專利名稱：一種基于三五族元素的納米線mos晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種MOS晶體管結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別涉及一種基于Nix-III_V元素的納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)，同時(shí)，本發(fā)明還提出了所述基于Nix-III-V元素的納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)的制造方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的金屬_氧化物_半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管(簡稱MOS晶體管)是采用離子注入的方法形成源區(qū)和漏區(qū)，采用重?fù)诫s的多晶硅做柵極。因此，需要進(jìn)行高溫(約IOO(TC )后退火處理來激活摻雜，以消除離子注入造成的晶格損傷，降低接觸電阻。然而，如此高的加工溫度會(huì)引起源區(qū)和漏區(qū)摻雜(硼或磷)的再擴(kuò)散，從而引起結(jié)深和溝道長度的變化，最終導(dǎo)致器件性能偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。尤其隨著器件特征尺寸縮小到50納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，源區(qū)和漏區(qū)的結(jié)深及溝道長度均進(jìn)入納米量級(jí)，而采用常規(guī)的方法無法實(shí)現(xiàn)超淺結(jié)源區(qū)和漏區(qū)，這給小尺寸器件的加工帶來了很大挑戰(zhàn)。
近年來，一維納米結(jié)構(gòu)，例如納米管、納米線、納米帶等，因?yàn)樗鼈兪浅叨群途S度決定的物理和化學(xué)性質(zhì)的理想體系，引起了人們廣泛的研究興趣。基于其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，現(xiàn)在對一維半導(dǎo)體納米線的關(guān)注也逐漸增多，它被認(rèn)為有可能是未來集成電路的基本組成元件。III-V族材料半導(dǎo)體納米線，如GaAs， InAs， InGaAs， InP等由于其較高的電子遷移率得到了廣泛重視。但是，由于其接觸面積的減小，基于半導(dǎo)體納米線MOS晶體管的源漏制造技術(shù)仍然是巨大的挑戰(zhàn)之一。納米尺度的源漏接觸不僅需要獲得較低的接觸電阻，并且需要減小寄生電容。在現(xiàn)有的納米線晶體管的源漏制造中，通常只是在納米線的兩端利用光刻制作兩個(gè)金屬電極，然后通過后續(xù)退火減小其接觸電阻。這種方法不僅受到光刻精度的限制而無法減小溝道長度，大面積的源漏也增加了器件的寄生電容。此外，其中的熱處理也提高了制造中的成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種納米線晶體管結(jié)構(gòu)及其制備方法，該納米線晶體管結(jié)構(gòu)可以減小源漏間的接觸電阻，并且可以有效減小寄生電容的產(chǎn)生。 為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出一種基于Nix-III_V元素的納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，使用金屬鎳作為III-V族半導(dǎo)體納米線的源漏擴(kuò)散材料，利體管結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，使用金屬鎳作為III-V族半導(dǎo)體納米線的源漏擴(kuò)散材料，利用高溫下鎳擴(kuò)散的機(jī)理，使得金屬鎳可以擴(kuò)散到III-V族材料中，形成低電阻的N"-III-V形式的合金，作為III-V族半導(dǎo)體納米線MOS晶體管的源漏材料，從而實(shí)現(xiàn)源漏材料與溝道材料的歐姆接觸。這里O. 1《x《3。 本發(fā)明所公開的納米線MOS晶體管具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸電阻小、并且能
夠有效減小寄生電容的產(chǎn)生并使MOS晶體管的關(guān)斷電流有效減小等優(yōu)點(diǎn)。 進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種上述納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括下列步驟 在提供的絕緣體襯底上形成一層金屬鎳的薄膜； 進(jìn)行第一次退火，在絕緣體襯底上得到金屬鎳納米顆粒；退火溫度可為800-900°C，退火氣氛可用H2 ; 以III-V族半導(dǎo)體為固態(tài)源，固態(tài)源源區(qū)的溫度控制在700°C以上(如700-800°C )，以金屬鎳納米顆粒為催化劑，絕緣體襯底的溫度控制在450-55(TC以內(nèi)，利用氣態(tài)_液態(tài)_固態(tài)法(VLS)在絕緣體襯底上生長III-V族納米線； 在提供的半導(dǎo)體襯底上形成單根III-V半導(dǎo)體納米線或者平行的III-V半導(dǎo)體納米線陣列； 在需要生長溝道的區(qū)域上形成器件的柵極結(jié)構(gòu)；
在所述柵極結(jié)構(gòu)的兩邊形成絕緣的邊墻結(jié)構(gòu)；
在所述邊墻結(jié)構(gòu)的兩邊形成金屬鎳薄膜； 進(jìn)行第二次退火，使鎳原子擴(kuò)散到III-V族半導(dǎo)體納米線中，得到低電阻的Nix-III-V形式的合金。退火溫度可為200-250。C，選用還原性氣體(如H2或NH3等)。
所述的絕緣體襯底為Si02、Si3N4或者其它材料的絕緣體。所述的半導(dǎo)體襯底為單
晶硅、多晶硅或者絕緣體上的硅(SOI)。所述的邊墻結(jié)構(gòu)由Si02、Si3N4或者它們之間相混合
的絕緣材料構(gòu)成。 進(jìn)一步地，所述的柵極結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)導(dǎo)電層和一個(gè)將所述導(dǎo)電層與所述半導(dǎo)體襯底隔離的絕緣層，所述的導(dǎo)電層為多晶硅、無定形硅、鎢金屬、氮化鈦、氮化鉭或者金屬硅化物，所述的絕緣層為Si02、 Hf02、 HfSiO、 HfSiON、 SiON、 A1203或者它們之中幾種的混合物。 需要注意的是，在進(jìn)行第二次退火時(shí)，可通過控制退火的溫度及時(shí)間，使得納米溝道長度，從而使得器件有更大的工作電流。
圖1至圖3為III-V族納米線的形成過程示意圖。 圖4至圖8為本發(fā)明提供的基于Nix-III_V元素的納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)的形成過程示意圖。 圖5b、圖6b和圖7b分別為圖5a、圖6a和圖7a所示結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式作詳細(xì)說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點(diǎn)，但在本發(fā)明實(shí)施例中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。同時(shí)在下面的描述中，所使用的術(shù)語襯底可以理解為包括正在工藝加工中的半導(dǎo)體襯底，可能包括在其上所制備的其它薄膜層。 如圖l，提供一個(gè)絕緣體襯底101上長一層金屬鎳的薄膜102，厚度約為幾十納米，絕緣體襯底比如為Si02襯底。 接下來，溫度在800-90(TC范圍內(nèi)，使用H2退火，得到在絕緣體襯底101上生成的金屬鎳納米顆粒。如圖2，所示103為多個(gè)鎳納米顆粒中的一個(gè)。 接下來，以III-V族半導(dǎo)體為固態(tài)源，源區(qū)溫度控制在70(TC以上，以鎳納米粒子為催化劑，絕緣體襯底溫度在450-550°C內(nèi)，利用氣態(tài)_液態(tài)_固態(tài)(VLS)法生長III-V族半導(dǎo)體納米線，III-V族半導(dǎo)體納米線比如為NixGaAs、NixInAs、NixInGaAs等。如圖3，所示104為多根III-V族半導(dǎo)體納米線中的一根，所示105為一個(gè)鎳納米離子。
接下來，將III-V族半導(dǎo)體納米線分散在溶液中后旋涂在襯底上，或直接利用接觸式印刷，在要制備器件的半導(dǎo)體襯底上排布平行的III-V族半導(dǎo)體納米線陣列。如圖4，所示半導(dǎo)體襯底200為單晶硅、多晶硅或者絕緣體上的硅(SOI)，所示201a為平行的III-V族半導(dǎo)體納米線陣列中的一根III-V族半導(dǎo)體納米線，所示201b為一個(gè)鎳納米粒子。
接下來，在需要生長溝道的區(qū)域上，生長柵介質(zhì)203和柵極疊層結(jié)構(gòu)204，如圖5a，所示柵介質(zhì)203比如為Si(^，所示柵極疊層結(jié)構(gòu)204包含高k柵介質(zhì)層、金屬柵電極層和多晶硅層。圖5b為圖5a所示結(jié)構(gòu)的截面圖。 接下來，淀積形成一層絕緣介質(zhì)，然后對絕緣介質(zhì)進(jìn)行刻蝕，在柵極疊層結(jié)構(gòu)204和柵介質(zhì)204的兩邊形成邊墻結(jié)構(gòu)205a和205b，如圖6a，邊墻結(jié)構(gòu)205a和205b為Si02、Si3N4或者它們之間相混合的絕緣材料，圖6b為圖6a所示結(jié)構(gòu)的截面圖。
再接下來，淀積一層金屬鎳，然后對其進(jìn)行刻蝕形成如圖7a所示的結(jié)構(gòu)，所示206a和206b為金屬鎳，圖7b為圖7a所示結(jié)構(gòu)的截面圖。 最后，在200-25(TC溫度范圍下，通入還原性的氣體如H2、NH3等，進(jìn)行退火，使鎳原
子擴(kuò)散進(jìn)入到III-V族半導(dǎo)體納米線201a中，得到NifIII-V形式的合金作為源漏接觸。
如圖8，所示207a和207b為形成的Nix-III_V形式的合金，所示201c為III-V族半導(dǎo)體納
米線201a剩下的部分，用作器件的溝道結(jié)構(gòu)。需要注意的是，在進(jìn)行此次退火時(shí)，需要控制
退火的溫度及時(shí)間，使得III-V族半導(dǎo)體納米線的溝道長度與器件的柵長一致。 這樣一個(gè)基于Nix-III-V元素的納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)就形成了。 本發(fā)明所提出的納米線MOS晶體管結(jié)構(gòu)可以用于高速M(fèi)OS晶體管的制備，或者是
未來印刷集成電路上。 如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
一種納米線MOS晶體管，其特征在于，以Nix-III-V形式的合金作為以III-V族半導(dǎo)體納米線為溝道材料的納米線MOS晶體管的源極和漏極，實(shí)現(xiàn)源漏材料與溝道材料歐姆接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線MOS晶體管，其特征在于，所述的Ni,-III-V形式的合金為利用金屬Ni與III-V族半導(dǎo)體固態(tài)反應(yīng)得的NixGaAs、 NixInAs或NixInGaAs合金。
3. —種如權(quán)利要求1所述的納米線MOS晶體管的制備方法，其特征在于，包括下列步驟在提供的絕緣體襯底上形成一層金屬鎳的薄膜；進(jìn)行第一次退火，在絕緣體襯底上得到金屬鎳納米顆粒；以III-V族半導(dǎo)體為固態(tài)源，以金屬鎳納米顆粒為催化劑，利用氣態(tài)-液態(tài)-固態(tài)法在所述絕緣體襯底上生長III-V族納米線；在提供的半導(dǎo)體襯底上形成單根III-V半導(dǎo)體納米線或者平行的納米線陣列；在需要生長溝道的區(qū)域上形成器件的柵極結(jié)構(gòu)；在所述柵極結(jié)構(gòu)的兩邊形成絕緣的邊墻結(jié)構(gòu)；在所述邊墻結(jié)構(gòu)的兩邊形成金屬鎳薄膜；進(jìn)行第二次退火，使鎳原子擴(kuò)散到III-V族半導(dǎo)體納米線中，得到Nix-III-V形式的合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的絕緣體襯底為Si02或Si3N4。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述第一次退火的條件為溫度在800-900 °C范圍內(nèi)，使用H2退火。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，在所述絕緣體襯底上生長III-V族納米線時(shí)，所述固態(tài)源源區(qū)的溫度在70(TC以上，絕緣體襯底的溫度為450-550°C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅或者絕緣體上的硅。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的柵極結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)導(dǎo)電層和一個(gè)將所述導(dǎo)電層與所述半導(dǎo)體襯底隔離的絕緣層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述的導(dǎo)電層為多晶硅、無定形硅、鎢金屬、氮化鈦、氮化鉭或者金屬硅化物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述的絕緣層為Si02、Hf02、HfSiO、HfSiON、 SiON、 A1203或者它們之中幾種的混合物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的邊墻結(jié)構(gòu)由Si(^、Si3N4或者它們之中幾種相混合的絕緣材料構(gòu)成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的第二次退火的條件為溫度在200-25(TC范圍內(nèi)，選用還原性的氣體H2或NH3。
13. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，在進(jìn)行第二次退火時(shí)，通過控制退火的溫度及時(shí)間，使得納米線M0S晶體管的溝道長度與柵極的長度一致。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種納米線MOS晶體管及其制備方法。該納米線MOS晶體管使用金屬鎳作為III-V族半導(dǎo)體納米線的源漏擴(kuò)散材料，利用高溫下鎳的擴(kuò)散機(jī)理，使金屬鎳擴(kuò)散到III-V族材料中，形成低電阻的Ni-III-V形式的合金，作為III-V半導(dǎo)體納米線MOS管的源漏材料，從而實(shí)現(xiàn)源漏材料與溝道材料的歐姆接觸。本發(fā)明所公開的MOS晶體管具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸電阻小、并且能夠有效減小寄生電容的產(chǎn)生并使MOS晶體管的關(guān)斷電流有效減小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明還公開了所述納米線MOS晶體管的制備方法，該方法可以有效控制MOS晶體管的溝道長度，從而使得半導(dǎo)體器件有更大的工作電流。
文檔編號(hào)H01L21/336GK101783367SQ20101011127
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者劉晗, 張衛(wèi), 王鵬飛, 顧晶晶 申請人:復(fù)旦大學(xué)