專利名稱:金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造領(lǐng)域，尤其涉及金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方 法。
背景技術(shù)：
金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Semiconductor-Field-Effect-Transistor， MESFET)是一種常見的晶體管，在現(xiàn)代半導(dǎo)體裝置中大量使用。MESFET具有與金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-0xide4emiconductor-Field-Effect-Transistor，M0SFE) 相似的電流-電壓特性。然而在器件的柵極部分，MESFET利用金屬-半導(dǎo)體的肖特基接觸 取代了 MOSFET的MOS結(jié)構(gòu)；而在源極與漏極部分，MESFET以歐姆接觸取代MOSFET中的p_n 結(jié)。MESFET與其他的場效應(yīng)器件一樣，在高電流時具有負(fù)的溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高電 流反而下降。因此即使是使用大尺寸的有源器件或?qū)⒃S多器件并接使用時，仍可維持熱穩(wěn) 定。此外，由于MESFET可用GaAs、InP等具有高電子遷移率的化合物半導(dǎo)體制造，因此具有 比硅基MOSFET高的開關(guān)速度與截止頻率。MESFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)在于金半接觸，在電特性上它 相當(dāng)于單邊突變的p-n結(jié)，然而在工作時，它具有多數(shù)載流子器件所享有的快速響應(yīng)。
公開號為JP10070139的日本專利公開了一種以絕緣體上硅 (Silicon-On-Insulator, S0I)為襯底的MESFET結(jié)構(gòu)。該MESFET的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示， 包括絕緣體101，在絕緣體101上的輕摻雜硅溝道102，溝道102兩側(cè)的重?fù)诫s硅源區(qū)106 和漏區(qū)104，與源區(qū)106連接的金屬源極107，與漏區(qū)105連接的金屬漏極105，以及位于溝 道102上方并與之連接的金屬柵極103。其中金屬源極107與重?fù)诫s硅源區(qū)106為歐姆接 觸，金屬漏極105與重?fù)诫s硅漏區(qū)105也為歐姆接觸，但金屬柵極103與輕摻雜硅溝道102 為肖特基接觸。所謂歐姆接觸是指相互接觸的金屬和半導(dǎo)體之間具有線性并且對稱的電 流-電壓特性曲線。而肖特基接觸是指相互接觸的金屬和半導(dǎo)體之間電流-電壓特性曲線 為非線性曲線。
采用上述結(jié)構(gòu)的MESFET會產(chǎn)生漏電流，特別是當(dāng)半導(dǎo)體器件的尺寸越來越小的 時候，這種漏電流就變得越來越明顯。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種無漏電流的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的 制造方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，包 括步驟提供襯底，所述襯底設(shè)有埋入電介質(zhì)層和所述埋入電介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料層； 對所述的半導(dǎo)體材料層進行輕摻雜；刻蝕所述半導(dǎo)體材料層和埋入電介質(zhì)層，形成半導(dǎo)體 材料柱和電介質(zhì)支撐柱，所述半導(dǎo)體材料柱由所述電介質(zhì)支撐柱所支撐；去除所述電介質(zhì) 支撐柱的中段，使得電介質(zhì)支撐柱的中段形成鏤空；在所述襯底上沉積金屬層至至少掩埋 所述半導(dǎo)體材料柱，并填充所述電介質(zhì)支撐柱的鏤空處；刻蝕所述金屬層，形成金屬柵極，所述金屬柵極的長度小于等于所述電介質(zhì)支撐柱被去除的長度，所述金屬柵極在所述電介 質(zhì)支撐柱的鏤空處形成對所述半導(dǎo)體材料柱的包裹，且金屬柵極與半導(dǎo)體材料柱的接觸為 肖特基接觸，所述半導(dǎo)體材料柱被所述金屬柵極包裹的一段形成溝道區(qū)；對所述半導(dǎo)體材 料柱兩端的暴露部分進行重?fù)诫s，形成源區(qū)和漏區(qū)。
可選地，在對所述半導(dǎo)體材料柱兩端的暴露部分進行重?fù)诫s之前還包括步驟在 所述金屬柵極的側(cè)壁上形成隔離層。
可選地，所述隔離層為氧化物-氮化物-氧化物隔離層。
可選地，在所述去除所述電介質(zhì)支撐柱的中段之后還包括步驟對所述半導(dǎo)體材 料柱進行熱退火處理，所述熱退火的溫度為1000至1200°C。
可選地，對所述的半導(dǎo)體材料層進行輕摻雜的雜質(zhì)與對所述半導(dǎo)體材料柱兩端的 暴露部分進行重?fù)诫s的雜質(zhì)的導(dǎo)電類型相同。
可選地，所述電介質(zhì)支撐柱的中段被去除的長度為5nm至50nm。
可選地，所述半導(dǎo)體材料柱為圓柱形。
可選地，所述半導(dǎo)體材料柱的徑向界面的外接圓的直徑為2nm至25nm。
可選地，所述金屬柵極由W、Al、Ag、Au、Cr、Mo、Ni、Pd、Ti或Pt的金屬單質(zhì)或氮化 物，或者任意兩種以上所述金屬單質(zhì)和/或氮化物的疊層或合金所形成。
可選地，所述的半導(dǎo)體材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs、InP, InAs或InGaAs。
可選地，在所述形成源區(qū)和漏區(qū)之后還包括步驟形成分別與源區(qū)和漏區(qū)接觸的 金屬源極與金屬漏極，金屬源極與源區(qū)的接觸以及金屬漏極與漏區(qū)的接觸為歐姆接觸。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明所制造的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，在金屬半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管中形成一個全包圍溝道區(qū)的金屬柵極，可以全面防止漏電流的產(chǎn)生。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明一個實施例金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為圖2的III-III’剖視圖；
圖4為本發(fā)明一個實施例金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線示例圖；
圖5為本發(fā)明一個實施例金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的輸出曲線示例圖；
圖6為本發(fā)明一個實施例金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管制造方法流程圖；
圖7至圖12為根據(jù)圖6所示流程制造金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體內(nèi)容做詳細(xì)描述。
如圖2和圖3所示，本實施例提供一種金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管201，包括由金屬 形成的金屬柵極202和一根圓柱形的半導(dǎo)體材料柱203(參考圖8)。半導(dǎo)體材料柱203從 一端到另一端依次是該金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管201的源區(qū)204、溝道區(qū)205和漏區(qū)206。 金屬柵極202內(nèi)設(shè)有通孔207，而溝道區(qū)205位于通孔207內(nèi)，也即金屬柵極202形成對溝 道區(qū)205的包裹而暴露源區(qū)204和漏區(qū)206。溝道區(qū)205的長度為5nm至50nm。相應(yīng)的， 金屬柵極202的長度小于等于溝道區(qū)205的長度。上述金屬柵極202與溝道區(qū)203之間的金屬-半導(dǎo)體接觸為肖特基接觸。
在本實施例中，采用圓柱形的半導(dǎo)體材料柱203是一個優(yōu)選的實施例，本領(lǐng)域技 術(shù)人員知道，半導(dǎo)體材料柱203的徑向橫截面是其他形狀也可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
另外，該金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管201還包括與源區(qū)204接觸的金屬材質(zhì)源極 208，以及與漏區(qū)206接觸的金屬材質(zhì)漏極209。這里，源區(qū)204與源極208的接觸以及漏區(qū) 206與漏極209的接觸為歐姆接觸。
為了實現(xiàn)金屬柵極202與源極208和漏極209的電隔離，還可以在金屬柵極202 靠近源極208和漏極209的兩端設(shè)置柵極隔離層210。柵極隔離層210的形狀和材質(zhì)已為 現(xiàn)有技術(shù)所公開，在此不再贅述。
制造半導(dǎo)體材料柱203的半導(dǎo)體材料包括Si、Ge、SiGe、GaAsJnP、InAs或MGaAs寸。
而金屬柵極202 由 W、Al、Ag、Au、Cr、Mo、Ni、Pd、Ti 或 Pt 的金屬單質(zhì)或 TiN, TaN 等金屬氮化物，或者任意兩種以上所述金屬單質(zhì)和/或氮化物的疊層或合金所形成。
選用上述金屬和半導(dǎo)體材料的原因在于，上述金屬和半導(dǎo)體材料相接觸的時候， 金屬-半導(dǎo)體接觸界面處的半導(dǎo)體能帶彎曲，形成肖特基勢壘，從而體現(xiàn)出I-V曲線的非對 稱性。這種肖特基勢壘的存在導(dǎo)致了大的界面電阻。這樣的金屬-半導(dǎo)體接觸即是本發(fā)明 所需要的肖特基接觸。當(dāng)然，上述的金屬材料和半導(dǎo)體材料僅僅是一個示例，本領(lǐng)域技術(shù)人 員知道，還有其他的金屬材料和半導(dǎo)體材料也可以形成肖特基接觸，這樣的金屬材料和半 導(dǎo)體材料也可以應(yīng)用在本發(fā)明中形成金屬柵極202和半導(dǎo)體材料柱203。
金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管201可以形成于絕緣體上硅(SOI)襯底。這樣的襯底 通過在兩層硅基板之間封入一個絕緣的埋入電介質(zhì)層，從而將活躍的晶體管元件相互隔 離。上述埋入電介質(zhì)層的材料通常是氧化物，因此又將埋入電介質(zhì)層稱為埋入氧化物層 (Buried 0xide，B0X)。埋入電介質(zhì)層能有效地使電子從一個晶體管門電路流到另一個晶體 管門電路，不讓多余的電子滲漏到下層硅基板上。用SOI襯底形成的半導(dǎo)體器件具有寄生 電容小、短溝道效應(yīng)小、速度快、集成度高、功耗低、耐高溫以及抗輻射等優(yōu)點。
上述源區(qū)204、溝道區(qū)205和漏區(qū)206雖然形成在同一根半導(dǎo)體材料柱203中，也 用同樣的雜質(zhì)進行摻雜，但摻雜的濃度是不同的。源區(qū)204和漏區(qū)206的摻雜濃度高于溝 道區(qū)205的摻雜濃度。這是因為，溝道區(qū)205需要與金屬柵極202形成肖特基接觸，不能有 太高的雜質(zhì)濃度，而源區(qū)204和漏區(qū)206需要與源極208和漏極209形成歐姆接觸，需要有 較高的雜質(zhì)濃度。溝道區(qū)205內(nèi)摻雜的離子濃度可以為lX1018cm_3至5X1018cm_3。而源區(qū) 204和漏區(qū)206的摻雜濃度可以參考本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的摻雜濃度進行摻雜。當(dāng)金屬 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管1需要被制造成P型晶體管時，摻雜用的雜質(zhì)可以為B+等，而當(dāng)金屬 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管1需要被制造成N型晶體管時，摻雜用的雜質(zhì)可以為As+等。
本實施例提供的上述金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管201，具有如下的I-V特性
權(quán)利要求
1.一種金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，包括步驟提供襯底，所述襯底設(shè)有埋入電介質(zhì)層和所述埋入電介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料層；對所述的半導(dǎo)體材料層進行輕摻雜；刻蝕所述半導(dǎo)體材料層和埋入電介質(zhì)層，形成半導(dǎo)體材料柱和電介質(zhì)支撐柱，所述半 導(dǎo)體材料柱由所述電介質(zhì)支撐柱所支撐；去除所述電介質(zhì)支撐柱的中段，使得電介質(zhì)支撐柱的中段形成鏤空；在所述襯底上沉積金屬層至至少掩埋所述半導(dǎo)體材料柱，并填充所述電介質(zhì)支撐柱的 鏤空處；刻蝕所述金屬層，形成金屬柵極，所述金屬柵極的長度小于等于所述電介質(zhì)支撐柱被 去除的長度，所述金屬柵極在所述電介質(zhì)支撐柱的鏤空處形成對所述半導(dǎo)體材料柱的包 裹，且金屬柵極與半導(dǎo)體材料柱的接觸為肖特基接觸，所述半導(dǎo)體材料柱被所述金屬柵極 包裹的一段形成溝道區(qū)；對所述半導(dǎo)體材料柱兩端的暴露部分進行重?fù)诫s，形成源區(qū)和漏區(qū)。
2.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，在對所述 半導(dǎo)體材料柱兩端的暴露部分進行重?fù)诫s之前還包括步驟在所述金屬柵極的側(cè)壁上形成 隔1 層。
3.如權(quán)利要求
2所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述隔離 層為氧化物-氮化物-氧化物隔離層。
4.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，在所述去 除所述電介質(zhì)支撐柱的中段之后還包括步驟對所述半導(dǎo)體材料柱進行熱退火處理，所述 熱退火的溫度為1000至1200°C。
5.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于對所述的 半導(dǎo)體材料層進行輕摻雜的雜質(zhì)與對所述半導(dǎo)體材料柱兩端的暴露部分進行重?fù)诫s的雜 質(zhì)的導(dǎo)電類型相同。
6.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述電介 質(zhì)支撐柱的中段被去除的長度為5nm至50nm。
7.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述半導(dǎo) 體材料柱為圓柱形。
8.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述半導(dǎo) 體材料柱的徑向界面的外接圓的直徑為2nm至25nm。
9.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述金屬 柵極由W、Al、Ag、Au、Cr、Mo、Ni、Pd、Ti或Pt的金屬單質(zhì)或氮化物，或者任意兩種以上所述 金屬單質(zhì)和/或氮化物的疊層或合金所形成。
10.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述的半 導(dǎo)體材料包括 Si、Ge、SiGe、GaAs、InP, InAs 或 hGaAs。
11.如權(quán)利要求
1所述的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，在所述形 成源區(qū)和漏區(qū)之后還包括步驟形成分別與源區(qū)和漏區(qū)接觸的金屬源極與金屬漏極，金屬 源極與源區(qū)的接觸以及金屬漏極與漏區(qū)的接觸為歐姆接觸。
專利摘要
本發(fā)明涉及金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制造方法，包括步驟提供襯底，所述襯底設(shè)有埋入電介質(zhì)層和所述埋入電介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料層；對所述的半導(dǎo)體材料層進行輕摻雜；刻蝕所述半導(dǎo)體材料層和埋入電介質(zhì)層，形成半導(dǎo)體材料柱和電介質(zhì)支撐柱；去除所述電介質(zhì)支撐柱的中段，使得電介質(zhì)支撐柱的中段形成鏤空；在所述襯底上沉積金屬層至至少掩埋所述半導(dǎo)體材料柱，并填充所述電介質(zhì)支撐柱的鏤空處；刻蝕所述金屬層，形成金屬柵極；對所述半導(dǎo)體材料柱兩端的暴露部分進行重?fù)诫s，形成源區(qū)和漏區(qū)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明所制造的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，在金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中形成一個全包圍溝道區(qū)的金屬柵極，可以全面防止漏電流的產(chǎn)生。
文檔編號H01L21/336GKCN101740388 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200810202457
公開日2011年5月11日 申請日期2008年11月10日
發(fā)明者季明華, 肖德元 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (6),