平面超晶格纳米线场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体技术领域，公开了一种平面超晶格纳米线场效应晶体管及其制备方法，本发明专利技术是通过分区淀积叠层非晶锗硅前驱体生长出可精确定位的分区超晶格纳米线，通过光刻或者EBL的方法在超晶格区域的纳米线两侧做源漏电极，接着根据需要选择性刻蚀纳米线超晶格结构区域的晶体锗或者晶硅，在源漏电极之间留下纳米片状的晶体硅或者晶体锗作为导电沟道；然后淀积一层栅介质，最后通过光刻或EBL的方法在源漏电极之间做栅电极即完成制备Fin

【技术实现步骤摘要】
平面超晶格纳米线场效应晶体管及其制备方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及一种平面超晶格纳米线场效应晶体管及其制备方法，属于半导体


技术介绍

[0003]随着不断扩展到5纳米节点以上，新型高迁移率通道材料已被考虑用于Fin
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FET（鳍式场效应晶体管）或纳米线器件，如pMOSFETs中的Ge或SiGe和nMOSFETs中的Si或III/V族材料。目前的高迁移率的fin多采用异质外延生长超晶格结构，结合刻蚀技术制备，但是成本较高，工艺复杂。
[0004]为了更好地与平面硅工艺相兼容，并实现定位集成，本申请专利技术人在平面固液固生长机理（IP
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SLS）上曾申请过专利号201710653561.5，名称为一种基于异质叠层非晶薄膜供给的平面锗硅及相关纳米线生长形貌和组分调控的方法：其中采用异质叠层非晶硅和非晶锗层作为前驱体供给层，由低熔点金属铟、锡纳米颗粒吸收非晶层在平面衬底上直接生长硅锗超晶格纳米线，纳米线的生长方向受到衬底上沟道的引导。另外，本申请专利技术人还曾申请公开号为CN 112366521 A，公开了一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法，通过分区淀积叠层非晶锗硅前驱体生长出可精确定位的分区超晶格纳米线，并选择性刻蚀纳米线超晶格结构区域的晶体锗。
[0005]经专利技术人研究发现，将生长好的硅锗超晶格纳米线经过湿法、干法刻蚀工艺发现，可以选择性的刻蚀掉纳米线上的晶体硅、锗，这样原来连续的超晶格纳米线变成了分立的尺寸规则的纳米薄片分布在衬底上。纳米线的直径可以通过催化剂的尺寸以及前驱体的厚度调控，即纳米线薄片的长度可以得到调控。这样有可能通过结合光刻和干法刻蚀的简单工艺制备出小尺寸、高性能的Fin
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FET器件。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本专利技术通过分区淀积叠层非晶锗硅前驱体生长出可精确定位的分区超晶格纳米线，通过光刻或者EBL的方法在超晶格区域的纳米线两侧做源漏电极，接着根据需要选择性刻蚀纳米线超晶格结构区域的晶体锗或者晶硅，在源漏电极之间留下纳米片状的晶体硅或者晶体锗作为导电沟道；然后淀积一层栅介质，最后通过光刻或EBL的方法在源漏电极之间做栅电极即完成制备Fin
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FET。
[0007]技术方案：平面超晶格纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）利用PECVD或者PVD工艺在衬底材料上淀积一层200~1000 nm厚的绝缘介质层；2）利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义引导台阶图案，利用电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE ，通入SF6、C4F8、CF4或者Ar对所述光刻胶掩膜层
暴露的绝缘介质层进行刻蚀形成垂直台阶侧壁；3）在刻蚀的引导台阶一端，通过光刻、热蒸发工艺或者溅射工艺，垂直于引导台阶长度方向局部淀积一层厚度为10~100 nm的带状催化金属层；在PECVD中升温至催化金属层熔点以上，通入还原性气体等离子体进行处理，使覆盖在所述引导台阶一端的带状催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；4）将温度降低到金属纳米颗粒熔点以下，在整个样品结构表面先淀积一层非晶锗，利用光刻和ICP或RIE刻蚀工艺在引导台阶的特定区域留下非晶锗区域，然后在整个衬底表面淀积一层非晶硅作为前驱体薄膜层；5）在真空或者惰性气体保护的环境中，将温度升高至催化金属熔点以上，使得金属纳米颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，后端析出晶态的纳米线；所述晶态的纳米线借助引导台阶作为引导沟道平行生长，获得平行生长于引导台阶的可精确定位的局部有锗硅超晶格结构的纳米线阵列；6）使用氨水清除纳米线周围剩余的非晶层前驱体薄膜层；7）通过光刻或者电子束曝光EBL在有硅锗超晶格结构的纳米线两侧做源漏电极图案，通过电子束蒸发EBE蒸镀金属作为源漏电极；8）通过选择性刻蚀硅锗材料技术刻蚀掉超晶格纳米线上的硅或锗的部分得到源漏电极间只有锗或硅的纳米片连接；9）在样品上淀积栅介质层，然后再通过光刻或者电子束曝光EBL在源漏电极之间的区域做栅电极图案，蒸镀金属做栅电极，制备完成场效应晶体管。
[0008]作为优选，所述步骤1）中，所述的衬底材料为晶硅、玻璃、铝箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸类塑料。
[0009]作为优选，所述步骤1）中，所述绝缘介质层的厚度为100~600 nm。
[0010]作为优选，所述步骤4）衬底上的所述特定区域处的前驱体薄膜层为非晶硅a
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Si和非晶锗a
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Ge的异质叠层结构，其他区域为单层的非晶硅薄膜。
[0011]作为优选，在所述步骤4）引导台阶和衬底上，每层前驱体薄膜层的覆盖厚度在2~500 nm。
[0012]作为优选，所述步骤7）中根据纳米线的直径选择光刻或电子束蒸发EBL制备电极图案；所述源漏电极为双层金属，第一层金属作为粘附层，为Pt、Ti或Cr金属，厚度1~10 nm，第二层金属为Au,厚度20~100 nm。
[0013]作为优选，所述步骤8）中选择性刻蚀硅锗材料技术包括湿法刻蚀和干法刻蚀；其中，刻蚀超晶格纳米线上的晶体锗选择干法刻蚀，在RIE或ICP中使用SF6、CF或C4F8氟基气体刻蚀超晶格区域的晶体锗；刻蚀纳米线上的晶体硅选择湿法刻蚀，选用氨水、NaOH溶液或KOH碱性溶液刻蚀纳米线上的晶体硅。
[0014]作为优选，所述步骤9）栅介质层材料可以选择氮化硅、氧化硅、氧化铝或氧化铪高K介质，厚度1~50 nm；栅电极为单层金属Au或Al，或者跟源漏电极一致选择双层金属。
[0015]本专利技术还保护了一种平面超晶格纳米线场效应晶体管，是基于上述场效应晶体管的方法制备，其特征在于：包括绝缘衬底，所述衬底上有凹槽结构；所述衬底的凹槽结构中具有至少两个平行排列的纳米片，所述纳米片之间具有间距；所述纳米片的两端分别与源极、漏极接触；所述衬底、纳米片和源漏电极的上面具有栅介质层；所述栅介质层的上方具
有栅电极，且栅电极位于凹槽处的纳米片的上方，宽度与源漏电极之间的纳米片的长度相同，栅电极覆盖源漏电极之间所有的纳米片。
[0016]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1）在利用IP
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SLS生长技术制备的纳米线的超晶格的区域两侧搭上电极后，为了得到晶体硅纳米薄片，将样品放入在RIE或ICP中使用氟基的气体，如SF6、CF4、C4F8刻蚀超晶格区域的晶体锗；为了得到晶体锗纳米薄片，可使用碱性溶液刻蚀纳米线上的晶体硅。
[0017]2）结合光刻的方法，通过选择性刻蚀工艺处理超晶格纳米线即可得到硅锗两种不同材料的纳米尺寸的导电通道。
[0018]3）本专利技术在平面超晶格纳米线上制备Fin
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FET的方法，提供了一种制备FET的纳米导电通道的新颖方法，其中纳米导电通道的尺寸可调范围：宽度在1~20 nm，长度在1~300 nm。该方法可准确定位纳米线、操作简单、成本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.平面超晶格纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）利用PECVD或者PVD工艺在衬底材料上淀积一层200~1000 nm厚的绝缘介质层；2）利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义引导台阶图案，利用电感耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子体刻蚀工艺RIE ，通入SF6、C4F8、CF4或者Ar对所述光刻胶掩膜层暴露的绝缘介质层进行刻蚀形成垂直台阶侧壁；3）在刻蚀的引导台阶一端，通过光刻、热蒸发工艺或者溅射工艺，垂直于引导台阶长度方向局部淀积一层厚度为10~100 nm的带状催化金属层；在PECVD中升温至催化金属层熔点以上，通入还原性气体等离子体进行处理，使覆盖在所述引导台阶一端的带状催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；4）将温度降低到金属纳米颗粒熔点以下，在整个样品结构表面先淀积一层非晶锗，利用光刻和ICP或RIE刻蚀工艺在引导台阶的特定区域留下非晶锗区域，然后在整个衬底表面淀积一层非晶硅作为前驱体薄膜层；5）在真空或者惰性气体保护的环境中，将温度升高至催化金属熔点以上，使得金属纳米颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，后端析出晶态的纳米线；所述晶态的纳米线借助引导台阶作为引导沟道平行生长，获得平行生长于引导台阶的可精确定位的局部有锗硅超晶格结构的纳米线阵列；6）使用氨水清除纳米线周围剩余的非晶层前驱体薄膜层；7）通过光刻或者电子束曝光EBL在有硅锗超晶格结构的纳米线两侧做源漏电极图案，通过电子束蒸发EBE蒸镀金属作为源漏电极；8）通过选择性刻蚀硅锗材料技术刻蚀掉超晶格纳米线上的硅或锗的部分得到源漏电极间只有锗或硅的纳米片连接；9）在样品上淀积栅介质层，然后再通过光刻或者电子束曝光EBL在源漏电极之间的区域做栅电极图案，蒸镀金属做栅电极，制备完成场效应晶体管。2.根据权利要求1所述的平面超晶格纳米线场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述的衬底材料为晶硅、玻璃、铝箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸类塑料。3.根据权利要求1所述的平面超晶格纳米线场效应晶体管的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，刘帅帅，王军转，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：