟道层(30)向内凹入形成第一凹口(220)和第二凹口(230)；刻蚀去除部分所述沟道层(30)和全部所述牺牲层(20)，剩余的所述沟道层(30)形成纳米线阵列；绕所述纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层(60)的栅堆叠结构，向下刻蚀裸露的栅极材料形成第一凹槽，然后在第一凹槽中形成钝化保护层(160)；在位于所述栅堆叠结构第一端的所述第一凹口中形成高-k介质侧墙(170)，去除位于所述高-k介质侧墙(170)之间的部分所述沟道层(30)以形成第三凹口，在所述第三凹口中形成覆盖所述沟道层(30)的重掺杂层(180)，并形成与所述重掺杂层连接的源区(80)；以及在位于所述栅堆叠结构第二端的所述第二凹口(230)中形成低-k介质侧墙(190)，并形成与所述沟道层(30)连接的漏区(90)。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述沟道层(30)、所述牺牲层(20)和所述掩膜层(40)的步骤包括以下过程：在所述衬底(10)表面依次交替形成牺牲预备层(210)和沟道预备层(310)；在与所述衬底(10)距离最大的所述牺牲预备层(210)表面形成掩膜预备层(410)；采用图形转移工艺去除各所述掩膜预备层(410)的部分、各所述牺牲预备层(210)的部分和各所述沟道预备层(310)的部分，得到所述掩膜层(40)、所述沟道层(30)和所述牺牲层(20)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，形成所述沟道层(30)和牺牲层(20)的材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种，且形成所述沟道层(30)的材料不同于形成牺牲层(20)的材料。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述第一凹口(220)和所述第二凹口(230)的步骤中，使所述牺牲层(20)的裸露表面发生自限制化学反应形成牺牲氧化层，并刻蚀去除所述牺牲氧化层以形成所述第一凹口(220)和所述第二凹口(230)。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述纳米线阵列的步骤包括以下过程：采用图形转移工艺去除所述掩膜层(40)的部分、所述沟道层(30)的部分和所述牺牲层(20)的部分，以形成所述纳米线阵列；以及去除剩余的所述牺牲层(20)，以使所述纳米线阵列的外周裸露。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述栅堆叠结构和所述钝化保护层(160)的步骤包括以下过程：绕所述纳米线阵列的外周形成所述栅介质层(60)，并在所述栅介质层(60)的外周沉积所述栅极材料，形成环绕所述纳米线阵列的所述栅堆叠结构；最外层的所述栅堆叠结构具有未被所述掩膜层(40)覆盖的第一裸露表面，从所述第一裸露表面开始向下刻蚀去除部分所述栅极材料以形成所述第一凹槽，优选采用等离子体回刻去除部分所述栅极材料；在所述第一凹槽中沉积钝化介质形成所述钝化保护层(160)，优选所述钝化介质为Si3N4。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述高-k介质侧墙(170)的步骤包括：在位于所述栅堆叠结构第一端的所述第一凹口中沉积高-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分所述高-k介质材料，剩余的所述高-k介质材料与所述沟道层(30)的裸露表面齐平，以形成所述高-k介质侧墙(170)。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述第三凹口的步骤包括：使所述沟道层(30)的裸露表面发生自限制化学反应形成沟道氧化层，并刻蚀去除所述沟道氧化层以形成所述第三凹口。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述重掺杂层(180)的步骤包括：在所述第三凹口的裸露表面以及所述高-k介质侧墙(170)的裸露表面选择性外延生长外延材料并进行原位掺杂形成掺杂材料；各向异性刻蚀去除位于所述高-k介质侧墙(170)表面的部分所述掺杂材料，剩余所述掺杂材料与所述高-k介质侧墙(170...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱正勇，朱慧珑，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11