專(zhuān)利名稱(chēng)：一種納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路用器件，特別是涉及一種納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
制造高速度、低功耗的半導(dǎo)體器件是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。平面工藝場(chǎng)效應(yīng) 晶體管在等比例縮小的趨勢(shì)中受到短溝道效應(yīng)和柵電流增大的限制。新的非平面器件結(jié)構(gòu) 被提出，包括絕緣體上硅、雙柵、三柵和納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。其中納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管能 提供高的電流開(kāi)關(guān)比，同時(shí)受短溝道效應(yīng)和漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)影響較小。在現(xiàn)有納米線場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電流開(kāi)關(guān)比，改善尺寸縮小性能對(duì)制造高速度、低功耗的 半導(dǎo)體集成電路有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 本發(fā)明提供的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是由柵電極、源區(qū)、漏區(qū)、中心區(qū)和柵介質(zhì)層 組成； 其中，中心區(qū)為芯-殼結(jié)構(gòu)，該芯-殼結(jié)構(gòu)同軸；柵介質(zhì)層全包圍中心區(qū)，柵電極全 包圍柵介質(zhì)層；源區(qū)和漏區(qū)分別位于中心區(qū)的兩側(cè)。 上述納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，中心區(qū)的芯結(jié)構(gòu)為絕緣體材料，殼結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體材 料，該殼結(jié)構(gòu)材料的摻雜類(lèi)型及摻雜濃度可調(diào)，如硼摻雜濃度為1X10"cm—3的硼摻雜的硅 材料或硼摻雜濃度2X 1012cm—3的硼摻雜的鍺材料。該芯_殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、殼半徑以及芯半 徑均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；另外，該晶體管中，柵介質(zhì)層、柵電極層、源區(qū)和漏區(qū)的材料均可 調(diào)，如源區(qū)和漏區(qū)可選磷摻雜的硅材料或砷摻雜的鍺材料；其中，磷摻雜的硅材料中，磷的 摻雜濃度為lX102°cm—3 ;砷摻雜的鍺材料中，砷的摻雜濃度為lX102°cm—3。另外，柵介質(zhì)層 的厚度、源區(qū)和漏區(qū)材料的摻雜類(lèi)型及摻雜濃度均可調(diào)。 本發(fā)明提供的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有絕緣體芯_半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的納 米線晶體管相比，在相同的柵材料、溝道材料和摻雜濃度，源漏區(qū)材料和摻雜濃度、柵絕緣 層材料和厚度，相同的溝道區(qū)長(zhǎng)度、溝道區(qū)半徑(對(duì)芯-殼結(jié)構(gòu)而言為殼半徑)的條件下， 引入絕緣體芯_半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)后可以有效降低器件的關(guān)態(tài)電流，降低器件的靜態(tài)功耗，提 高器件的電流開(kāi)關(guān)比。在工藝允許的條件下適當(dāng)增大芯-殼結(jié)構(gòu)芯半徑可以進(jìn)一步發(fā)揮器 件的這個(gè)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)絕緣體芯_半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)的引入能使納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管受短溝道效 應(yīng)和漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)引起的閾值電壓漂移減小，改善器件尺寸縮小的性能。本發(fā)明為納 米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件性能優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明了一個(gè)方向。


圖1為本發(fā)明提供的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的截面示意圖。
圖2為芯_殼結(jié)構(gòu)對(duì)硅納米線晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的影響。
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圖3為芯-殼結(jié)構(gòu)對(duì)硅納米線晶體管開(kāi)關(guān)比性能的影響。 圖4為芯_殼結(jié)構(gòu)對(duì)硅納米線晶體管受短溝道效應(yīng)引起閾值電壓漂移的比較。
圖5為芯-殼結(jié)構(gòu)對(duì)硅納米線晶體管在不同溝道長(zhǎng)度下的漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)比 圖6為芯_殼結(jié)構(gòu)對(duì)鍺納米線晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的影響。 圖7為芯_殼結(jié)構(gòu)對(duì)鍺納米線晶體管開(kāi)關(guān)比性能的影響。 圖8為芯_殼結(jié)構(gòu)對(duì)鍺納米線晶體管受短溝道效應(yīng)引起閾值電壓漂移的比較。 圖9為芯-殼結(jié)構(gòu)對(duì)鍺納米線晶體管在不同溝道長(zhǎng)度下的漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)比
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
本發(fā)明提供的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由柵電極1，源區(qū)2，漏 區(qū)3，芯-殼結(jié)構(gòu)的芯部分4，芯-殼結(jié)構(gòu)的殼部分5和柵介質(zhì)層6組成。柵電極1全包圍 器件的溝道區(qū)。源、漏兩端位于芯-殼結(jié)構(gòu)溝道區(qū)的兩側(cè)。芯-殼結(jié)構(gòu)同軸。
實(shí)施例1、芯殼結(jié)構(gòu)的硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其性能檢測(cè) 該納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，柵電極1材料的功函數(shù)設(shè)為4.61 電子伏，源區(qū)2和漏區(qū)3是磷摻雜濃度為1 X 102°cm—3的硅材料，芯部分4為氧化硅，殼部分 5為硼摻雜濃度IX 10"cm—3的硅材料，柵介質(zhì)層6為厚度2nm的氧化硅。該芯-殼結(jié)構(gòu)的 殼半徑為10nm，芯-殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為0. 1微米，芯半徑可調(diào)。
上述晶體管可按照現(xiàn)有方法進(jìn)行制備，制備流程簡(jiǎn)述如下 1)在硅圓片上用圓形氮化硅硬掩?？涛g出硅柱；高溫氧化、腐蝕縮小硅柱尺寸， 達(dá)到設(shè)定的芯尺寸，氧化形成芯結(jié)構(gòu)； 2)外延工藝自對(duì)準(zhǔn)制作殼結(jié)構(gòu)，高溫氧化、腐蝕減小殼結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到設(shè)定值；熱 生長(zhǎng)柵氧化層； 3)完成柵結(jié)構(gòu)的制備；大角度注入磷并退火，制備源漏區(qū)；
4)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完成金屬電極制備。 分別對(duì)該晶體管器件的電流輸出特性、開(kāi)關(guān)比、閾值電壓及漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)進(jìn) 行檢測(cè)，所得結(jié)果分別如圖2-圖5所示。 其中，圖2為芯半徑對(duì)硅納米晶體管轉(zhuǎn)移特性的影響曲線圖，其中，溝道長(zhǎng)度為 100nm，漏端電壓為2V。由該圖可知，引入絕緣體芯_半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管 與傳統(tǒng)納米線晶體管相比能有效的降低關(guān)態(tài)電流，開(kāi)態(tài)電流僅有微弱的降低。增大芯-殼 結(jié)構(gòu)的芯半徑可以進(jìn)一步發(fā)揮這個(gè)優(yōu)勢(shì)。如將芯半徑調(diào)整為8nm后，器件的關(guān)態(tài)電流降低 為傳統(tǒng)納米線晶體管關(guān)態(tài)電流的十三分之一。 圖3為芯-殼結(jié)構(gòu)的芯半徑對(duì)硅納米晶體管開(kāi)關(guān)比性能的影響。由該圖可知，隨 著芯_殼結(jié)構(gòu)芯半徑從0 (對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管)增大，絕緣體芯_半導(dǎo)體殼的 納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流開(kāi)關(guān)比在持續(xù)增加。當(dāng)芯半徑增大到8nm后，器件的電流開(kāi)關(guān) 比達(dá)到了 3.6X1(T，與傳統(tǒng)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，開(kāi)關(guān)比增大了 11倍。
圖4為芯-殼結(jié)構(gòu)的芯半徑對(duì)硅納米晶體管受短溝道效應(yīng)引起閾值電壓漂移的比較。由該圖可知，傳統(tǒng)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在溝道長(zhǎng)度縮小到30nm后短溝道效應(yīng)已經(jīng)非 常明顯，閾值電壓相對(duì)0. 1微米溝道長(zhǎng)度器件漂移量為26毫伏特。而引入絕緣體芯-半導(dǎo) 體殼結(jié)構(gòu)可以在很大程度上抑制閾值電壓的漂移。芯_殼結(jié)構(gòu)芯半徑設(shè)為3nm時(shí)，閾值電 壓的這個(gè)漂移量降低為19毫伏特。增大芯-殼結(jié)構(gòu)芯半徑使這種優(yōu)勢(shì)更加明顯。芯-殼 結(jié)構(gòu)芯半徑設(shè)為8nm時(shí)，閾值電壓的漂移量?jī)H為6毫伏特。從而表明絕緣體芯-半導(dǎo)體殼 結(jié)構(gòu)納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在增大器件電流開(kāi)關(guān)比的同時(shí)還可以抑制短溝道效應(yīng)，改善器件 尺寸縮小的性能。 圖5為芯-殼結(jié)構(gòu)的芯半徑對(duì)硅納米晶體管在不同溝道長(zhǎng)度下的漏致勢(shì)壘降低效 應(yīng)比較。由該圖可知，傳統(tǒng)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在溝道長(zhǎng)度縮小到30nm后因漏致勢(shì)壘降 低引起的閾值電壓的減小已經(jīng)達(dá)到了 140毫伏特。這不利于高速度、低功耗電路的設(shè)計(jì)。絕 緣體芯-半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在相同的溝道長(zhǎng)度下可以有效的降低漏端電 壓對(duì)器件源端的影響，降低漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)。增大結(jié)構(gòu)芯半徑后可以將這個(gè)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的 更加明顯。以芯半徑等于8nm為例，在溝道長(zhǎng)度縮小到30nm后漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)引起的閾 值電壓的減小幾乎為23毫伏特。 實(shí)施例2、芯殼結(jié)構(gòu)的鍺納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其性能檢測(cè) 該納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)仍如圖1所示，其中，柵電極1材料的功函數(shù)設(shè)為 4. 33電子伏，源區(qū)2和漏區(qū)3是砷摻雜濃度為1 X 102°cm—3的鍺，芯部分4為氧化硅，殼部分 5為硼摻雜濃度2X 1012cm—3的鍺材料，柵介質(zhì)層6為厚度1. 5nm的氧化硅。該芯-殼結(jié)構(gòu) 的殼半徑設(shè)為10nm，芯-殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為100nm，芯半徑可調(diào)。 分別對(duì)該晶體管器件的電流輸出特性、開(kāi)關(guān)比、閾值電壓及漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)進(jìn) 行檢測(cè)，所得結(jié)果分別如圖6-圖9所示。 其中，圖6為芯半徑對(duì)鍺納米線晶體管轉(zhuǎn)移特性的影響曲線圖，其中，溝道長(zhǎng)度為 100納米，漏端電壓為2V。與圖2示的結(jié)果一致，引入絕緣體芯_半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)的納米線場(chǎng) 效應(yīng)晶體管能有效的降低關(guān)態(tài)電流，開(kāi)態(tài)電流在很窄的范圍內(nèi)變化。增大芯半徑可以使關(guān) 態(tài)電流的降低更加明顯。將芯半徑調(diào)整為8nm后，器件的關(guān)態(tài)電流降低為傳統(tǒng)納米線晶體 管的8%左右。 圖7為芯-殼結(jié)構(gòu)的芯半徑對(duì)鍺納米線晶體管開(kāi)關(guān)比性能的影響，其中，溝道長(zhǎng)度 為100nm，溝道(殼)半徑為10nm。與圖3的結(jié)果一致，隨著芯-殼結(jié)構(gòu)芯半徑從0開(kāi)始增 大，絕緣體芯_半導(dǎo)體殼的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流開(kāi)關(guān)比在持續(xù)增加。當(dāng)芯半徑增大 到8nm后，器件的電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到了2. 14X 107，與傳統(tǒng)的鍺納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，開(kāi)關(guān) 比增大了 11. 6倍。 圖8為芯-殼結(jié)構(gòu)的芯半徑對(duì)鍺納米線晶體管受短溝道效應(yīng)引起閾值電壓漂移的 比較。與圖4相似，引入絕緣體芯-半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)可以在很大程度上抑制閾值電壓的漂移。 以溝道長(zhǎng)度等于30nm為例，芯-殼結(jié)構(gòu)芯半徑設(shè)為3nm時(shí)，閾值電壓的漂移量為43毫伏特； 芯半徑設(shè)為8nm時(shí)，閾值電壓的漂移量?jī)H為8毫伏特。從而再次表明絕緣體芯_半導(dǎo)體殼 結(jié)構(gòu)納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在增大器件電流開(kāi)關(guān)比的同時(shí)能有效抑制短溝道效應(yīng)，改善器件 尺寸縮小的性能。 圖9為芯-殼結(jié)構(gòu)芯半徑對(duì)鍺納米線晶體管在不同溝道長(zhǎng)度下的漏致勢(shì)壘降低效 應(yīng)比較。與圖5結(jié)果類(lèi)似，傳統(tǒng)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在溝道長(zhǎng)度縮小到30nm后漏致勢(shì)壘
5降低效應(yīng)達(dá)到370毫伏特。絕緣體芯-半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管在相同的溝道長(zhǎng) 度下有效的降低了漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)。以芯半徑等于8nm為例，在溝道長(zhǎng)度縮小到30nm后 漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)降低為60毫伏特。 本發(fā)明提供的絕緣體芯_半導(dǎo)體殼結(jié)構(gòu)的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以在傳統(tǒng)納米 線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低器件關(guān)態(tài)電流，降低靜態(tài)功耗，提高電流開(kāi)關(guān)比，適合 高速度、低功耗集成電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)該器件還可以更有效的抑制短溝道效應(yīng)，抑制漏致勢(shì) 壘降低效應(yīng)，改善器件尺寸縮小的性能。
權(quán)利要求
一種納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是由柵電極、源區(qū)、漏區(qū)、中心區(qū)和柵介質(zhì)層組成；其中，所述中心區(qū)為芯-殼結(jié)構(gòu)，所述芯-殼結(jié)構(gòu)同軸；所述柵介質(zhì)層全包圍所述中心區(qū)，所述柵電極全包圍所述柵介質(zhì)層；所述源區(qū)和漏區(qū)分別位于所述中心區(qū)的兩側(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于所述芯_殼結(jié)構(gòu)中，芯結(jié)構(gòu)為絕緣體材 料，所述殼結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體管，其特征在于所述芯結(jié)構(gòu)為氧化硅；所述殼結(jié)構(gòu)為硼 摻雜的硅材料或硼摻雜的鍺材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶體管，其特征在于所述硼摻雜的硅材料中，硼的摻雜濃度 為lX10"cm—3 ;所述硼摻雜的鍺材料中，硼的摻雜濃度2X1012cm—3的鍺材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4任一所述的晶體管，其特征在于所述柵介質(zhì)層為氧化硅；所述源 區(qū)和漏區(qū)均為重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶體管，其特征在于所述源區(qū)和漏區(qū)均為磷摻雜的硅材料 或砷摻雜的鍺材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的晶體管，其特征在于所述磷摻雜的硅材料中，磷的摻雜濃度為lX102°cm—3 ;所述砷摻雜的鍺材料中，砷的摻雜濃度為lX102°cm—3。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-4任一所述的晶體管，其特征在于所述柵介質(zhì)層的厚度為 1. 5_3歷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶體管，其特征在于所述柵介質(zhì)層的厚度為1. 5-3nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的晶體管，其特征在于所述柵介質(zhì)層的厚度為1. 5-3nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該晶體管是由柵電極、源區(qū)、漏區(qū)、中心區(qū)和柵介質(zhì)層組成；其中，中心區(qū)為芯-殼結(jié)構(gòu)，該芯-殼結(jié)構(gòu)同軸；柵介質(zhì)層全包圍中心區(qū)，柵電極全包圍柵介質(zhì)層；源區(qū)和漏區(qū)分別位于中心區(qū)的兩側(cè)。其中，中心區(qū)的芯結(jié)構(gòu)為絕緣體材料，殼結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體材料；該殼結(jié)構(gòu)材料的摻雜類(lèi)型及摻雜濃度可調(diào)。該芯-殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、殼半徑以及芯半徑可調(diào)；另外，該晶體管中，柵介質(zhì)層、柵電極層、源區(qū)和漏區(qū)的材料均可調(diào)，柵介質(zhì)層的厚度、源區(qū)和漏區(qū)材料的摻雜類(lèi)型及摻雜濃度均可調(diào)。絕緣體芯結(jié)構(gòu)的引入能有效降低傳統(tǒng)納米線晶體管的關(guān)態(tài)電流，提高器件的電流開(kāi)關(guān)比，同時(shí)該晶體管受短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓漂移以及漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)的影響更小，尺寸縮小的性能更加優(yōu)良。
文檔編號(hào)H01L29/12GK101740619SQ200810226509
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者何進(jìn), 張健, 張興, 張立寧 申請(qǐng)人:北京大學(xué)