一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法；该纳米片晶体管包括：衬底、源区、漏区、栅极材料以及多个纳米片沟道层；其中，栅极材料包覆纳米片沟道层形成围栅结构；源区、围栅结构以及漏区沿沟道方向依次设置于衬底之上；沟道方向为从源区指向漏区的方向；栅极材料与纳米片沟道层的相邻面之间、与衬底的相邻面之间均设置有异质栅介质层；异质栅介质层包括沿沟道方向连续设置的多种栅介质材料，多种栅介质材料的相对介电常数随沟道方向逐渐降低；源区通过第一隔离介质与栅区实现隔离；漏区通过第一隔离介质与栅区实现隔离。本发明专利技术减轻了小尺寸场效应晶体管的短沟道效应，降低了关态电流泄漏，提升了小尺寸半导体器件的电学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法。
技术介绍
随着半导体器件的尺寸逐渐减小，对大尺寸器件影响不大的短沟效应逐渐对小尺寸器件的性能形成了威胁。短沟效应指的是在外加电压的情况下，源漏PN结处所形成的耗尽区会变相的缩短沟道长度。对于小尺寸器件而言，短沟效应所带来的影响开始变得难以忽略。并且，由于沟道缩短导致漏端电场强度增加，使得载流子极易通过隧穿到达漏端，造成关态电流泄漏；这一现象从效果上看仿佛漏端势垒降低，被称为漏感应势垒降低效应。在小尺寸器件中，短沟道效应降低了器件的阈值电压，使得器件在关闭状态下的漏电流增大；由此带来的功耗增加以及电学性能损失对于大规模集成电路而言是无法接受的。因此，有必要对器件进行优化，使其在性能不恶化的前提下能够适应工艺尺寸的缩小。相关技术中，为降低短沟道效应对器件的影响，提出了鳍式场效应晶体管、堆叠纳米线场效应晶体管、堆叠纳米片场效应晶体管等特殊结构的场效应晶体管。其中，在鳍式场效应晶体管中，沟道被制作成类似鱼鳍一样的立体竖直结构，栅极则覆盖在沟道周围；纳米线场效应晶体管则是在鳍式场效应晶体管的基础上做出了改进，将鳍分开为纳米线，并用栅材料将纳米线的四周完全包围；纳米片场效应晶体管在纳米线的基础上增大了沟道宽度，使得导电沟道呈薄片状。然而，即使是栅控能力最好的纳米场效应晶体管，在小尺寸时，由于漏端较高的电场强度，其性能依旧会受到短沟效应的抑制；而如果使用高介电常数材料作为栅介质以提高开态特性，短沟道效应以及关态时的电流泄漏效应将表现的更为明显，极大的增加了器件的静态功耗。
技术实现思路
为了减轻小尺寸场效应晶体管的短沟道效应以及关态电流泄漏，提升小尺寸场效应晶体管的电学性能，本专利技术提供了一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种具有异质栅介质的纳米片晶体管，包括：衬底、源区、漏区、栅极材料以及平行设置的多个纳米片沟道层；其中，所述栅极材料包覆所述多个纳米片沟道层形成围栅结构；所述源区、所述围栅结构以及所述漏区沿沟道方向依次设置于所述衬底之上，且三者分别设有电极；所述沟道方向为从所述源区指向所述漏区的方向；所述栅极材料与所述纳米片沟道层的相邻面之间、与所述衬底的相邻面之间均设置有异质栅介质层；所述异质栅介质层包括沿所述沟道方向连续设置的多种栅介质材料，所述多种栅介质材料的相对介电常数随所述沟道方向逐渐降低；所述源区通过第一隔离介质与栅区实现隔离；所述漏区通过所述第一隔离介质与所述栅区实现隔离；所述栅区包括所述栅极材料和所述异质栅介质层。在一个实施例中，所述源区和所述漏区均包括：外延体硅和第二隔离介质；所述外延体硅的内侧表面与所述纳米片沟道层、所述第一隔离介质相接触；所述第二隔离介质附着于所述外延体硅的剩余表面。在一个实施例中，所述异质栅介质层包括：沿所述沟道方向连续设置的二氧化铪HfO2材料和二氧化硅SiO2材料。在一个实施例中，所述栅极材料包括：氮化钛TiN。在一个实施例中，所述纳米片沟道层的材质包括IV族半导体材料或III-V族半导体材料。在一个实施例中，所述第一隔离介质包括：氮化硅Si3N4。第二方面，本专利技术实施例提供了一种具有异质栅介质的纳米片晶体管的制备方法，包括：步骤1：在衬底上交替淀积多层的牺牲材料和多个纳米片沟道层以形成超晶格结构；所述超晶格结构中，所述多个纳米片沟道层平行设置；步骤2：在所述超晶格结构的上表面中段制作伪栅极堆叠层，并在所述中段的两侧淀积第一隔离介质；步骤3：以所述伪栅极堆叠层为掩膜版对所述超晶格结构两端的牺牲材料进行刻蚀，以使每个所述纳米片沟道层下方的牺牲材料相对于该纳米片沟道层向内避让形成凹槽；步骤4：向所述凹槽内填充所述第一隔离介质；步骤5：在所述超晶格结构的两侧制作源区和漏区；步骤6：刻蚀掉所述伪栅极堆叠层以及所述牺牲材料，形成裸露间隙；所述裸露间隙用于制作栅区；步骤7：基于多个预设掩膜版，在所述裸露间隙中，沿预设的沟道方向在所述纳米片沟道层的表面连续淀积多种栅介质材料，以在所述纳米片沟道层的表面形成异质栅介质层；其中，所述多种栅介质材料的相对介电常数随所述沟道方向逐渐降低；所述沟道方向为从所述源区指向所述漏区的方向；步骤8：向所述裸露间隙的剩余空间中填充栅极材料，并使所述栅极材料包覆所述多个纳米片沟道层形成围栅结构；步骤9：在所述源区、所述漏区以及所述围栅结构上分别制作电极。在一个实施例中，所述异质栅介质层包括：沿所述沟道方向连续设置的二氧化铪HfO2材料和与二氧化硅SiO2材料。在一个实施例中，所述步骤5包括：在所述超晶格结构的两侧制作外延体硅；其中，所述外延体硅的内侧表面与所述纳米片沟道层、所述第一隔离介质相接触；在两侧所述外延体硅的剩余表面淀积第二隔离介质，得到所述源区和所述漏区。在一个实施例中，所述栅极材料包括：氮化钛TiN。本专利技术提供的具有异质栅介质的纳米片晶体管中，沿沟道方向淀积了多种具有不同相对介电常数的栅介质材料，且这些栅介质材料的相对介电常数随沟道方向逐渐降低；由此，本专利技术能够使得电场强度在沟道中央出现一个峰值，从而提升沟道迁移率，提升了纳米片晶体管的开启电流，并抑制了纳米片结构在关态的泄漏电流；基于此，本专利技术还可以有效减小纳米片结构的静态功耗，同时提高纳米片结构的驱动能力。综上，本专利技术减轻了小尺寸场效应晶体管的短沟道效应，降低了关态电流泄漏，并提升了小尺寸半导体器件的电学性能。以下将结合附图及对本专利技术做进一步详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种具有异质栅介质的纳米片晶体管的外观立体图；图2是图1在前视方向上的横截面图；图3是沿图1中垂直于各个纳米片沟道层的面所做的左视方向上的横截面图；图4是专利技术实施例提供的另一种具有异质栅介质的纳米片晶体管的外观立体图；图5和图6是专利技术实施例提供的纳米片晶体管与现有采用单一栅介质材料的纳米片晶体管两者的漏电流仿真图；图7是本专利技术实施例提供的一种具有异质栅介质的纳米片晶体管的制备方法流程图；图8(a)至图8(j)是图7中各步骤执行完毕后得到的样品结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。为了减轻小尺寸场效应晶体管的短沟道效应以及关态电流泄漏，提升小尺寸场效应晶体管的电学性能，本专利技术实施例提供了一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法。首先对本专利技术实施例提供的具有异质栅介质的纳米片晶体管进行详细说明。参见图1和图2所示，该纳米片晶体管包括：衬底10、源区20、漏区30、栅极材料40以及平行设置的多个纳米片沟道层50；图1为该纳米片晶体管的立体结构图，图2为该纳米片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有异质栅介质的纳米片晶体管，其特征在于，包括：衬底、源区、漏区、栅极材料以及平行设置的多个纳米片沟道层；其中，/n所述栅极材料包覆所述多个纳米片沟道层形成围栅结构；/n所述源区、所述围栅结构以及所述漏区沿沟道方向依次设置于所述衬底之上，且三者分别设有电极；所述沟道方向为从所述源区指向所述漏区的方向；/n所述栅极材料与所述纳米片沟道层的相邻面之间、与所述衬底的相邻面之间均设置有异质栅介质层；所述异质栅介质层包括沿所述沟道方向连续设置的多种栅介质材料，所述多种栅介质材料的相对介电常数随所述沟道方向逐渐降低；/n所述源区通过第一隔离介质与栅区实现隔离；所述漏区通过所述第一隔离介质与所述栅区实现隔离；所述栅区包括所述栅极材料和所述异质栅介质层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有异质栅介质的纳米片晶体管，其特征在于，包括：衬底、源区、漏区、栅极材料以及平行设置的多个纳米片沟道层；其中，
所述栅极材料包覆所述多个纳米片沟道层形成围栅结构；
所述源区、所述围栅结构以及所述漏区沿沟道方向依次设置于所述衬底之上，且三者分别设有电极；所述沟道方向为从所述源区指向所述漏区的方向；
所述栅极材料与所述纳米片沟道层的相邻面之间、与所述衬底的相邻面之间均设置有异质栅介质层；所述异质栅介质层包括沿所述沟道方向连续设置的多种栅介质材料，所述多种栅介质材料的相对介电常数随所述沟道方向逐渐降低；
所述源区通过第一隔离介质与栅区实现隔离；所述漏区通过所述第一隔离介质与所述栅区实现隔离；所述栅区包括所述栅极材料和所述异质栅介质层。


2.根据权利要求1所述的纳米片晶体管，其特征在于，所述源区和所述漏区均包括：外延体硅和第二隔离介质；
所述外延体硅的内侧表面与所述纳米片沟道层、所述第一隔离介质相接触；
所述第二隔离介质附着于所述外延体硅的剩余表面。


3.根据权利要求1所述的纳米片晶体管，其特征在于，所述异质栅介质层包括：沿所述沟道方向连续设置的二氧化铪HfO2材料和二氧化硅SiO2材料。


4.根据权利要求1所述的纳米片晶体管，其特征在于，所述栅极材料包括：氮化钛TiN。


5.根据权利要求1所述的纳米片晶体管，其特征在于，所述纳米片沟道层的材质包括IV族半导体材料或III-V族半导体材料。


6.根据权利要求1所述的纳米片晶体管，其特征在于，所述第一隔离介质包括：氮化硅Si3N4。


7.一种具有异质栅介质的纳米片晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李高鹏，
申请(专利权)人：西安国微半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61