一种锗纳米线场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种锗纳米线场效应晶体管的制备方法，包括步骤1）提供SGOI衬底结构；2）刻蚀SiGe层，形成SiGe纳米线阵列；3）对步骤2）的结构进行锗浓缩，得到表面被SiO2层包裹的锗纳米线阵列；4）去除包裹在纳米线两端表面的SiO2层，裸露出锗纳米线的两端；5）在锗纳米线的延长线上沉积金属引线、源极电极和漏极电极，在硅衬底上制作栅极电极；6）在步骤5）的结构表面形成Si3N4保护层；7）去除纳米线图形区域和金属电极图形区域内的Si3N4保护层，直至完全露出锗纳米线、源极电极和漏极电极。本发明专利技术的锗纳米线基于自上而下的方法，工艺过程简单，可控性强，与传统的CMOS工艺完全兼容，成本较低，适于工业生产。

【技术实现步骤摘要】
一种锗纳米线场效应晶体管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件的制造领域，涉及一种锗纳米线场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
随着集成电路特征尺寸的不断缩小，场效应晶体管(MOSFET)的短沟道效应越来越严重。由于双栅、三栅、Ω栅和围栅结构可有效增大MOS的器件驱动电流，抑制器件短沟道效应和关态电流，从而受到了学术界和业界的广泛关注。近年来，一维纳米材料如纳米线、纳米管、纳米棒由于其具有传统材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性能正成为纳米科学、微电子学和生物医学等交叉学科研究的热点。平面电极表面的电荷变化只会引起其表面载流子的耗尽或积累，纳米线由于高表面体积比和可调的电子传输特性，其表面轻微的电荷扰动都会引起其内部载流子的耗尽或积累，从而引起其电学性能强烈的变化。理论上表面单个电荷的变化就会引起纳米线电学性能非常大的变化，而且这种变化是定向的，背景噪声远小于平面电极表面电荷向四周分散变化产生的干扰，这为我们利用纳米线进行高灵敏度核酸扩增实时定量电化学检测提供了新思路。锗作为重要的半导体材料之一，其具有波尔半径大(为24.3nm，远大于硅的4.9nm)、本征载流子浓度高(为2.4×1013/cm3，远大于硅的1.45×1010/cm3)、本征载流子迁移率高(室温下电子和空穴的迁移率分别为3900cm2/V·s和1900cm2/V·s，而硅的分别为1500cm2/V·s和450cm2/V·s)等优点，相比于硅等一般半导体材料的纳米线来说，锗纳米线敏感性更高、检测反应时间更快、更容易呈现量子限制效应等新颖的电光性能，在纳米场效应晶体管等纳米器件方面具有很好的应用前景。此外，锗与GaAs等III-V等有相近的晶格常数，锗与III-V族材料更容易匹配，所以锗纳米线在新型纳米器件、纳米连接导线等领域有重要的潜在应用价值。目前，制备锗纳米线的方法主要有激光烧蚀法、化学还原法、溶液热合成法、化学气相沉积法(CVD)、模板法、金催化热蒸发法和超临界溶液法等。但是，上述制备方法都存在有缺陷：激光烧蚀法作为较早实现大量制备锗纳米线的方法，具有工序简单、产品产量较大且纯度高等特点，但设备昂贵，制备温度高，产品成本较高。CVD法则在制备温度上降低很多，但所得锗纳米线的直径分布范围较大。而采用溶剂热合成方法虽然制备温度也较低，但是产物中纳米颗粒较多，锗纳米线的纯度较低，虽然采用模板法可以制备出均匀且笔直的锗纳米线阵列，但是产量较低。同时，上述制备锗纳米线的方法均为自下而上(Bottom-Up)的方法，即首先基于化学反应合成锗纳米线，然后将这些纳米线转移到衬底的特定位置形成功能器件，这类方法制备出来的锗纳米线与传统的CMOS工艺完全不兼容，且均一性差，难于操作和排列、难于与场效应晶体管集成等，大大影响了锗纳米线在场效应晶体管中的应用。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种锗纳米线场效应晶体管的制备方法，用于解决由于现有的制备锗纳米线的方法均为自下而上的方法，使得所述制备的锗纳米线与传统的CMOS工艺完全不兼容，均一性差，难于操作和排布，且难于与场效应晶体管集成等，进而大大影响了锗纳米线在场效应晶体管中应用的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种锗纳米线场效应晶体管的制备方法，所述方法至少包括：1)提供一SGOI衬底结构，所述SGOI衬底结构包括硅衬底、位于所述硅衬底上表面的埋氧层和位于所述埋氧层上的SiGe层；2)利用刻蚀工艺刻蚀所述SiGe层，以形成预定尺寸的SiGe纳米线阵列；3)对所述步骤2)得到的结构进行锗浓缩，并控制锗浓缩的工艺条件以得到表面被SiO2层所包裹的预定尺寸的锗纳米线阵列；4)去除包裹在所述锗纳米线两端表面的SiO2层，以裸露出所述锗纳米线的两端；5)在所述锗纳米线的延长线上沉积金属引线、源极电极和漏极电极，所述金属引线的一端与所述裸露出的锗纳米线的一端相连接，另一端与所述源极电极或漏极电极相连接；在所述硅衬底上制作栅极电极；6)在所述步骤5)得到的结构的表面形成Si3N4保护层；7)图形化所述Si3N4保护层，以形成所述锗纳米线图形区域和金属电极图形区域，去除所述纳米线图形区域和所述金属电极图形区域内的Si3N4保护层，直至完全裸露出所述锗纳米线、所述源极电极和漏极电极。可选地，在步骤1)中，所述埋氧层的厚度为100nm～150nm；所述SiGe层的厚度为100nm～110nm。优选地，所述埋氧层的厚度为130nm；所述SiGe层的厚度为105nm。优选地，在步骤1)中，所述SiGe层中Ge的组分为20％～40％。可选地，在步骤2)中，刻蚀所述SiGe层形成的SiGe纳米线的宽度为150nm～200nm。优选地，刻蚀所述SiGe层形成的SiGe纳米线的宽度为180nm。优选地，形成被SiO2层包裹的锗纳米线阵列时，所述步骤3)包括以下步骤：3-1)将所述步骤2)得到的结构放入600℃反应炉中，然后通入5000ccm的N2作为保护气氛，以每分钟上升10℃的速度加热反应炉至达到950℃后停止通入N2；3-2)通入4000ccm的O2保持45分钟后停止；3-3)通入5000ccm的N2保持45分钟后停止；3-4)在N2气氛下使反应炉温度在1个小时内从950℃降到825℃；3-5)通入4000ccm的O2保持60分钟后停止；3-6)通入5000ccm的N2保持30分钟后停止；3-7)在N2气氛下使反应炉温度在1个小时内从825℃降至600℃，完成锗浓缩，形成依次包括有硅衬底、埋氧层、以及被SiO2层包裹的所述锗纳米线阵列的层叠结构。优选地，包裹所述各锗纳米线的SiO2层的厚度为80-100nm。优选地，所述锗纳米线为圆柱形，所述锗纳米线的直径为75nm。优选地，在步骤4)中，利用湿法腐蚀去除包裹在所述锗纳米线两端表面的SiO2层，所使用的腐蚀溶液为稀释的氢氟酸。优选地，在步骤5)中，所述栅极电极沉积在所述硅衬底的下表面。本专利技术还提供一种锗纳米线场效应晶体管，所述锗纳米线场效应晶体管至少包括：硅衬底；埋氧层，位于所述硅衬底的上表面；多个锗纳米线形成的锗纳米线阵列结构，形成于所述埋氧层上；所述锗纳米线表面包裹有SiO2层，且所述锗纳米线的两端裸露在所述SiO2层外侧；多个金属引线，分别位于所述锗纳米线的两端，且与裸露的所述锗纳米线相连接；源极电极，与位于所述锗纳米线一端的所述金属引线相连接；漏极电极，与位于所述锗纳米线另一端的所述金属引线相连接；Si3N4保护层，覆盖于所述金属引线和所述裸露的锗纳米线的表面上；栅极电极，位于所述硅衬底的下表面。优选地，包裹所述各锗纳米线的SiO2层的厚度为80-100nm。优选地，所述锗纳米线为圆柱形，所述锗纳米线的直径为75nm。如上所述，本专利技术的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，具有以下有益效果：本专利技术采用锗纳米线作为场效应晶体管的沟道，由于锗相较于传统的半导体材料更容易呈现量子限制效应，可以使所制备的场效应晶体管具有更高的敏感性、更快的检测反应时间。本专利技术的锗纳米线基于自上而下的方法，工艺过程简单，可控性强，与传统的CMOS工艺完全兼容，成本较低，适用于大规模工业化生产；同时，采用锗浓缩技术制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)提供一SGOI衬底结构，所述SGOI衬底结构包括硅衬底、位于所述硅衬底上表面的埋氧层和位于所述埋氧层上的SiGe层；2)利用刻蚀工艺刻蚀所述SiGe层，以形成预定尺寸的SiGe纳米线阵列；3)对所述步骤2)得到的结构进行锗浓缩，并控制锗浓缩的工艺条件以得到表面被SiO2层所包裹的预定尺寸的锗纳米线阵列；4)去除包裹在所述锗纳米线两端表面的SiO2层，以裸露出所述锗纳米线的两端；5)在所述锗纳米线的延长线上沉积金属引线、源极电极和漏极电极，所述金属引线的一端与所述裸露出的锗纳米线的一端相连接，另一端与所述源极电极或漏极电极相连接；在所述硅衬底上制作栅极电极；6)在所述步骤5)得到的结构的表面形成Si3N4保护层；7)图形化所述Si3N4保护层，以形成所述锗纳米线图形区域和金属电极图形区域，去除所述纳米线图形区域和所述金属电极图形区域内的Si3N4保护层，直至完全裸露出所述锗纳米线、所述源极电极和漏极电极。

【技术特征摘要】
1.一种锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)提供一SGOI衬底结构，所述SGOI衬底结构包括硅衬底、位于所述硅衬底上表面的埋氧层和位于所述埋氧层上的SiGe层；2)利用刻蚀工艺刻蚀所述SiGe层，以形成SiGe纳米线阵列；3)对所述步骤2)得到的结构进行锗浓缩，并控制锗浓缩的工艺条件以得到表面被SiO2层所包裹的锗纳米线阵列；4)去除包裹在所述锗纳米线两端表面的SiO2层，以裸露出所述锗纳米线的两端；5)在所述锗纳米线的延长线上沉积金属引线、源极电极和漏极电极，所述金属引线的一端与所述裸露出的锗纳米线的一端相连接，另一端与所述源极电极或漏极电极相连接；在所述硅衬底上制作栅极电极；6)在所述步骤5)得到的结构的表面形成Si3N4保护层；7)图形化所述Si3N4保护层，以形成所述锗纳米线图形区域和金属电极图形区域，去除所述纳米线图形区域和所述金属电极图形区域内的Si3N4保护层，直至完全裸露出所述锗纳米线、所述源极电极和漏极电极。2.根据权利要求1所述的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述埋氧层的厚度为100nm～150nm；所述SiGe层的厚度为100nm～110nm。3.根据权利要求2所述的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述埋氧层的厚度为130nm；所述SiGe层的厚度为105nm。4.根据权利要求1所述的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述SiGe层中Ge的组分为20％～40％。5.根据权利要求1所述的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，刻蚀所述SiGe层形成的SiGe纳米线的宽度为150nm～200nm。6.根据权利要求5所述的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于：刻蚀所述SiGe层形成的SiGe纳米线的宽度为180nm。7.根据权利要求1所述的锗纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于：形成被SiO2层包裹的锗纳米线阵列时，所述步骤3)包括以下步骤：3-1)将所述步骤2)得到的结构放入600℃反应炉中，然后通入5000ccm的N2...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄增峰，叶林，许宝建，蔡奇，王刚，张苗，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31