納米真空場效應(yīng)電子管及其形成方法
【專利摘要】一種納米真空場效應(yīng)電子管及其形成方法，所述納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法包括：提供襯底，襯底表面具有絕緣層和所述絕緣層表面的犧牲層；形成犧牲線和連接犧牲線兩端的源漏犧牲層；在絕緣層內(nèi)形成凹槽，使犧牲線懸空；在犧牲線表面形成介質(zhì)層；在絕緣層表面形成金屬層，金屬層填充滿所述凹槽并覆蓋犧牲線，暴露出連接所述犧牲線兩端的源漏犧牲層；去除源漏犧牲層，暴露出犧牲線及介質(zhì)層的兩端側(cè)壁；去除犧牲線，形成通孔；在金屬層表面形成隔離層；在金屬層兩側(cè)的絕緣層表面形成源極和漏極，將所述通孔兩端密封。所述方法工藝簡單，容易與現(xiàn)有集成電路集成，并且能夠提高納米真空場效應(yīng)電子管的性能。
【專利說明】納米真空場效應(yīng)電子管及其形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種納米真空場效應(yīng)電子管及其形成方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 真空電子管，是一種最早期的電信號放大器件。早期應(yīng)用于電視機、收音機擴音機 等電子產(chǎn)品中，目前在一些高保真的音響器材中，仍然使用低噪聲、穩(wěn)定系數(shù)高的真空管作 為音頻功率放大器件。由于真空管主要采用機械加工制造，不易于集成，而半導體器件具有 制作工藝簡單，低成本、低功耗、耐用、易于集成等優(yōu)點，所以真空管逐漸被半導體器件所替 代。
[0003] 雖然如此，但是真空電子管與半導體器件相比，仍然具有很多優(yōu)勢，例如，載流子 的運動速率快、輸出頻率高、極端環(huán)境下的工作穩(wěn)定性好等。
[0004] 隨著技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)將所述真空電子管的尺寸縮小，將其應(yīng)用于現(xiàn)有的集成 電路中，提高電路的性能。
[0005] 請參考圖1，為現(xiàn)有的真空電子管的示意圖。
[0006] 所述真空電子管包括：位于真空電子管底部的襯底10表面的發(fā)射極11，所述發(fā)射 極11呈圓錐形；位于真空電子管頂部的集電極20,所述集電極20為平板電極，與襯底10平 行；位于所述襯底10和集電極20之間的真空腔體40,所述真空腔體40與襯底10、集電極 20垂直。所述發(fā)射極11位于所述真空腔體40內(nèi)；位于所述襯底10和集電極20之間的柵 極30,所述柵極30與襯底平行，環(huán)繞所述真空腔體40,部分柵極30位于所述真空腔體40 內(nèi)；所述柵極30與襯底10之間通過第一絕緣層31隔離，所述柵極30和集電極20之間通 過第二絕緣層32隔離。
[0007] 所述發(fā)射極11為圓錐形狀，而所述集電極20為平面電極。發(fā)射極10產(chǎn)生的電子 通過真空腔40到達集電極20,通過在柵極30施加電壓控制電子在真空腔體40中的運動。
[0008] 所述真空電子管的性能不夠穩(wěn)定，并且所述真空電子管的制作工藝較為困難，隨 著器件尺寸的減小，所述真空腔的尺寸也相應(yīng)減小，直接刻蝕形成所述真空腔的難度提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明解決的問題是提供一種納米真空場效應(yīng)電子管及其形成方法，提高納米真 空場效應(yīng)電子管的性能。
[0010] 為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種納米真空場效應(yīng)電子管的形成方 法，包括：提供襯底，所述襯底表面形成有絕緣層和位于所述絕緣層表面的犧牲層；刻蝕所 述犧牲層，在所述犧牲層內(nèi)形成犧牲線和連接所述犧牲線兩端的源漏犧牲層，暴露出部分 絕緣層的表面；在所述絕緣層內(nèi)形成位于所述犧牲線下方的凹槽，所述凹槽使犧牲線懸空； 在所述犧牲線表面形成厚度均勻的介質(zhì)層；在所述凹槽內(nèi)形成金屬層，所述金屬層填充滿 凹槽并覆蓋所述犧牲線和所述犧牲線表面的介質(zhì)層，并且所述金屬層暴露出源漏犧牲層的 表面；去除所述源漏犧牲層，暴露出金屬層的部分側(cè)壁、犧牲線的兩端側(cè)壁以及所述介質(zhì)層 的兩端側(cè)壁；去除所述犧牲線，形成通孔；在所述金屬層表面形成隔離層；在所述金屬層兩 側(cè)的絕緣層表面形成源極和漏極，所述源極和漏極將所述通孔兩端密封。
[0011] 可選的，所述犧牲層的材料包括：Si、Al、Cr、Mo、W、Fe、Co、Cu、Ga、In、Ti。
[0012] 可選的，對所述犧牲線進行退火處理，所述退火溫度為800°C?1200°C，時間為 lmin?120min，使犧牲線的橫截面呈圓形。
[0013] 可選的，所述犧牲層的材料為晶面為（100)的單晶硅。
[0014] 可選的，還包括：在所述犧牲線表面進行選擇性外延，使所述犧牲線的橫截面呈八 邊形。
[0015] 可選的，所述選擇性外延的材料為Si或SiGe。
[0016] 可選的，對所述橫截面為八邊形的犧牲線表面交替進行氧化和刻蝕處理，使所述 犧牲線的橫截面呈圓形。
[0017] 可選的，所述犧牲線的剖面形狀為長方形、八邊形或圓形。
[0018] 可選的，所述絕緣層的材料為氧化硅或氮氧化硅。
[0019] 可選的，所述犧牲線的長度為2nm?100nm。
[0020] 可選的，采用氧化工藝、氮化工藝或原子層沉積工藝形成所述介質(zhì)層。
[0021] 可選的，所述介質(zhì)層的材料為氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁或氮化鋁。
[0022] 可選的，采用氧化工藝、氮化工藝或原子層沉積工藝形成所述隔離層。
[0023] 可選的，所述隔離層的材料為氧化鋁或氮化鋁。
[0024] 可選的，所述源極和漏極的材料為親和勢小于100的金屬。
[0025] 可選的，所述源極和漏極的材料包括：Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Pd、Cu、A1、 Ga、In、Ti、TiN、TaN、金剛石中的一種或幾種。
[0026] 可選的，形成所述源極和漏極之后，所述通孔內(nèi)的壓強為0. 1托?50托。
[0027] 可選的，還包括，形成源極和漏極之后進行退火處理，使所述源極和漏極位于通孔 兩端的側(cè)壁表面呈圓弧形。
[0028] 可選的，在H2或N2氛圍內(nèi)進行所述退火處理，退火溫度為600°C?1000°C，退火時 間為 0· lmin ?lOOmin。
[0029] 為決上述問題，本發(fā)明還提供一種采用上述方法形成的納米真空場效應(yīng)電子管， 包括：襯底；位于所述襯底表面的絕緣層，所述絕緣層內(nèi)具有凹槽；填充滿所述凹槽的金屬 層；位于金屬層表面的隔離層；位于所述凹槽兩側(cè)的絕緣層表面的源極和漏極，所述源極、 漏極的表面與金屬層的表面齊平；位于所述金屬層內(nèi)的通孔和位于通孔內(nèi)壁表面的介質(zhì) 層，所述通孔兩端被源極和漏極密封。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：
[0031] 本發(fā)明的技術(shù)方案，形成與傳統(tǒng)的M0S晶體管的平面結(jié)構(gòu)類似的納米真空場效應(yīng) 電子管，工藝步驟簡單，容易與現(xiàn)有的集成電路集成，通過所述犧牲線的尺寸來控制后續(xù)形 成的作為真空溝道區(qū)域的通孔的尺寸。并且，本發(fā)明的技術(shù)方案中，先形成懸空的犧牲線， 再在所述犧牲線表面形成介質(zhì)層和金屬層，后續(xù)去除所述犧牲線形成通孔之后，所述通孔 作為納米真空場效應(yīng)電子管的溝道區(qū)域，所述溝道區(qū)域被介質(zhì)層和金屬層覆蓋，所述介質(zhì) 層厚度均勻，呈對稱結(jié)構(gòu)，后續(xù)金屬層上施加柵極電壓可以使通孔的內(nèi)壁電位均勻，通孔內(nèi) 的電場強度也較為均勻。當電子管在工作過程中，電子會受到均勻?qū)ΨQ的電場力作用，防止 電子偏離遷移方向而透過介質(zhì)層，從而可以降低納米真空電子管的漏電流。
[0032] 進一步，本發(fā)明的技術(shù)方案可以形成橫截面為八邊形或圓形的犧牲線，從而使后 續(xù)去除犧牲線形成的通孔橫截面為八邊形或圓形，與橫截面為長方形的通孔相比，橫截面 為八邊形或圓形的通孔側(cè)壁表面的棱角從直角變?yōu)殁g角或圓弧形，曲率下降。由于在曲率 較大的表面電場線密度較高，形成橫截面為八邊形或圓形的通孔，可以使得后續(xù)在金屬層 上施加柵極電壓之后，通孔側(cè)壁附近的電場強度分布更加均勻，從而提高納米真空場效應(yīng) 電子管的閾值電壓的穩(wěn)定性。通過對所述犧牲線表面交替進行氧化和刻蝕處理，還可以調(diào) 整所述犧牲線的尺寸。
[0033] 進一步的，本發(fā)明的技術(shù)方案，在形成源極和漏極之后，進行退火處理，是通孔兩 側(cè)的源極和漏極表面呈圓弧狀，使所述源極和漏極表面的曲率提高，從而在施加源漏電壓 之后，所述源極和漏極表面附近的電場強度提高，電子更容易逸出，可以降低電子管的閾值 電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 圖1是現(xiàn)有的真空電子管的示意圖；
[0035] 圖2至圖15為本發(fā)明的實施例中納米真空場效應(yīng)電子管的形成過程的示意圖；
[0036] 圖16為本實施例中形成的納米真空場效應(yīng)電子管的能帶示意圖。

【具體實施方式】
[0037] 如【背景技術(shù)】中所述，現(xiàn)有技術(shù)形成的真空電子管的結(jié)構(gòu)很難與現(xiàn)有的電路集成， 并且制作工藝較為困難，隨著器件尺寸的不斷縮小，現(xiàn)有真空電子管制作工藝會更難實現(xiàn)。 并且現(xiàn)有技術(shù)采用圓錐形的發(fā)射極，所述圓錐形的發(fā)射極附近電場強度較大，雖然容易使 電子逸出，但是較強的放電現(xiàn)象容易產(chǎn)生高能量的電弧使發(fā)射極表面被破壞，使真空電子 管的性能下降。
[0038] 本發(fā)明的技術(shù)方案，提供了一種納米真空場效應(yīng)電子管及其形成方法，所述納米 真空場效應(yīng)電子管的形成工藝簡單，并且與現(xiàn)有的半導體器件的制作工藝兼容，具有與M0S 晶體管類似的平面結(jié)構(gòu)，容易與現(xiàn)有的半導體器件實現(xiàn)集成，并且所述納米真空場效應(yīng)電 子管的性能較穩(wěn)定。
[0039] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的具體實施例做詳細的說明。
[0040] 請參考圖2,提供襯底100,所述襯底100表面形成有絕緣層200和位于所述絕緣 層200表面的犧牲層300。
[0041] 所述襯底100的材料為硅、鍺、鍺化硅、砷化鎵等半導體材料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以根據(jù)半導體襯底100上形成的半導體器件選擇所述襯底100的類型，因此所述半導體 襯底的類型不應(yīng)限制本發(fā)明的保護范圍。
[0042] 所述絕緣層200的材料為氧化硅或氮氧化硅等絕緣介質(zhì)材料。所述絕緣層200作 為后續(xù)形成的真空電子管與襯底100之間的隔離結(jié)構(gòu)。
[0043] 本實施例中，所述犧牲層300的材料為晶面為（100)的單晶硅層。在本發(fā)明的其 他所述例中，也可以采用其他晶面的單晶硅層或多晶硅層。
[0044] 在本發(fā)明的其他實施例中，所述犧牲層200的材料還可以是Al、Cr、Mo、W、Fe、Co、 Cu、Ga、In、Ti等金屬材料。
[0045] 本實施例中，直接在SOI (絕緣體上硅）上形成所述真空電子管，其中所述SOI結(jié) 構(gòu)中，底部硅層作為襯底100,中間的氧化硅埋層作為絕緣層200,而頂部硅層作為犧牲層 200。
[0046] 在本發(fā)明的其他實施例中，也可以在襯底上采用外延工藝依次形成所述絕緣層和 犧牲層。
[0047] 請參考圖3,刻蝕犧牲層300(請參考圖2)，形成犧牲線302和連接所述犧牲線302 兩端的源漏犧牲層301。
[0048] 具體的，刻蝕所述犧牲層300 (請參考圖2)的方法為，在所述犧牲層300表面利 用旋涂法形成光刻膠層，通過顯影曝光之后將所述光刻膠層圖形化。利用圖形化光刻膠層 作為掩膜，刻蝕所述犧牲層300,形成犧牲線302和連接所述犧牲線302兩端的源漏犧牲層 301。然后，去除所述圖形化光刻膠層。
[0049] 所述犧牲線302的長度為2nm?lOOnm，所述犧牲線的厚度為2nm?lOOnm，所述 納米線302的橫截面為長方形。
[0050] 本實施例中，形成犧牲線302和連接所述犧牲線302兩端的源漏犧牲層301之后， 繼續(xù)以所述圖形化光刻膠層作為掩膜刻蝕一定厚度的絕緣層200,去除掉部分未被所述犧 牲線302和源漏犧牲層301覆蓋的部分絕緣層。去除掉部分絕緣層，有助于后續(xù)工藝中，在 所述絕緣層中形成凹槽使犧牲線懸空。
[0051] 請參考圖4,在所述絕緣層200內(nèi)形成位于犧牲線302下方的凹槽201，所述凹槽 201使犧牲線302懸空。
[0052] 采用濕法刻蝕工藝，刻蝕所述絕緣層200。具體的，本實施例中，所述濕法刻蝕工 藝采用Β0Ε (Buffered Oxide Etchant，緩沖氧化蝕刻劑)溶液，所述Β0Ε溶液為NH4F和HF 的混合溶液，其中NH4F和HF的體積比為6:1?？涛g所述絕緣層200的時間為5s?20s
[0053] 在本發(fā)明的其他實施例中，也可以采用對氧化硅有較高選擇性的刻蝕溶液，例如 DHF (dilute HF)溶液，所述DHF溶液為HF和H20的混合溶液，其中HF和H20的體積比為 1:100?1:500?？涛g時間為10s?100s
[0054] 由于在圖形化所述犧牲層300 (請參考圖2)的同時，刻蝕部分絕緣層，使所述犧牲 線302下方的絕緣層的表面高于所述犧牲線302兩側(cè)刻蝕后的未被覆蓋的絕緣層的表面。 所以，在采用濕法刻蝕工藝刻蝕所述絕緣層時，會在未被覆蓋的絕緣層200的縱向和橫向 同時刻蝕所述絕緣層，從而去除掉犧牲線下方的絕緣層，形成凹槽201，使犧牲線302懸空， 所述凹槽201的深度為5nm?100nm。同時，源漏犧牲層301下方的部分絕緣層也會被刻蝕 掉，所述凹槽201的寬度大于所述納米線302的長度。
[0055] 在本發(fā)明的其他實施例中，也可以直接使用濕法刻蝕工藝刻蝕所述絕緣層形成所 述凹槽。
[0056] 請參考圖5,在所述犧牲線302 (請參考圖4)和源漏犧牲層301表面進行選擇性 外延工藝，形成橫截面為八邊形的犧牲線302a。
[0057] 采用選擇性外延工藝，在所述犧牲線302 (請參考圖4)和源漏犧牲層301表面形 成外延層。所述外延層的材料可以為Si或SiGe。由于本實施例中，采用的犧牲層的材料為 晶面為（100)的硅，所述犧牲線302 (請參考圖4)的尺寸較小，所以，在所述犧牲線302 (請 參考圖4)表面形成的外延層按照犧牲線302的表面晶格生長，由于不同晶面上外延生長的 速度不同，最終形成橫截面為八邊形的犧牲線302a。而由于源漏犧牲層301的表面積較大， 最終形成的外延層比較平整，所述源漏犧牲層301的形貌變化不大。
[0058] 與所述橫截面為長方形的犧牲線302相比，所述犧牲線302a的表面棱角的角度從 直角變?yōu)殁g角，使表面的電場強度降低，可以使后續(xù)形成的納米真空場效應(yīng)電子管的柵極 結(jié)構(gòu)包圍的真空溝道區(qū)域內(nèi)的電場更加均勻。
[0059] 請參考圖6,對所述犧牲線302a (請參考圖5)和源漏犧牲層301a (請參考圖5) 進行退火處理，再對所述犧牲線302a (請參考圖5)和源漏犧牲層301a交替進行氧化和刻 蝕處理，形成源漏犧牲層301b和橫截面為圓形的犧牲線302b。所述橫截面為圓形的犧牲線 302b的直徑為2nm?100nm。
[0060] 具體的，所述退火處理在H2、N2或他等氣體氛圍中進行，退火溫度為800°C? 1000°C，時間為lmin?120min。所述退火處理，可以進一步使得犧牲線的表面原子的排列 重組，將多余的表面能量釋放掉，在應(yīng)力作用下呈低能量排列方式，從而使犧牲線的表面棱 角的角度變大趨于平滑。后續(xù)通過濕法或干法氧化處理，在所述犧牲線302a表面形成氧化 層，再通過HF溶液刻蝕去除所述氧化層，如此交替進行氧化和刻蝕處理，重復1?3次之 后，形成橫截面為圓形的犧牲線302b，從而進一步提高后續(xù)形成的全包圍柵金屬氧化物納 米真空場效應(yīng)電子管的真空溝道區(qū)域內(nèi)的電場的均勻性，從而提高電子管的性能。
[0061] 在進行所述氧化和清洗處理之前，先進行選擇性外延工藝和退火處理，可以縮短 氧化和刻蝕處理的次數(shù)，提高效率。
[0062] 在本發(fā)明的其他實施例中，也可以直接采用氧化和刻蝕交替處理，將犧牲線的橫 截面從長方形變成圓形。
[0063] 由于所述犧牲線尺寸較小，并且懸空，所以在氧化和刻蝕過程中，接觸到的氧化氣 體濃度較大，表面形成的氧化層厚度比源漏犧牲層表面的氧化層厚度大，所以在經(jīng)過所述 氧化和刻蝕交替處理之后，所述犧牲線302b的表面低于源漏犧牲層301b的表面。
[0064] 在本發(fā)明的其他實施例中，所述犧牲線302 (請參考圖4)和源漏犧牲層301 (請 參考圖4)的材料還可以是41、0、11〇、1、？6、(：〇、(：11、6&、111或11等金屬材料，可以直接采 用退火處理，使所述犧牲線302 (請參考圖4)的橫截面從長方形變成圓形，提高后續(xù)形成 的真空電子管的真空溝道區(qū)域的電場均勻性，提高所述真空電子管的性能。所述退火溫度 為800°C?1200°C，時間為lmin?120min，退火處理使犧牲線的晶格發(fā)生變化，晶格缺陷降 低，表面原子在應(yīng)力的作用下，以低能量的方式重新排列，將多余的表面能量釋放掉使所述 犧牲線的橫截面變成圓形。
[0065] 請參考圖7,在所述源漏犧牲層301b和犧牲線302b表面形成介質(zhì)層303。
[0066] 具體的，本實施例中，采用氧化工藝，在所述源漏犧牲層301b和犧牲線302b表面 形成氧化硅層作為介質(zhì)層303。所述氧化處理可以采用濕法氧化工藝，也可以采用干法氧化 工藝。
[0067] 在本發(fā)明的其他實施例中，還可以采用氮化處理，形成所述介質(zhì)層303,所述介質(zhì) 層303的材料可以是氮氧化硅。
[0068] 在本發(fā)明的其他實施例中，也可以采用化學氣相沉積工藝或原子層沉積工藝形成 所述介質(zhì)層。但是，由于所述犧牲線下方的凹槽空間較小，進入的反應(yīng)氣體濃度較低，會造 成在所述犧牲線表面形成的介質(zhì)層的厚度不均勻，使犧牲線底部表面的介質(zhì)層厚度小于上 表面的介質(zhì)層的厚度，介質(zhì)層厚度不均勻，會影響后續(xù)形成的真空電子管的性能。
[0069] 在本發(fā)明的其他實施例中，所述犧牲線302b和源漏犧牲層301b的材料為Al、Cr、 Mo、W、Fe、Co、Cu、Ga、In或Ti等金屬材料?？梢圆捎?2或N20對所述犧牲線302b和源漏 犧牲層301b的表面進行離子體處理形成金屬氧化物或金屬氮化物，以A1作為示例，將所述 犧牲線302b和源漏犧牲層301b表面氧化形成A1 203 ;或者采用NH3等離子體，使所述犧牲線 302b和源漏犧牲層301b表面風化形成A1N，從而形成介質(zhì)層303。還可以米用原子層沉積 工藝，在所述犧牲線302b和源漏犧牲層301b表面形成A1 203或A1N等介質(zhì)材料，作為介質(zhì) 層 303。
[0070] 所述犧牲線302b (請參考圖6)表面的介質(zhì)層303,后續(xù)作為電子管的柵介質(zhì)層。
[0071] 請參考圖8,在所述絕緣層200表面形成金屬層400,所述金屬層400填充滿所述 凹槽201 (請參考圖7)，并覆蓋所述犧牲線302b (請參考圖6)及其表面的介質(zhì)層303 (請 參考圖7)，并且所述金屬層400暴露出連接所述犧牲線兩端的源漏犧牲層301b (請參考圖 6)和所述源漏犧牲層表面的介質(zhì)層303。所述金屬層400作為后續(xù)形成的真空場效應(yīng)電子 管的柵極。
[0072] 具體的，形成所述金屬層400的方法為：采用沉積工藝在所述絕緣層200內(nèi)的凹槽 201 (請參考圖7)內(nèi)沉積金屬材料，所述金屬材料填充滿所述凹槽201，并且覆蓋所述犧牲 線302b (請參考圖6)及源漏犧牲層301b ;然后通過化學機械研磨工藝，以所述介質(zhì)層303 為研磨停止層，對所述金屬材料層進行平坦化形成金屬層400,所述金屬層400的表面與源 漏犧牲層表面的介質(zhì)層303的表面齊平。在本發(fā)明的其他實施例中，也可以在形成所述金 屬材料層之后，在所述金屬材料層表面形成具有開口的掩膜，所述開口位于所述源漏犧牲 層上方，沿所述開口刻蝕所述金屬材料層，去除位于所述源漏犧牲層上方的金屬材料，暴露 出所述源漏犧牲層表面的介質(zhì)層，此時，所述金屬層的表面高于所述介質(zhì)層的表面。
[0073] 所述沉積工藝可以是化學氣相沉積工藝、金屬有機化學氣相沉積工藝或原子層沉 積工藝，所述金屬層 400 的材料可以是 Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、 W、WN、WSi中的一種或多種材料。
[0074] 請參考圖9,去除所述源漏犧牲層301b (請參考圖6)及所述源漏犧牲層301b表 面的介質(zhì)層303 (請參考圖8)，暴露出所述金屬層400的部分側(cè)壁、犧牲線302b及所述犧 牲線302b表面的介質(zhì)層303的兩端側(cè)壁。
[0075] 采用干法刻蝕工藝，以所述絕緣層200作為刻蝕停止層，去除所述源漏犧牲層表 面的介質(zhì)層303 (請參考圖8)和所述源漏犧牲層301b (請參考圖6)。
[0076] 請參考圖10,去除所述犧牲線302b (請參考圖9)，形成通孔304。
[0077] 采用濕法刻蝕工藝，從所述犧牲線302b暴露的兩端側(cè)壁向內(nèi)刻蝕，去除所述犧牲 線。
[0078] 具體的，所述濕法刻蝕工藝選擇對所述犧牲線302b的材料具有較高選擇性的刻 蝕溶液。
[0079] 本實施例中，所述犧牲線302b的材料為硅，所述濕法刻蝕采用NaOH或Κ0Η等刻蝕 溶液。在本發(fā)明的其他實施例中，所述犧牲線302b的材料為A1，可以采用磷酸、乙酸和硝酸 的混合溶液作為刻蝕溶液，對其進行選擇性刻蝕。
[0080] 去除所述犧牲線302b (請參考圖9)之后，所述在所述金屬層400內(nèi)部形成一個中 空的通孔304,后續(xù)所述通孔304作為真空電子管的真空溝道區(qū)域。
[0081] 請參考圖11，所述金屬層400 (請參考圖10)表面形成隔離層401。
[0082] 所述隔離層401的材料為氧化物或氮化物等絕緣材料，所述隔離層401作為金屬 層400與后續(xù)形成的源極和漏極之間的隔離結(jié)構(gòu)。
[0083] 具體的，可以對所述金屬層400表面進行氧化或氮化處理，在金屬層400 (請參考 圖10)表面形成隔離層401?？梢圆捎?2等離子體對所述金屬層400表面進行氧化處理， 或者采用N 20或NH3等離子體對所述金屬層400表面進行氮化處理形成所述隔離層401。
[0084] 在本發(fā)明的其他實施例中，還可以采用原子層沉積工藝，在所述金屬層400表面 沉積A1 203或A1N等絕緣材料，形成隔離層401。
[0085] 請參考圖12,在所述金屬層兩側(cè)的絕緣層200表面形成源極501和漏極502,所述 源極501和漏極502將所述通孔304 (請參考圖11)兩端密封。
[0086] 所述源極 501 和漏極 502 的材料可以是 Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Pd、Cu、 Al、Ga、In、Ti、TiN、TaN、金剛石中的一種或幾種。所述源極和漏極的材料為親和勢小于 100kJ · mol/L的材料。親和勢是指原子失去電子需消耗能量，所述源極和漏極材料的親和 勢較低，電子比較容易從源極和漏極的表面逸出成為載流子，從而使形成的納米真空場效 應(yīng)電子管具有較低的閾值電壓。
[0087] 具體的，可以采用物理氣相沉積或化學氣相沉積工藝形成所述源極501和漏極 502。在形成所述源極和漏極的過程中，將反應(yīng)腔內(nèi)的壓強控制在0. 1托?50托，從而使得 形成源極和漏極之后，所述通孔304兩端被密封，并且所述通孔304內(nèi)的壓強為與反應(yīng)腔內(nèi) 的壓強相同，為〇· 1托?50托。由于所述通孔的長度為2nm?100nm，所述通孔的直徑為 2nm?100nm，所述通孔的尺寸較低，小于電子在空氣中的平均自由程，所以，所述通孔內(nèi)雖 然不是完全真空，但是所述電子受到氣體分子的散射作用仍然很小，電子在所述通孔內(nèi)具 有較高的遷移速率。所述通孔后續(xù)作為納米真空場效應(yīng)電子管的溝道區(qū)域，源極逸出的電 子通過溝道區(qū)域到達漏極，由于通孔內(nèi)壓強較低，接近真空狀態(tài)，由于不受到半導體材料晶 格的散射作用，電子在接近真空的通孔內(nèi)的遷移速率比在半導體材料中要快很多。
[0088] 請參考圖13,為圖12沿AA'方向的剖面示意圖。
[0089] 所述通孔304內(nèi)壁為一層均勻的介質(zhì)層303,所述介質(zhì)層303作為納米真空場效應(yīng) 電子管的柵介質(zhì)層，所述通孔304作為納米真空場效應(yīng)電子管的溝道區(qū)域，金屬層400包圍 所述柵介質(zhì)層303和通孔304。
[0090] 請參考圖14,為圖12沿BB'方向的剖面示意圖。
[0091] 所述金屬層400和源極501、漏極502之間通過隔離層401隔離，并且源極501和 漏極502將通孔304的兩端密封。
[0092] 請同時參考圖13和圖14,通孔304被介質(zhì)層304和金屬層400包圍，由于所述介 質(zhì)層304的厚度均勻，所以，在金屬層400上施加柵極電壓之后，通孔內(nèi)的電場均勻。當電 子管在工作過程中會受到均勻?qū)ΨQ的電場力作用，防止電子偏離遷移方向，透過介質(zhì)層，形 成漏電流。
[0093] 請參考圖15,進行退火處理，使所述源極501和漏極502位于通孔兩端的側(cè)壁表面 呈圓弧形
[0094] 所述退火處理在隊或仏氛圍下進行，退火溫度為600°C?1000°C，退火時間為 0. lmin?lOOmin。在退火過程中，位于源極501和漏極502表面的金屬原子自由能下降， 表面原子在應(yīng)力作用下，以低能量的方式進行重新排列，使得源極501和漏極502靠近通孔 304 -側(cè)的表面呈圓弧形，而其他部分表面由于面積較大，形變不明顯。由于所述源極501 和漏極502罪近通孔304 -側(cè)的表面呈圓弧形，使所述源極和漏極表面的曲率提商，從而在 施加源漏電壓之后，所述源極和漏極表面附近的電場強度提高，電子更容易逸出，可以降低 電子管的閾值電壓。但是所述圓弧形的曲率較低，電場線的密度不足以產(chǎn)生高能量的電弧 破壞所述源極和漏極的表面，所以，所述真空電子管的性能較為穩(wěn)定。
[0095] 所述納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法與現(xiàn)有的金屬氧化物場效應(yīng)電子管的制 作工藝兼容，并且所述納米真空場效應(yīng)電子管為平面結(jié)構(gòu)，容易集成在現(xiàn)有的集成電路中。 [0096] 本發(fā)明的實施例還提供了采用上述方法形成的納米真空場效應(yīng)電子管。
[0097] 請同時參考圖12、圖13和圖14,其中圖13為圖12沿AA'方向的剖面示意圖，圖 14為圖12沿BB'方向的剖面示意圖。所述納米真空場效應(yīng)電子管包括：襯底100 ;位于所 述襯底10表面的絕緣層200,所述絕緣層200內(nèi)具有凹槽；填充滿所述凹槽的金屬層400 ; 位于金屬層400表面的隔離層401 ;位于所述凹槽兩側(cè)的絕緣層200表面的源極501和漏極 502,所述源極501、漏極502的表面與金屬層400的表面齊平；位于所述金屬層400內(nèi)的通 孔304和位于通孔304內(nèi)壁表面的介質(zhì)層303,所述通孔兩端被源極501和漏極502密封。 [0098] 所述納米真空場效應(yīng)電子管的形成工藝較為簡單，易于集成，并且所述納米真空 場效應(yīng)電子管的溝道區(qū)域內(nèi)的電場強度均勻，柵極電壓分布均勻，從而使柵極對電子的控 制能力提1?，可以進一步提1?電子管的穩(wěn)定性。
[0099] 請參考圖16，為在所述納米真空場效應(yīng)電子管柵極施加柵極電壓Vg和源漏電壓之 后的能帶示意圖。
[0100] 納米真空場效應(yīng)電子管的工作原理主要基于隧道效應(yīng)。當所述柵極電壓vg小于 所述納米真空場效應(yīng)電子管的閾值電壓vt時，納米真空場效應(yīng)電子管處于關(guān)閉狀態(tài)，源極 表面的勢壘較高，電子隧穿進入真空溝道區(qū)域內(nèi)的隧穿距離D1較大，電子很難隧穿進入真 空溝道區(qū)域內(nèi)，源極表面的電子只有少量會由于熱運動而克服源極表面的勢壘進入真空溝 道區(qū)域，由于此時通過熱運動躍遷進入真空溝道區(qū)域內(nèi)的電子數(shù)量很少，所以電子管的源 漏電流非常小，電子管處于關(guān)閉狀態(tài)；當柵極電壓V g大于所述納米真空場效應(yīng)電子管的閾 值電壓Vt時，真空溝道區(qū)域的能級會向下彎曲，使得源極表面的電子隧穿進入真空區(qū)域的 隧穿距離D2減小，從而源極表面有大量電子通過隧道效應(yīng)，隧穿進入真空溝道區(qū)域，形成 載流子，從而使真空電子管開啟。
[0101] 源極表面的電場強度越大，可以使所述真空溝道區(qū)域的能級向下彎曲的程度越 大，使隧穿距離越小。本實施例中，形成的源極表面為圓弧形，可以提高源極表面的電場強 度，從而降低電子管的閾值電壓，降低功耗。
[0102] 雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。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)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所 限定的范圍為準。
【權(quán)利要求】
1. 一種納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，包括： 提供襯底，所述襯底表面形成有絕緣層和位于所述絕緣層表面的犧牲層； 刻蝕所述犧牲層，在所述犧牲層內(nèi)形成犧牲線和連接所述犧牲線兩端的源漏犧牲層， 暴露出部分絕緣層的表面； 在所述絕緣層內(nèi)形成位于所述犧牲線下方的凹槽，所述凹槽使犧牲線懸空； 在所述犧牲線表面形成厚度均勻的介質(zhì)層； 在所述凹槽內(nèi)形成金屬層，所述金屬層填充滿凹槽并覆蓋所述犧牲線和所述犧牲線表 面的介質(zhì)層，并且所述金屬層暴露出源漏犧牲層的表面； 去除所述源漏犧牲層，暴露出金屬層的部分側(cè)壁、犧牲線的兩端側(cè)壁以及所述介質(zhì)層 的兩端側(cè)壁； 去除所述犧牲線，形成通孔； 在所述金屬層表面形成隔離層； 在所述金屬層兩側(cè)的絕緣層表面形成源極和漏極，所述源極和漏極將所述通孔兩端密 封。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述犧牲 層的材料包括：Si、Al、Cr、Mo、W、Fe、Co、Cu、Ga、In 或 Ti。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，對所述犧 牲線進行退火處理，所述退火溫度為800°C?1200°C，時間為lmin?120min，使犧牲線的橫 截面呈圓形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述犧牲 層的材料為晶面為（100)的單晶硅。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，還包括：在 所述犧牲線表面進行選擇性外延，使所述犧牲線的橫截面呈八邊形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述選擇 性外延的材料為Si或SiGe。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，對所述橫 截面為八邊形的犧牲線表面交替進行氧化和刻蝕處理，使所述犧牲線的橫截面呈圓形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述犧牲 線的剖面形狀為長方形、八邊形或圓形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述絕緣 層的材料為氧化硅或氮氧化硅。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述犧牲 線的長度為2nm?lOOnm.
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，采用氧化 工藝、氮化工藝或原子層沉積工藝形成所述介質(zhì)層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述介質(zhì) 層的材料為氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁或氮化鋁。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，采用氧化 工藝、氮化工藝或原子層沉積工藝形成所述隔離層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述隔離 層的材料為氧化鋁或氮化鋁。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述源極 和漏極的材料為親和勢小于l〇〇kJ · mol/L的材料。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，所述源極 和漏極的材料包括：Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Pd、Cu、Al、Ga、In、Ti、TiN、TaN、金剛石 中的一種或幾種。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，形成所述 源極和漏極之后，所述通孔內(nèi)的壓強為〇. 1托?50托。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，還包括， 形成源極和漏極之后進行退火處理，使所述源極和漏極位于通孔兩端的側(cè)壁表面呈圓弧 形。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米真空場效應(yīng)電子管的形成方法，其特征在于，在H2或 N2氛圍內(nèi)進行所述退火處理，退火溫度為600°C?1000°C，退火時間為0. lmin?lOOmin。
20. -種納米真空場效應(yīng)電子管，其特征在于，所述納米真空場效應(yīng)電子管采用權(quán)利要 求1至權(quán)利要求19中任意一項權(quán)利要求所述的方法形成，包括 ： 襯底； 位于所述襯底表面的絕緣層，所述絕緣層內(nèi)具有凹槽； 填充滿所述凹槽的金屬層； 位于金屬層表面的隔離層； 位于所述凹槽兩側(cè)的絕緣層表面的源極和漏極，所述源極、漏極的表面與金屬層的表 面齊平； 位于所述金屬層內(nèi)的通孔和位于通孔內(nèi)壁表面的介質(zhì)層，所述通孔兩端被源極和漏極 密封。
【文檔編號】H01L29/78GK104143513SQ201310170430
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月9日
【發(fā)明者】肖德元 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司