專利名稱：綠色場效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場效應(yīng)晶體管，尤其涉及一種綠色場效應(yīng)晶體管及其制造方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路的發(fā)展過程中，晶體管在CMOS器件按比例縮小 (scaling)的引導(dǎo)下，密度和性能遵循摩爾定律得到持續(xù)化和系統(tǒng)化增長。然而當(dāng)半導(dǎo)體行 業(yè)發(fā)展到45納米節(jié)點(diǎn)或者更小尺寸的時(shí)候，芯片的功耗和功耗密度已經(jīng)逐漸形成一項(xiàng)亟 需解決的問題，導(dǎo)致功耗困難的出現(xiàn)原因是器件密度不斷增大，而電源電壓長期以來保持 了以5V作為各級工藝的標(biāo)準(zhǔn)。因此外置電壓源按比例縮小(VDD-scaling)已經(jīng)愈發(fā)成為 一個(gè)限制金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)發(fā)展的瓶頸。目前，有人提出這樣一種理論，在金屬氧化物場效應(yīng)晶體管中使用柵極偏壓誘導(dǎo) 能帶隧穿效應(yīng)(band to band-turmeling)可以不受外置電壓源按比例縮小(VDD-scaling) 的限制，載流子在上述效應(yīng)中無須跨越勢壘而是直接經(jīng)過隧穿實(shí)現(xiàn)載流子的移動(dòng)，形成電 流，可以有效降低器件的能耗。基于上述理論，Chenming Hu等人在“VLSI Technology, Systems and Applications,2008. VLSI-TSA 2008.International Symposium on，，(2008 年國際超大型積體電路技術(shù)、系統(tǒng)暨應(yīng)用(VLSI-TSA)研討會(huì)論文集)的第14至15頁首 次公開了通過采用綠色晶體管(Green Transistor)降低外置電壓源的方案，文章名稱為 "GreenTransistor-A VDD Scaling Path for Future Low Power ICs，，。如圖1所示，為上述綠色晶體管的剖面結(jié)構(gòu)圖，包括絕緣體上硅(SOI) 10，所述絕 緣體上硅10包括基底100、埋氧層110和頂層硅101 ；依次位于頂層硅101上的柵介質(zhì)層 106以及柵電極107，兩者構(gòu)成了綠色晶體管的柵極結(jié)構(gòu)；所述綠色晶體管還包括位于頂層 硅101內(nèi)、柵介質(zhì)層106兩側(cè)的源極102、漏極103，所述源極102與漏極103的摻雜類型相 異；還包括位于頂層硅101內(nèi)的相鄰的口袋注入層104和淺摻雜區(qū)105，所述相鄰的口袋注 入層104和淺摻雜區(qū)105與柵介質(zhì)層106的位置相對應(yīng)，所述口袋注入層104的摻雜類型 與漏極103相同，并通過淺摻雜區(qū)105與漏極103電連接；所述口袋注入層104的深度小于 淺摻雜區(qū)105，源極102延伸過口袋注入層104的底部與淺摻雜區(qū)105相鄰。下面以P型綠色晶體管(口袋注入層104的摻雜類型為P型、源極102的摻雜類 型為N型、漏極103的摻雜類型為P型)為例，對其工作原理進(jìn)行進(jìn)一步介紹。如圖2所示，為P型綠色晶體管的P型口袋注入層104附近的能帶圖，其中虛線部 分為晶體管關(guān)閉時(shí)的能帶，實(shí)線部分為晶體管開啟時(shí)的能帶。在關(guān)閉狀態(tài)下，即柵極未加載 偏壓時(shí)，導(dǎo)帶Ec底部比價(jià)帶Ev頂部電勢位高，導(dǎo)帶Ec和價(jià)帶Ev之間存在很大的勢壘，此 時(shí)P型口袋注入層104與N型源極102之間不會(huì)產(chǎn)生載流子轉(zhuǎn)移。在開啟狀態(tài)下，即柵極 加載負(fù)偏壓時(shí)，P型口袋注入層104電勢降低，能帶進(jìn)一步向上彎曲，使得價(jià)帶Ev的頂部電 勢位超過了導(dǎo)帶Ec底部，導(dǎo)帶Ec和價(jià)帶Ev之間形成了隧道效應(yīng)。結(jié)合圖3所示，當(dāng)源極 102、漏極103之間存在正向電壓時(shí)，P型口袋注入層104的電子將向N型源極102隧穿形成 連續(xù)的電子流，同時(shí)P型口袋注入層104內(nèi)的空穴將經(jīng)由淺摻雜區(qū)105流向P型漏極103，從而器件能夠工作。與現(xiàn)有的M0S晶體管主要依靠一種載流子導(dǎo)通不同，綠色晶體管的電流同時(shí)包 括電子和空穴，因此，其亞閾值電壓擺幅較小，小于60mV/decade，甚至可以小于1 OmV/ decade，且閾值電壓遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的M0S晶體管，可以低至0. 2V，同等尺寸下的能耗遠(yuǎn)小于現(xiàn) 有的M0S器件，是深納米尺寸替代M0S晶體管器件的良好選擇。目前綠色晶體管的概念僅處于理論模型的研究，而實(shí)際應(yīng)用于半導(dǎo)體的制造工藝 尚無報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種綠色場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的CMOS工藝相兼 容，并滿足器件尺寸按比例縮小后降低能耗的需求。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種綠色場效應(yīng)晶體管，包括絕緣體上硅，所述絕緣體上硅包括硅基底、依次位于硅基底上的埋氧層和頂層 娃；位于頂層硅內(nèi)互相隔離且摻雜類型相異的源極、漏極；位于源極、漏極之間的溝道體，所述溝道體呈圓柱形，一端連接源極，另一端連接 漏極，從柱心向外依次包括源連接體、口袋注入層；所述源連接體與源極電連接，所述口袋 注入層與漏極電連接；位于溝道體的口袋注入層表面上的柵極結(jié)構(gòu)，包括柵介質(zhì)層以及柵介質(zhì)層表面的 柵電極。作為優(yōu)選方案，在漏極與溝道體之間還形成有淺摻雜區(qū)，所述淺摻雜區(qū)的摻雜類 型與漏極相同，摻雜濃度較漏極的摻雜濃度低。作為可選方案，所述柵介質(zhì)層圍繞圓柱形溝道體，并包覆口袋注入層的表面；所述 柵電極覆蓋柵介質(zhì)層表面。作為可選方案，所述溝道體截面半徑范圍為5-50nm、長度范圍為5-50nm。作為優(yōu)選方案，所述源極、漏極以及柵電極表面形成有絕緣間隔層。作為可選方案，制作口袋注入層的材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs、InP、InAs或者 InGaAs0本發(fā)明還提供了一種綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，包括提供絕緣體上硅，所述絕緣體上硅包括硅基底、以及依次位于硅基底的埋氧層和 頂層硅，圖形化所述頂層硅，形成第一源極區(qū)、第一漏極區(qū)以及第一溝道體；刻蝕所述埋氧層，使得第一溝道體底部懸空；等離子摻雜并刻蝕懸空的第一溝道體，形成圓柱形源連接體；在所述圓柱形源連接體的表面形成口袋注入層，所述口袋注入層摻雜類型與源連 接體相反；在口袋注入層的表面依次形成柵介質(zhì)層以及柵電極；等離子摻雜所述第一源極區(qū)以及第一漏極區(qū)，分別形成源極、漏極，所述源極與源 連接體的摻雜類型相同，所述漏極與口袋注入層摻雜類型相同。作為可選方案，所述刻蝕所述埋氧層，使得第一溝道體底部懸空，具體包括自絕
5緣體上硅頂部向下刻蝕埋氧層，露出所述第一溝道體底部的埋氧層；側(cè)向刻蝕第一溝道體 底部的埋氧層，使得第一溝道體懸空。作為可選方案，所述等離子摻雜并刻蝕懸空的第一溝道體，形成圓柱形源連接體， 具體包括對第一溝道體進(jìn)行過刻蝕，然后再進(jìn)行高溫退火穩(wěn)固，所述等離子摻雜在刻蝕前 或刻蝕后進(jìn)行。作為優(yōu)選方案，在漏極與口袋注入層、源連接體之間形成淺摻雜區(qū)，所述淺摻雜區(qū) 的摻雜類型與漏極相同，摻雜濃度較低。本發(fā)明所述綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法還包括在源極、漏極以及柵電極表面 沉積絕緣間隔層，并刻蝕形成接觸孔，弓丨出互連線。與現(xiàn)有的綠色晶體管相比，本發(fā)明所提供的綠色場效應(yīng)晶體管的溝道體形成圓柱 形結(jié)構(gòu)，通過在柵電極上加電壓控制晶體管的開啟和關(guān)閉，一方面，亞閾值擺幅小，閾值電 壓低，滿足了小尺寸下器件按比例縮小后降低能耗的需求，并避免了一系列二級效應(yīng)的產(chǎn) 生；另一方面，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，開關(guān)特性靈敏的特點(diǎn)。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其他目 的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。附圖中與現(xiàn)有技術(shù)相同的部件使用了相同的附圖標(biāo)記。附圖 并未按比例繪制，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。在附圖中為清楚起見，放大了層和區(qū)域的尺 寸。圖1為現(xiàn)有的P型綠色晶體管結(jié)構(gòu)模型示意圖；圖2為現(xiàn)有的P型綠色晶體管口袋注入層能帶圖；圖3為現(xiàn)有的P型綠色晶體管開啟狀態(tài)載流子遷移示意圖；圖4為本發(fā)明的綠色場效應(yīng)晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6a為N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管關(guān)閉狀態(tài)的溝道體能帶示意圖；圖6b為N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管開啟狀態(tài)的溝道體能帶示意圖；圖7為本發(fā)明的P型溝道綠色場效應(yīng)晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8a為P型溝道型綠色場效應(yīng)晶體管關(guān)閉狀態(tài)的溝道體能帶示意圖；圖8b為P型溝道型綠色場效應(yīng)晶體管開啟狀態(tài)的溝道體能帶示意圖；圖9為本發(fā)明所述綠色場效應(yīng)晶體管制造方法步驟流程圖；圖IOa至圖21為本發(fā)明所述N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管的制造工藝剖面圖。
具體實(shí)施例方式從現(xiàn)有技術(shù)已知，綠色晶體管在小尺寸下具有較低的能耗以及穩(wěn)定的器件特性， 滿足了 VDD按比例縮小的低能耗需求，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供一種新的綠色場效應(yīng)晶體管。圖4為本發(fā)明提供的綠色場效應(yīng)晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。包括絕緣體上硅10，所述絕緣體上硅包括硅基底100、依次位于硅基底100上的埋氧層 110和頂層硅101 ；
位于頂層硅101內(nèi)互相隔離且摻雜類型相異的源極1、漏極2 ；位于源極1、漏極2之間的溝道體，所述溝道體呈圓柱形，一端連接源極1，另一端 連接漏極2，從柱心向外依次包括源連接體4、口袋注入層3 ；所述源連接體4與源極1電連 接，所述口袋注入層3與漏極2電連接。
位于溝道體的口袋注入層3表面上的柵極結(jié)構(gòu)，包括柵介質(zhì)層6以及柵介質(zhì)層表 面的柵電極7。所述柵介質(zhì)層6圍繞圓柱形溝道體，并包覆口袋注入層3的表面；所述柵電 極7覆蓋柵介質(zhì)層6的表面。其中，溝道體的溝道長度與口袋注入層3以及源連接體4的尺寸有關(guān)，在實(shí)際 工藝中可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；本發(fā)明中，所述溝道體截面半徑范圍為5-50nm、長度范圍為 5_50nmo在漏極2與溝道體之間還形成有淺摻雜區(qū)5，所述淺摻雜區(qū)5的摻雜類型與漏極2 相同，摻雜濃度較漏極2的摻雜濃度低。形成所述淺摻雜區(qū)5的目的在于進(jìn)一步減小溝道 體尤其是口袋注入層與漏極之間的漏電壓，同時(shí)提高口袋注入層3與漏極2之間的載流子 遷移速率。作為優(yōu)選方案，所述源極1、漏極2以及柵電極7表面還形成有絕緣間隔層(圖中 未示出)。制作口袋注入層3的材料可以為Si、Ge、SiGe、GaAs、InP、InAs或InGaAs，以與現(xiàn) 有的CMOS制造工藝相兼容。上述圖4所示的綠色場效應(yīng)晶體管，其溝道類型可以分為N型(口袋注入層摻雜 類型為N型)和P型(口袋注入層摻雜類型為PS)。下面以溝道類型為N型為例加以說明其工作原理，請參照圖5，為N型溝道綠色場 效應(yīng)晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，口袋注入層203的摻雜類型均為N+型；源極201、源連 接體204的摻雜類型均為P+型；漏極202的摻雜類型為N+型；淺摻雜區(qū)205的摻雜類型為 N-型。圖6a以及圖6b為圖5所示綠色場效應(yīng)晶體管處于關(guān)閉和開啟狀態(tài)下溝道體的能 帶圖，由于溝道體為圓柱形，外圍為口袋注入層，柱心為源連接體，因此圖示能帶圖呈對稱 分布。結(jié)合圖5、圖6a以及圖6b下面討論N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管的工作原理，其中P+ 源極201接地。首先參照圖6a和圖5，當(dāng)柵電極207的電壓Vg置為零或接地時(shí)，此時(shí)N+型的口袋 注入層203以及P+型源連接體204的價(jià)帶Ev頂部的電勢位均比導(dǎo)帶Ec的底部低，導(dǎo)帶Ec 與價(jià)帶Ev之間存在勢壘，在N+型口袋注入層203與P+型源連接體204之間不會(huì)發(fā)生明顯 的載流子遷移，整個(gè)晶體管處于不工作狀態(tài)即N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管關(guān)閉。再結(jié)合圖6b和圖6，當(dāng)柵電極207電壓Vg為正電壓時(shí)，N+型口袋注入層203以及 P+型源連接體204的能帶進(jìn)一步向上彎曲；當(dāng)柵電極207的電壓Vg超過了閾值電壓后，能 帶彎曲足夠大，使得在P+型源連接體204與N+型口袋注入層203的界面附近，價(jià)帶Ev頂 部的電勢位均超過了導(dǎo)帶Ec的底部，導(dǎo)帶Ec與價(jià)帶Ev之間形成隧道效應(yīng)，此時(shí)晶體管處 于開啟狀態(tài)。若在源、漏極之間外加偏壓，即N+型漏極202的外置電壓Vdd為正電壓時(shí)，P+ 型源連接體204的電子將向外側(cè)N+型的口袋注入層203隧穿，并經(jīng)由N-型淺摻雜區(qū)205 向N+型漏極202遷移，而P+型源連接體204所產(chǎn)生的空穴向P+型源極201遷移，上述兩種載流子的遷移將在溝道體內(nèi)將形成連續(xù)穩(wěn)定的電流。圖7為P型溝道綠色場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，其中口袋注入層303的摻雜類型 為P+型；源極301、源連接體304的摻雜類型均為N+型；漏極302的摻雜類型為P+型；淺 摻雜區(qū)305的摻雜類型為P-型。圖8a以及圖8b為圖7所示綠色場效應(yīng)晶體管處于關(guān)閉和開啟狀態(tài)下溝道體的能 帶圖。結(jié)合圖7、圖8a以及圖8b，討論P(yáng)型溝道綠色場效應(yīng)晶體管的工作原理，其中N+型 源極301接地。首先參照圖8a和圖7，當(dāng)柵電極307電壓Vg置為零或接地時(shí)，P型溝道綠色場效 應(yīng)晶體管關(guān)閉，此時(shí)P+型口袋注入層303以及N+型源連接體304，價(jià)帶Ev頂部的電勢位均 比導(dǎo)帶Ec的底部低，導(dǎo)帶Ec與價(jià)帶Ev之間存在勢壘，在P+型口袋注入層303與N+型源 連接體304之間不會(huì)發(fā)生明顯的載流子遷移，整個(gè)晶體管處于不工作狀態(tài)。再參照圖8b和圖7，當(dāng)柵電極307電壓Vg為負(fù)電壓時(shí)，P+型口袋注入層303以及 N+型源連接體304的能帶進(jìn)一步向下彎曲；當(dāng)柵電極307的電壓Vg超過了閾值電壓后，能 帶彎曲使得在N+型源連接體304與P+型口袋注入層303的接觸面附近，價(jià)帶Ev頂部的電 勢位超過導(dǎo)帶Ec的底部，導(dǎo)帶Ec與價(jià)帶Ev之間形成隧道效應(yīng)，此時(shí)晶體管處于開啟狀態(tài)， 若在源極301、漏極302之間外加正向偏壓，即P+型漏極302的外置電壓Vdd為負(fù)電壓時(shí)， P+型口袋注入層303的電子將往N+型源連接體304隧穿并流向N+型源極301，而P+型口 袋注入層303所產(chǎn)生的空穴將經(jīng)由P-型淺摻雜區(qū)305向P+型漏極302遷移，上述兩種載 流子的遷移將在溝道體內(nèi)將形成連續(xù)穩(wěn)定的電流。與現(xiàn)有的綠色晶體管相比，本發(fā)明所述的綠色場效應(yīng)晶體管將溝道體制作成圓柱 形，口袋注入層圍繞柱心的源連接體表面，在有限空間內(nèi)，兩者之間具有較大的接觸面積， 因此一方面具有綠色晶體管的亞閾值擺幅小、閾值電壓低的特點(diǎn)，滿足低功耗的需求，另一 方面能夠形成較大的源漏電流，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，在使用時(shí)也更易于控制，具有快速的 響應(yīng)速度以及良好的開關(guān)特性。為形成上述結(jié)構(gòu)的綠色場效應(yīng)晶體管，本發(fā)明還提供了一種綠色場效應(yīng)晶體管的 制造方法。如圖9所示，基本步驟包括S1、提供絕緣體上硅，所述絕緣體上硅包括硅基底、以及依次位于硅基底的埋氧層 和頂層硅，圖形化所述頂層硅。所述圖形化頂層硅，具體包括預(yù)先確定形成綠色場效應(yīng)晶體管的區(qū)域，使用掩膜 刻蝕頂層硅，直至露出埋氧層，形成相應(yīng)的第一源極區(qū)、第一漏極區(qū)以及位于第一源極區(qū)以 及第一漏極區(qū)之間的第一溝道體。S2、自絕緣體上硅頂部向下刻蝕埋氧層，露出所述第一溝道體底部的埋氧層；側(cè)向 刻蝕第一溝道體底部一定厚度的埋氧層，形成穿孔，使得所述第一溝道體懸空。S3、等離子摻雜并刻蝕懸空的第一溝道體，形成圓柱形源連接體；所述懸空的第一溝道體為邊緣有棱角的不規(guī)則柱體，在刻蝕過程中，邊緣的棱角 處的刻蝕速率總是較其他位置快，因此經(jīng)過一定時(shí)間的過刻蝕，第一溝道體將趨于圓柱形， 然后再采用高溫退火進(jìn)一步穩(wěn)固。所述等離子摻雜，可以在刻蝕前進(jìn)行也可以在刻蝕后進(jìn)行，兩步驟可以使用相同 的掩膜，最終形成圓柱形源連接體。所述圓柱形源連接體的截面積較第一溝道體小，具體尺
8寸可以通過控制所述刻蝕的時(shí)間進(jìn)行選擇。S4、在圓柱形源連接體的表面形成口袋注入層，所述口袋注入層圍繞并包覆源連 接體的表面，可以通過外延(EPI)或者原子沉積(ALD)形成，具體厚度根據(jù)需要選擇，且摻 雜類型與源連接體相反。所述口袋注入層以及源連接體構(gòu)成圓柱形溝道體，口袋注入層的厚度以及源連接 區(qū)的尺寸決定了溝道體尺寸。作為優(yōu)選方案，所形成的溝道體的直徑不大于頂層硅的厚度。S5、在口袋注入?yún)^(qū)的表面依次形成柵介質(zhì)層以及柵電極，所述柵介質(zhì)層圍繞并包 覆口袋注入層的表面，可以通過化學(xué)氣相沉積CVD或者原子沉積ALD形成；所述柵電極包覆 柵介質(zhì)層的表面，并填補(bǔ)柵介質(zhì)層底部與埋氧層之間的剩余空間，也可以通過化學(xué)氣相沉 積CVD或者原子沉積ALD形成。S6、對第一源極區(qū)以及第一漏極區(qū)分別進(jìn)行等離子摻雜，形成源極以及漏極，所述 源極的摻雜類型與源連接體相同，所述漏極的摻雜類型與口袋注入層相同。作為可選方案，還可以先將第一源極區(qū)以及第一漏極區(qū)同時(shí)進(jìn)行等離子摻雜，然 后對第一源極區(qū)或者第一漏極區(qū)其中之一進(jìn)行反向摻雜，分步形成源區(qū)或者漏區(qū)。作為優(yōu)選方案，在漏極與口袋注入層、源連接體之間還形成有淺摻雜區(qū)，所述淺摻 雜區(qū)的摻雜類型與漏極相同，摻雜濃度較低。S7、在源極、漏極以及柵電極表面沉積絕緣間隔層，并刻蝕形成接觸孔，引出互連 線。下面結(jié)合具體的形成工藝剖面圖，對本發(fā)明所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法 作進(jìn)一步介紹。如圖IOa至圖21所示，為本發(fā)明所述N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管的制造工藝剖面 圖。如圖IOa以及圖10b，形成絕緣體上硅10，所述絕緣體上硅包括硅基底100、以及依 次位于硅基底的埋氧層110和頂層硅101，圖形化所述頂層硅101。所述埋氧層110材料為 氧化硅，頂層硅101材料為單晶硅或多晶硅。其中圖IOb為從絕緣體上硅的頂部俯視視角，圖IOa為圖IOb中的X_X，剖面圖， 所述圖形化頂層硅101，具體包括預(yù)先確定形成綠色場效應(yīng)晶體管的區(qū)域，使用掩膜刻蝕 頂層硅101，直至露出埋氧層110，形成相應(yīng)的第一源極區(qū)402、第一漏極區(qū)401以及位于第 一源極區(qū)402以及第一漏極區(qū)401之間的第一溝道體403。如圖Ila以及圖11b，使用掩膜層400遮蓋住第一源極區(qū)402以及第一漏極區(qū)401 ； 然后自絕緣體上硅10頂部向下刻蝕埋氧層110，第一溝道體403與掩膜層400共同起到掩 膜作用，當(dāng)其他部分的埋氧層110被刻蝕掉一定厚度后，將從側(cè)面(即圖lib中的Y-Y’向) 露出所述第一溝道體403底部的埋氧層110。本實(shí)施例中，所述埋氧層110的垂直厚度足夠 厚，而不會(huì)被刻蝕露出底層硅100。如圖12a以及12b，沿Y_Y ‘方向側(cè)向刻蝕第一溝道體403底部一定厚度的埋氧層 110，形成穿孔，使得所述第一溝道體403懸空。本實(shí)施例中，埋氧層材質(zhì)為氧化硅，可采用 氫氟酸進(jìn)行濕法刻蝕，如圖12b所示，第一溝道體403底部的埋氧層110厚度最薄，且相當(dāng) 于沿Y-Y’向從兩側(cè)同時(shí)刻蝕，能較快的形成穿孔，而其余部分埋氧層110并不會(huì)損失太多。如圖13a以及13b，以掩膜層400為掩膜，對第一溝道體403進(jìn)行等離子摻雜，摻雜類型為P+型。
如圖14a以及14b，對第一溝道體403進(jìn)行刻蝕，并進(jìn)行高溫退火穩(wěn)固形成圓柱形 的源連接體404。由于第一溝道體403為邊緣有棱角的不規(guī)則柱體，在刻蝕過程中，邊緣的棱角處 的刻蝕速率總是較其他位置快，因此經(jīng)過一定時(shí)間的過刻蝕，第一溝道體將趨于圓柱形，本 實(shí)施例中，第一溝道體403由頂層硅101圖形化而來，因此材料一致，為單晶硅或多晶硅，可 采用氫氧化鉀溶液進(jìn)行濕法刻蝕。所述高溫退火的參數(shù)可以為溫度1000 、1200攝氏 度，在氮?dú)饣驓錃猸h(huán)境下，高溫退火10 30分鐘。上述圖13a所述的等離子摻雜步驟，也可以在圖14a所述的刻蝕步驟之后進(jìn)行，先 刻蝕第一溝道體403成圓柱形，再進(jìn)行等離子摻雜，最后退火穩(wěn)固以形成源連接體404。所 述圓柱形源連接體404的截面積較第一溝道體403小，具體尺寸可以通過控制所述刻蝕的 時(shí)間進(jìn)行選擇。如圖15所示，在圓柱形源連接體404的表面形成口袋注入層405，所述口袋注入 層405圍繞并包覆源連接體404的表面，所述口袋注入層405的材料可以為Si、Ge、SiGe, GaAs,InP,InAs以及InGaAs，可以通過外延(EPI)或者原子沉積(ALD)形成，并進(jìn)行等離子 摻雜使得口袋注入層405的摻雜類型與源連接體404相反。本實(shí)施例中，所述口袋注入層 405材料為Ge，通過原子沉積ALD形成，摻雜類型為N+型。所述口袋注入層405以及源連接體404構(gòu)成圓柱形溝道體，口袋注入層的厚度 以及源連接區(qū)的尺寸決定了溝道體尺寸。作為優(yōu)選方案，所形成的溝道體的直徑不大于 頂層硅的厚度。本實(shí)施例中，圓柱形溝道體的優(yōu)選尺寸范圍為截面半徑5-50nm、長度為 5_50nmo 如圖16所示，在口袋注入?yún)^(qū)405的表面形成柵介質(zhì)層406，所述柵介質(zhì)層406圍繞 并包覆口袋注入層405，材料可以為氧化硅，可以通過化學(xué)氣相沉積CVD或者原子沉積ALD 形成。如圖17所示，在柵介質(zhì)層406的表面形成柵電極407，所述柵電極407包覆柵介質(zhì) 層406，并填補(bǔ)柵介質(zhì)層406底部與埋氧層110之間的剩余空間，材料可以為多晶硅，可以通 過化學(xué)氣相沉積CVD或者原子沉積ALD形成。本實(shí)施例中，所述柵電極407不但包覆柵介質(zhì)層406，并且在埋氧層110表面形成 鰭型結(jié)構(gòu)，以便于后續(xù)工藝中引出互連線。如圖18以及圖19所示，去除掩膜層400，然后分別對第一源極區(qū)402以及第一漏 極區(qū)401進(jìn)行等離子摻雜，形成源極408以及漏極409，所述源極的摻雜類型與源連接體 404相同為P+型，所述漏極的摻雜類型與口袋注入層405相同為N+型。如圖20，在漏極409與口袋注入?yún)^(qū)405、源連接體404(即溝道體)之間形成淺摻 雜區(qū)410，所述淺摻雜區(qū)410的摻雜類型與漏極相同，摻雜濃度較低。本實(shí)施例中，可利用掩 膜，在漏極409靠近溝道體的一側(cè)進(jìn)行反向注入，形成N-型淺摻雜區(qū)410。如圖21所示，在源極408、漏極409以及柵電極406的表面沉積絕緣間隔層412， 并刻蝕形成接觸孔，引出互連線。本實(shí)施例中，柵電極406在埋氧層110表面形成了鰭型結(jié) 構(gòu)，因此在柵電極406側(cè)面還形成有絕緣側(cè)壁411。上述實(shí)施例以N型溝道綠色場效應(yīng)晶體管的形成工藝為例，同樣可以應(yīng)用至P型溝道綠色場效應(yīng)晶體管的制造，僅在摻雜類型上存在區(qū)別。 本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定權(quán)利要求，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和修改，因此本發(fā)明的 保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種綠色場效應(yīng)晶體管，其特征在于，包括絕緣體上硅，所述絕緣體上硅包括硅基底、依次位于硅基底上的埋氧層和頂層硅；位于頂層硅內(nèi)互相隔離且摻雜類型相異的源極、漏極；位于源極、漏極之間的溝道體，所述溝道體呈圓柱形，一端連接源極，另一端連接漏極，從柱心向外依次包括源連接體、口袋注入層；所述源連接體與源極電連接，所述口袋注入層與漏極電連接；位于溝道體的口袋注入層表面上的柵極結(jié)構(gòu)，包括柵介質(zhì)層以及柵介質(zhì)層表面的柵電極。
2.如權(quán)利要求1所述的綠色場效應(yīng)晶體管，其特征在于，在漏極與溝道體之間還形成 有淺摻雜區(qū)，所述淺摻雜區(qū)的摻雜類型與漏極相同，摻雜濃度較漏極的摻雜濃度低。
3.如權(quán)利要求1所述的綠色場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵介質(zhì)層圍繞圓柱形溝 道體，并包覆口袋注入層的表面；所述柵電極覆蓋柵介質(zhì)層表面。
4.如權(quán)利要求1所述的綠色場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道體截面半徑范圍為 5-50nm、長度范圍為5_50nm。
5.如權(quán)利要求1所述的綠色場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源極、漏極以及柵電極表 面形成有絕緣間隔層。
6.如權(quán)利要求1所述的綠色場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述口袋注入層的材質(zhì)為Si、 Ge、SiGe、GaAs、InP、InAs 或 InGaAs0
7.—種綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，包括提供絕緣體上硅，所述絕緣體上硅包括硅基底、以及依次位于硅基底的埋氧層和頂層 硅，圖形化所述頂層硅，形成第一源極區(qū)、第一漏極區(qū)以及第一溝道體；刻蝕所述埋氧層，使得第一溝道體底部懸空；等離子摻雜并刻蝕懸空的第一溝道體，形成圓柱形源連接體；在所述圓柱形源連接體的表面形成口袋注入層，所述口袋注入層摻雜類型與源連接體 相反；在口袋注入層的表面依次形成柵介質(zhì)層以及柵電極；等離子摻雜所述第一源極區(qū)以及第一漏極區(qū)，分別形成源極、漏極，所述源極與源連接 體的摻雜類型相同，所述漏極與口袋注入層摻雜類型相同。
8.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，所述刻蝕所述埋 氧層，使得第一溝道體底部懸空，具體包括自絕緣體上硅頂部向下刻蝕埋氧層，露出所述第一溝道體底部的埋氧層；側(cè)向刻蝕第一溝道體底部的埋氧層，使得第一溝道體懸空。
9.如權(quán)利要求8所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，所述自絕緣體上 硅頂部向下刻蝕埋氧層采用RIE等離子刻蝕工藝，所述側(cè)向刻蝕第一溝道體底部預(yù)定厚度 的埋氧層采用濕法刻蝕工藝。
10.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，所述等離子摻雜 并刻蝕懸空的第一溝道體，形成圓柱形源連接體，具體包括對第一溝道體進(jìn)行過刻蝕，然 后再進(jìn)行高溫退火穩(wěn)固，所述等離子摻雜在刻蝕前或刻蝕后進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，所述口袋注入層通過外延EPI或者原子沉積ALD形成，圍繞并包覆源連接體的表面。
12.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)層以 及柵電極，可以通過化學(xué)氣相沉積CVD或原子沉積ALD形成。
13.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)層圍 繞并包覆口袋注入層的表面，所述柵電極包覆柵介質(zhì)層的表面，并填補(bǔ)柵介質(zhì)層底部與埋 氧層之間的剩余空間。
14.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，還包括在漏極 與口袋注入層、源連接體之間形成淺摻雜區(qū)，所述淺摻雜區(qū)的摻雜類型與漏極相同，摻雜濃 度較低。
15.如權(quán)利要求7所述的綠色場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，還包括在源極、 漏極以及柵電極表面沉積絕緣間隔層，并刻蝕形成接觸孔，弓丨出互連線。
全文摘要
一種綠色場效應(yīng)晶體管及其制造方法，其中所述綠色場效應(yīng)晶體管包括絕緣體上硅，所述絕緣體上硅包括硅基底、依次位于硅基底上的埋氧層和頂層硅；位于頂層硅內(nèi)互相隔離且摻雜類型相異的源極、漏極；位于源極、漏極之間的溝道體，所述溝道體呈圓柱形，一端連接源極，另一端連接漏極，從柱心向外依次包括源連接體、口袋注入層；所述源連接體與源極電連接，所述口袋注入層與漏極電連接。位于溝道體的口袋注入層表面上的柵極結(jié)構(gòu)，包括柵介質(zhì)層以及柵介質(zhì)層表面的柵電極。本發(fā)明所述綠色場效應(yīng)晶體管具有高度的響應(yīng)速度，靈敏的開關(guān)特性，且滿足了小尺寸下器件按比例縮小后降低能耗的需求，避免了一系列二級效應(yīng)的產(chǎn)生。
文檔編號H01L21/331GK101958344SQ200910054949
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者吳漢明, 季明華, 肖德元 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司