一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法。首先在衬底上沉积锗薄膜和镍薄膜，并通过退火形成镍锗合金薄膜作为器件的源极；其次在源极上沉积第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜；刻蚀第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜形成沟道孔洞，并氧化沟道孔洞内壁的氮化铪生成氧氮化铪或氧化铪，作为器件的栅绝缘层；在沟道孔洞中沉积非晶锗，并通过退火使锗结晶形成器件的沟道；最后在沟道上方沉积镍薄膜并退火形成镍锗合金作为器件的漏极。本发明专利技术采用先制备栅极堆垛再制备沟道的方法，充分降低了制备竖直结构器件过程中的工艺难度，降低了工艺成本，制得的器件具有驱动电流大、集成密度高等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法
本专利技术属于半导体器件领域，涉及一种高性能竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法。
技术介绍
硅沟道场效应晶体管(SiMOSFET)是现代集成电路最基本的组成单元，是集成电路实现运算、存储等功能的基础。衡量MOSFET器件性能高低最主要的指标是器件的开启电流，通过缩小MOSFET器件沟道长度的方法能够提升器件的性能。经过半个世纪的技术进步，MOSFET器件的特征尺寸越来越小，目前量产级的MOSFET器件沟道长度已达到20nm。进一步缩小器件尺寸的方法将导致严重的短沟道效应，难以进一步提升集成电路性能。为了解决这一问题，提出了锗沟道MOSFET(GeMOSFET)器件技术。利用锗比硅更高的载流子迁移率，可以在不缩小器件尺寸的前提下持续提升MOSFET器件性能。国内外各大企业及科研机构均将GeMOSFET器件技术作为下一代高性能集成电路器件的候选方案之一。经过近年来的快速发展，GeMOSFET器件技术取得了显著进步，主要体现在器件的开启电流已显著高于传统SiMOSFET器件，显示了GeMOSFET器件技术广阔的应用前景。除了增大更大的器件开启电流，提升器件的集成度也是获得更高集成电路性能的有效手段。传统的MOSFET器件中沟道处于平行于衬底表面，由于器件的源极、漏极、沟道等区域的面积无法持续缩小，限制了MOSFET器件的集成密度。利用竖直结构的MOSFET器件(沟道垂直于衬底表面)，能够充分减小器件的投影面积，提升器件的集成度。竖直结构锗沟道场效应晶体管的源极、沟道和漏极区域自下而上堆叠，栅极堆垛环绕竖直沟道的四周。这样的结构特点导致传统的先制备沟道再制备栅极堆垛的方法难以形成竖直结构的锗沟道场效应晶体管。因此，本专利技术提出一种先制备栅极堆垛再制备沟道的方法，实现竖直结构锗沟道场效应晶体管的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有硅沟道场效应晶体管器件的不足，提供一种基于竖直沟道结构的锗沟道效应晶体管器件的制造方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，该方法包括如下步骤：(1)在衬底上依次沉积锗薄膜和镍薄膜，并通过退火形成镍锗合金薄膜作为器件的源极；(2)在源极上依次沉积第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜；(3)刻蚀第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜形成沟道孔洞，并氧化沟道孔洞内壁的氮化铪生成氧氮化铪或氧化铪，作为器件的栅绝缘层；(4)在沟道孔洞中沉积非晶锗，并通过退火使锗结晶形成器件的沟道；(5)在沟道上方沉积镍薄膜并退火形成镍锗合金作为器件的漏极，最终形成竖直结构锗沟道场效应晶体管器件。进一步地，所述衬底材料包含但不限于硅、硅表面沉积氧化硅、石英、蓝宝石；所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料包含但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化铪。进一步地，所述步骤(1)中，沉积锗薄膜和镍薄膜的方法为热蒸镀或溅射；退火的方法为热退火、闪光灯退火或激光退火；所述步骤(2)中，沉积第一绝缘层和第二绝缘层的方法为原子层沉积；沉积氮化铪薄膜的方法为原子层沉积或溅射。进一步地，所述步骤(2)中，刻蚀第一绝缘层、氮化铪薄膜和第二绝缘层形成沟道孔洞的方法为反应离子刻蚀。进一步地，所述步骤(3)中，氧化沟道孔洞内壁的氮化铪的方法为热氧化或臭氧氧化。进一步地，所述步骤(4)中，在沟道孔洞中沉积非晶锗的方法为热蒸镀、溅射或化学气相沉积；退火使锗结晶的方法为热退火、闪光灯退火或激光退火。进一步地，所述步骤(5)中，沉积镍薄膜的方法为热蒸镀或溅射；退火的方法为热退火、闪光灯退火或激光退火。进一步地，所述步骤(2)中氮化铪薄膜的厚度为20至500纳米，第一绝缘层和第二绝缘层的厚度均为5至10纳米；所述步骤(3)中栅绝缘层的厚度为2至20纳米。进一步地，所述步骤(3)中沟道孔洞为圆柱形，其直径为10至25纳米。进一步地，所述步骤(5)中，漏极的下表面不高于第二绝缘层的上表面。本专利技术的有益效果是：1，采用锗沟道能够在不改变器件尺寸的前提下获得更大的驱动电流，提升器件的性能；2，通过竖直沟道结构减小器件的投影面积，增大器件的集成密度，获得高性能集成电路；3，采用先通过沉积氮化铪薄膜作为金属栅极，然后刻蚀氮化铪薄膜形成沟道孔洞，氧化沟道孔洞内壁的氮化铪形成栅绝缘层，从而制得器件的栅极堆垛，最后在沟道孔洞内沉积锗，制得器件的沟道；通过以上先制备栅极堆垛再制备沟道的方法，充分降低了制备竖直结构器件过程中的工艺难度，降低了工艺成本。本专利技术利用竖直结构的锗沟道，具有载流子迁移率高、器件投影面积小、集成度高、与现有集成电路制造工艺兼容等优势，在高性能逻辑器件以及超大规模集成电路等领域有广阔的应用前景。附图说明图1(a)为在衬底上生长锗薄膜和第一镍薄膜示意图；图1(b)为退火使锗薄膜和第一镍薄膜反应生成镍锗合金作为器件的源极示意图；图2(a)为在镍锗合金薄膜表面生长第一绝缘层、氮化铪薄膜和第二绝缘层示意图；图2(b)为刻蚀第二绝缘层、氮化铪薄膜和第一绝缘层形成沟道孔洞示意图；图2(c)为氧化沟道孔洞内壁生成氧氮化铪或氧化铪栅绝缘层示意图；图3(a)为在沟道孔洞中沉积非晶锗示意图；图3(b)为利用退火使非晶锗结晶，形成器件的沟道示意图；图4(a)为在沟道上沉积第二镍薄膜示意图；图4(b)为利用退火使第二镍薄膜与沟道中的锗反应生成镍锗合金作为器件的漏极示意图；图5为竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的结构图；图中，石英衬底10、锗薄膜11、第一镍薄膜12、源极13、第一绝缘层20、氮化铪薄膜21、第二绝缘层22、栅绝缘层23、非晶锗30、沟道31、第二镍薄膜40、漏极41。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供的一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，包括如下步骤：(1)在衬底上依次沉积锗薄膜和第一镍薄膜，并通过退火形成镍锗合金薄膜作为器件的源极；(2)在源极上依次沉积第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜；(3)刻蚀第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜形成沟道孔洞，并氧化沟道孔洞内壁的氮化铪生成氧氮化铪或氧化铪，作为器件的栅绝缘层；(4)在沟道孔洞中沉积非晶锗，并通过退火使锗结晶形成器件的沟道；(5)在沟道上方沉积第二镍薄膜并退火形成镍锗合金作为器件的漏极，最终形成竖直结构锗沟道场效应晶体管器件。进一步地，所述衬底材料包含但不限于硅、硅表面沉积氧化硅、石英、蓝宝石。进一步地，所述氮化铪薄膜的厚度为20至500纳米。进一步地，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料包含但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化铪，厚度为5至10纳米。进一步地，所述沟道孔洞为圆柱形，其直径为10至25纳米。进一步地，所述栅绝缘层的厚度为2至20纳米。进一步地，所述步骤(1)中，沉积锗薄膜和镍薄膜的方法为热蒸镀或溅射；退火的方法为热退火、闪光灯退火或激光退火。进一步地，所述步骤(2)中，沉积第一绝缘层和第二绝缘层的方法为原子层沉积；沉积氮化铪薄膜的方法为原子层沉积或溅射。进一步地，所述步骤(2)中，刻蚀第一绝缘层、氮化铪薄膜和第二绝缘层形成沟道孔洞的方法为反应离子刻蚀。进一步地，所述步骤(3)中，氧化沟道孔洞内壁的氮化铪的方法为热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)在衬底上依次沉积锗薄膜和镍薄膜，并通过退火形成镍锗合金薄膜作为器件的源极；(2)在源极上依次沉积第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜；(3)刻蚀第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜形成沟道孔洞，并氧化沟道孔洞内壁的氮化铪生成氧氮化铪或氧化铪，作为器件的栅绝缘层；(4)在沟道孔洞中沉积非晶锗，并通过退火使锗结晶形成器件的沟道；(5)在沟道上方沉积镍薄膜并退火形成镍锗合金作为器件的漏极，最终形成竖直结构锗沟道场效应晶体管器件。

【技术特征摘要】
1.一种竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)在衬底上依次沉积锗薄膜和镍薄膜，并通过退火形成镍锗合金薄膜作为器件的源极；(2)在源极上依次沉积第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜；(3)刻蚀第一绝缘层薄膜、氮化铪薄膜和第二绝缘层薄膜形成沟道孔洞，并氧化沟道孔洞内壁的氮化铪生成氧氮化铪或氧化铪，作为器件的栅绝缘层；(4)在沟道孔洞中沉积非晶锗，并通过退火使锗结晶形成器件的沟道；(5)在沟道上方沉积镍薄膜并退火形成镍锗合金作为器件的漏极，最终形成竖直结构锗沟道场效应晶体管器件。2.根据权利要求1所述的竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，其特征在于，所述衬底材料包含但不限于硅、硅表面沉积氧化硅、石英、蓝宝石；所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料包含但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化铪。3.根据权利要求1所述的竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中，沉积锗薄膜和镍薄膜的方法为热蒸镀或溅射；退火的方法为热退火、闪光灯退火或激光退火；所述步骤(2)中，沉积第一绝缘层和第二绝缘层的方法为原子层沉积；沉积氮化铪薄膜的方法为原子层沉积或溅射。4.根据权利要求1所述的竖直结构锗沟道场效应晶体管器件的制造方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿，赵毅，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33