垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法与流程
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法。
背景技术：
随着CMOS器件集成密度的提升，日益增长的功耗将成为制约集成电路进一步发展的重要瓶颈。通过减小器件的亚阈值摆幅来降低工作电压是降低功耗的有效方案，隧穿场效应晶体管是实现该方案的有效技术路线之一。但是，隧穿场效应晶体管存在开启电流低，导致其容易双向导通。
通过优化器件结构和制造工艺来提高隧穿场效应晶体管的开启电流和抑制其双向导通特性，仍是隧穿场效应晶体管必须要解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管及其制备方法，以解决现有技术中难以提高隧穿场效应晶体管的开启电流和抑制其双向导通特性的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：在衬底的表面交替堆叠沟道层和牺牲层，并在最外层的牺牲层上形成掩膜层；从各牺牲层的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层的两端相对于沟道层向内凹入形成第一凹口和第二凹口；刻蚀去除部分沟道层和全部牺牲层，剩余的沟道层形成纳米线阵列；绕纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层的栅堆叠结构，向下刻蚀裸露的栅极材料形成第一凹槽，然后在第一凹槽中形成钝化保护层；在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中形成高-k介质侧墙，去除位于高-k介质侧墙之间的部分沟道层以形成第三凹口，在第三凹口中形成覆盖沟道层的重掺杂层，并形成与重掺杂层连接的源区；以及在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口中形成低-k介质侧墙，并形成与沟道层连接的漏区。
进一步地，形成沟道层、牺牲层和掩膜层的步骤包括以下过程：在衬底表面依次交替形成牺牲预备层和沟道预备层；在与衬底距离最大的牺牲预备层表面形成掩膜预备层；采用图形转移工艺去除各掩膜预备层的部分、各牺牲预备层的部分和各沟道预备层的部分，得到掩膜层、沟道层和牺牲层。
进一步地，形成沟道层和牺牲层的材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、 InAs和GaN中的任一种或多种，且形成沟道层的材料不同于形成牺牲层的材料。
进一步地，在形成第一凹口和第二凹口的步骤中，使牺牲层的裸露表面发生自限制化学反应形成牺牲氧化层，并刻蚀去除牺牲氧化层以形成第一凹口和第二凹口。
进一步地，形成纳米线阵列的步骤包括以下过程：采用图形转移工艺去除掩膜层的部分、沟道层的部分和牺牲层的部分，以形成纳米线阵列；以及去除剩余的牺牲层，以使纳米线阵列的外周裸露。
进一步地，形成栅堆叠结构和钝化保护层的步骤包括以下过程：绕纳米线阵列的外周形成栅介质层，并在栅介质层的外周沉积栅极材料，形成环绕纳米线阵列的栅堆叠结构；最外层的栅堆叠结构具有未被掩膜层覆盖的第一裸露表面，从第一裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极材料以形成第一凹槽，优选采用等离子体回刻去除部分栅极材料；在第一凹槽中沉积钝化介质形成钝化保护层，优选钝化介质为Si3N4。
进一步地，形成高-k介质侧墙的步骤包括：在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中沉积高-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分高-k介质材料，剩余的高-k介质材料与沟道层的裸露表面齐平，以形成高-k介质侧墙。
进一步地，形成第三凹口的步骤包括：使沟道层的裸露表面发生自限制化学反应形成沟道氧化层，并刻蚀去除沟道氧化层以形成第三凹口。
进一步地，形成重掺杂层的步骤包括：在第三凹口的裸露表面以及高-k介质侧墙的裸露表面选择性外延生长外延材料并进行原位掺杂形成掺杂材料；各向异性刻蚀去除位于高-k介质侧墙表面的部分掺杂材料，剩余掺杂材料与高-k介质侧墙的裸露表面齐平，以形成重掺杂层。
进一步地，形成低-k介质侧墙的步骤包括：在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口中沉积低-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分低-k介质材料，剩余的低-k介质材料与沟道层的裸露表面齐平，以形成低-k介质侧墙。
进一步地，形成高-k介质侧墙的材料和形成低-k介质侧墙的材料独立地选自SiO2、HfO2、 La2O3、Al2O3、TiO2和Si3N4的任一种或多种，且高-k介质侧墙的介电常数大于低-k介质侧墙的介电常数。
进一步地，重掺杂层的掺杂类型与源区的掺杂类型相反，重掺杂层的掺杂类型与漏区的掺杂类型相同。
进一步地，在重掺杂层的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与重掺杂层连接的源区，源区通过重掺杂层与纳米线阵列的一端连接；在纳米线阵列的另一端的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与纳米线阵列连接的漏区。
进一步地，形成源区和漏区的材料独立地选自Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、 InAs和GaN中的任一种或多种。
进一步地，在形成源区和漏区的步骤之后，制备方法还包括以下步骤：去除栅极材料，绕栅介质层的外周形成高-k栅介质层，并在高-k栅介质层的外周形成栅极；或者去除栅极材料和栅介质层以使纳米线阵列的外周裸露，绕纳米线阵列的外周形成高-k栅介质层，并在高-k 栅介质层的外周形成栅极。
进一步地，在形成栅极的步骤之后，制备方法还包括以下步骤：栅极具有未被掩膜层覆盖的第二裸露表面，从第二裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极以形成第二凹槽，并在第二凹槽的四周侧壁形成侧墙，剩余的栅极具有未被侧墙覆盖的第三裸露表面；从第三裸露表面开始向下对栅极进行各向异性刻蚀至栅介质层或衬底裸露，以形成沟槽；在沟槽中填充介电材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，包括：纳米线阵列，具有相对的两端；栅堆叠结构，环绕纳米线阵列设置，栅堆叠结构具有相对的第一端和第二端，且栅堆叠结构包括栅介质层和栅极；重掺杂层，与纳米线阵列的一端连接；高-k介质侧墙，与第一端连接；低-k介质侧墙，与第二端连接；源区，与重掺杂层连接，且高-k介质侧墙位于源区与栅堆叠结构之间；以及漏区，与纳米线阵列连接，且低-k介质侧墙位于漏区与栅堆叠结构之间。
进一步地，形成源区和漏区的材料包括Si1-xGex、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN 中的任一种或多种。
进一步地，重掺杂层的掺杂类型与源区的掺杂类型相反，且重掺杂层的掺杂类型与漏区的掺杂类型相同。
进一步地，形成高-k介质侧墙的材料和形成低-k介质侧墙的材料独立地选自SiO2、HfO2、 La2O3、Al2O3、TiO2和Si3N4的任一种或多种，且高-k介质侧墙的介电常数大于低-k介质侧墙的介电常数。
应用本发明的技术方案，由于该方法中先提供表面设置有沟道层和牺牲层的衬底，牺牲层与沟道层沿远离衬底的方向交替层叠设置，最外层的牺牲层上形成掩膜层，并从各牺牲层的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层的具有裸露表面的两端相对于沟道层向内凹入形成第一凹口和第二凹口，然后顺序形成纳米线阵列以及环绕纳米线阵列的栅堆叠结构，栅堆叠结构两端具有对应的第一凹口和第二凹口，然后分别在第一凹口和第二凹口中形成高-k介质侧墙和低-k介质侧墙，在高-k介质侧墙与沟道层之间形成重掺杂层，从而通过在源区与沟道层之间插入与源区掺杂类型相反的重掺杂层来提升隧穿几率，利用环栅结构增强栅控能力，源区一侧引入的高-k介质侧墙能够增大局域电场，垂直方向上堆叠的环栅纳米线能够提高有效隧穿面积，进而显著提升了隧穿场效应晶体管的开启电流；于此同时，在漏区一侧采用低-k 介质侧墙，将有效抑制隧穿场效应晶体管的双向导通特性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了在本申请实施方式所提供的垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法中，在衬底表面形成牺牲预备层和沟道预备层后的基体剖面结构示意图；
图2示出了在图1所示的与衬底距离最大的牺牲预备层表面形成掩膜预备层后的基体剖面结构示意图；
图3示出了采用图形转移工艺去除图2所示的掩膜预备层的部分、各牺牲预备层的部分和各沟道预备层的部分后的基体剖面结构示意图；
图4示出了使图3所示的牺牲层的具有裸露表面的两端相对于沟道层向内凹入形成第一凹口和第二凹口后的基体剖面结构示意图；
图5示出了在图4所示的衬底上沉积第一介电层，并使掩膜层的远离衬底的一侧表面与第一介电层齐平后的基体剖面结构示意图；
图6示出了在图5所示的掩膜层与第一介电层构成的表面涂覆第二光刻胶，然后在该第二光刻胶上方设置掩膜板，通过曝光显影去除部分第二光刻胶后的基体俯视结构示意图；
图7示出了通过刻蚀去除图6所示的掩膜层的部分、沟道层的部分和牺牲层的部分后的基体俯视结构示意图；
图8示出了图7所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图9示出了图7所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图10示出了图7所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图11示出了去除图7所示的剩余的牺牲层，以形成纳米线阵列后的基体俯视结构示意图；
图12示出了图11所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图13示出了图11所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图14示出了图11所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图15示出了绕图11所示的纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层的栅堆叠结构后基体俯视结构示意图；
图16示出了图15所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图17示出了图15所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图18示出了图15所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图19示出了从图15所示的基体中形成第一凹槽，并在第一凹槽中沉积钝化介质形成钝化保护层后基体俯视结构示意图；
图20示出了图19所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图21示出了图19所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图22示出了图19所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图23示出了使图19所示的位于掩膜层与钝化保护层的同一侧的部分表面以及相邻的第一介电层的部分表面裸露后基体俯视结构示意图；
图24示出了图23所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图25示出了图23所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图26示出了图23所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图27示出了使图23所示的第一凹口以及同侧的纳米线阵列的一端裸露后基体俯视结构示意图；
图28示出了图27所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图29示出了图27所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图30示出了图27所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图31示出了在图27所示的第一凹口中形成高-k介质侧墙后基体俯视结构示意图；
图32示出了图31所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图33示出了图31所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图34示出了图31所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图35示出了在图31所示的基体中形成第三凹口后基体俯视结构示意图；
图36示出了图35所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图37示出了图35所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图38示出了图35所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图39示出了在图35所示的基体中形成重掺杂层后基体俯视结构示意图；
图40示出了图39所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图41示出了图39所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图42示出了图39所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图43示出了形成与图39所示的重掺杂层连接的源区后基体俯视结构示意图；
图44示出了图43所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图45示出了图43所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图46示出了图43所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图47示出了在图43所示的第二凹口中形成低-k介质侧墙后基体俯视结构示意图；
图48示出了图47所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图49示出了图47所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图50示出了图47所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图51示出了形成与图47所示的纳米线阵列连接的漏区后基体俯视结构示意图；
图52示出了图51所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图53示出了图51所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图54示出了图51所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图55示出了绕图51所示的栅介质层的外周形成高-k栅介质层，并在高-k栅介质层的外周形成栅极后基体俯视结构示意图；
图56示出了图55所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图57示出了图55所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图58示出了图55所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图59示出了形成分别与图55所示的栅极、源区和漏区连接的导电通道后基体俯视结构示意图；
图60示出了图59所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图61示出了图59所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图62示出了图59所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图63示出了从图55所示的栅极的第二裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极以形成第二凹槽，并在第二凹槽的四周形成侧墙，剩余的栅极具有未被侧墙覆盖的第三裸露表面后基体俯视结构示意图；
图64示出了图63所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图65示出了图63所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图66示出了图63所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图67示出了在图63所示的基体中形成沟槽，并在沟槽中填充介电材料后基体俯视结构示意图；
图68示出了图67所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图69示出了图67所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图70示出了图67所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；
图71示出了形成分别与图67所示的栅极、源区和漏区连接的导电通道后基体俯视结构示意图；
图72示出了图71所示的基体在A-A′方向的断面结构示意图；
图73示出了图71所示的基体在B-B′方向的断面结构示意图；
图74示出了图71所示的基体在C-C′方向的断面结构示意图；以及
图75示出了本发明实施方式所提供的一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、衬底；11、第一光刻胶；12、第二光刻胶；20、牺牲层；210、牺牲预备层；220、第一凹口；230、第二凹口；30、沟道层；310、沟道预备层；40、掩膜层；410、掩膜预备层；50、第一介电层；60、栅介质层；70、假栅；80、源区；90、漏区；100、第二介电层；110、栅极；140、导电通道；150、侧墙；160、钝化保护层；170、高-k介质侧墙；180、重掺杂层；190、低-k介质侧墙。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中通过优化器件结构和制造工艺来提高隧穿场效应晶体管的开启电流和抑制其双向导通特性，仍是隧穿场效应晶体管必须要解决的技术难题。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：在衬底10的表面交替堆叠沟道层30和牺牲层20，并在最外层的牺牲层20上形成掩膜层40；从各牺牲层20的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层20 的两端相对于沟道层30向内凹入形成第一凹口220和第二凹口230；刻蚀去除部分沟道层30 和全部牺牲层20，剩余的沟道层30形成纳米线阵列；绕纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层60的栅堆叠结构，向下刻蚀裸露的栅极材料形成第一凹槽，然后在第一凹槽中形成钝化保护层；在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中形成高-k介质侧墙，去除位于高-k介质侧墙之间的部分沟道层30以形成第三凹口，在第三凹口中形成覆盖沟道层30的重掺杂层 180，并形成与重掺杂层连接的源区80；以及在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口230中形成低-k介质侧墙，并形成与沟道层30连接的漏区90。
上述垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法中由于先提供表面设置有沟道层和牺牲层的衬底，牺牲层与沟道层沿远离衬底的方向交替层叠设置，最外层的牺牲层上形成掩膜层，并从各牺牲层的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层的具有裸露表面的两端相对于沟道层向内凹入形成第一凹口，然后顺序形成纳米线阵列以及环绕纳米线阵列的栅堆叠结构，栅堆叠结构两端具有与第一凹口对应的第二凹口，然后分别在两端的第二凹口中形成高-k介质侧墙和低-k介质侧墙，在高-k介质侧墙与沟道层之间形成重掺杂层，从而通过在源区与沟道层之间插入与源区掺杂类型相反的重掺杂层来提升隧穿几率，利用环栅结构增强了栅控能力，源区一侧引入的高-k介质侧墙能够增大局域电场，垂直方向上堆叠的环栅纳米线能够提高有效隧穿面积，进而显著提升了隧穿场效应晶体管的开启电流；于此同时，在漏区一侧采用低-k介质侧墙，将有效抑制隧穿场效应晶体管的双向导通特性。
下面将更详细地描述根据本发明提供的垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。
首先，在衬底10的表面交替堆叠沟道层30和牺牲层20，并在最外层的牺牲层20上形成掩膜层40。上述牺牲层20和沟道层30交替层叠地设置于衬底10表面，最底层的牺牲层20 覆盖于衬底10表面，最外层的；上述衬底10可以是包括任何半导体器件的衬底，例如蓝宝石、硅衬底等。
上述形成沟道层30、牺牲层20和掩膜层40的步骤包括以下过程：在衬底10表面依次交替形成牺牲预备层210和沟道预备层310，如图1所示；在与衬底10距离最大的牺牲预备层 210表面形成掩膜预备层410，如图2所示；采用图形转移工艺去除各掩膜预备层410的部分、各牺牲预备层210的部分和各沟道预备层310的部分，得到掩膜层40、沟道层30和牺牲层 20，如图3所示。具体地，上述图形转移工艺可以包括：在掩膜预备层410表面涂覆第一光刻胶11，然后在第一光刻胶11上方设置掩膜板，通过曝光显影去除部分第一光刻胶11后得到光刻窗口，剩余的第一光刻胶11的长度与所需形成的纳米线的长度基本相等，最后通过光刻窗口去除衬底10上未被光刻胶覆盖的各掩膜预备层410的部分、各牺牲预备层210的部分和各沟道预备层310的部分，得到掩膜层40、沟道层30和牺牲层20。
在上述步骤中，形成上述牺牲预备层210的材料不同于形成上述沟道预备层310的材料，但形成牺牲预备层210的材料与形成沟道预备层310的材料间晶格失配度控制在较小范围内 (10％以内)，以保证形成高质量交替层叠的沟道层30与牺牲层20。形成上述沟道预备层310 的材料可以包括Si、Si1-xGex(x≥0.2)和InGaAs中的任一种；并且，形成上述牺牲预备层 210的材料可以包括Si1-xGex(x≥0.2)、GaAs、InP和AlGaAs中的任一种或多种，本领域技术人员可以根据现有技术对形成上述沟道预备层310与牺牲预备层210的材料进行合理选取，其它能够用于形成上述沟道预备层310和牺牲预备层210的半导体材料还包括GaAs、GaN、 GaSb、InAs、InP、InSb、IV族半导体材料(如Si、Ge、SiC)、II-VI族半导体材料(如CdSe、 CdS、CdTe、ZnSe、ZnS、ZnTe)和氧化物半导体材料等，在一种优选的组合方式中，形成上述沟道预备层310的材料为Si，形成上述牺牲预备层210的材料为SiGe。
在上述步骤中，可以采用化学气相沉积方法(MOCVD)形成上述牺牲预备层210和沟道预备层310，形成上述掩膜预备层410的工艺可以为PECVD等常规的沉积方法，本领域技术人员可以根据实际需求对上述各沉积方法的工艺条件进行合理设定；并且，优选地，各牺牲预备层210中覆盖于衬底10表面的牺牲预备层210的厚度大于其余牺牲预备层210的厚度，更为优选地，覆盖于衬底10表面的牺牲预备层210的厚度为10～30nm。通过使上述覆盖于衬底10表面的牺牲预备层210具有较大的厚度，能够在后续形成源、漏极的工艺中防止由于刻蚀导致的衬底10表面裸露。
在执行完上述步骤之后，执行下述步骤：从各牺牲层20的裸露表面开始向内进行刻蚀，使牺牲层20的两端相对于沟道层30向内凹入形成第一凹口220和第二凹口230。上述第一凹口220和第二凹口230独立地位于牺牲层20的两侧，从而使沟道层30的两侧具有与上述第一凹口220和第二凹口230对应的支撑部，如图4所示。
在形成上述第一凹口220和上述第二凹口230的过程之后，上述步骤还可以包括以下过程：在衬底10上沉积介电材料以形成第一介电层50，并使掩膜层40的远离衬底的一侧表面与第一介电层50齐平，部分介电材料形成于第一凹口220和第二凹口230中，如图5所示。
在形成第一凹口220和第二凹口230的步骤中，优选地，使牺牲层20的裸露表面发生自限制化学反应形成牺牲氧化层，并刻蚀去除牺牲氧化层以形成第一凹口220和第二凹口230，如图4所示。上述自限制氧化反应(self-limited oxidation)的原理是指材料的表面通过氧化形成到具有一定厚度的氧化层后，由于该氧化层的作用使材料不会再进一步氧化，如铝材料放置在空气中表面会被氧化从而形成氧化铝层，然而上述氧化铝层的厚度不会随时间无限制的增大，而是当上述氧化铝层达到一定的厚度时铝材料不会再被氧化，此时氧化铝层的厚度基本不再增大。
上述自限制氧化反应能够使牺牲层20的裸露表面形成极薄的牺牲氧化层，从而通过刻蚀去除该牺牲氧化层，并根据需求重复多次上述自限制氧化反应和刻蚀的步骤，不仅能够保证上述牺牲层20在刻蚀后长度的精确度，进而在去除牺牲层20后保证了所形成的栅极110栅长的一致性，还能够在刻蚀后的各牺牲层20的两侧独立地形成第一凹口220和第二凹口230，在后续形成栅堆叠结构后，填充于第一凹口220和第二凹口230中的介电材料能够形成栅堆叠结构的侧墙，起到隔离栅极110和源/漏区90的作用，并且由于上述第一凹口220和第二凹口230独立地位于牺牲层20的两侧，从而使各沟道层30能够具有突出于相邻牺牲层20且与上述隔离空间相对应的两端，上述突出的两端能够在后续工艺中作为支撑部起到支撑纳米线阵列的作用。
在上述优选的实施方式中，为了实现牺牲层20的自限制氧化反应，优选地，在室温下使牺牲层20设置于含氧溶剂中，以使牺牲层20的裸露表面发生自限制氧化反应形成牺牲氧化层，上述含氧溶剂可以为氨水和双氧水的混合物，本领域技术人员可以根据现有技术对上述实现牺牲层20自限制氧化反应的含氧溶剂的种类进行合理选取。并且，可以湿法刻蚀工艺去除上述牺牲氧化层；为了提高刻蚀效率，优选地，采用含氢氟酸溶液对牺牲氧化层进行湿法刻蚀，本领域技术人员可以根据现有技术对上述氢氟酸溶液的浓度进行合理选取。
在执行完上述步骤之后，执行下述步骤：刻蚀去除部分沟道层30和全部牺牲层20，剩余的沟道层30形成纳米线阵列。在一种优选的实施方式中，形成上述纳米线阵列的步骤包括以下过程：采用图形转移工艺去除掩膜层40的部分、沟道层30的部分和牺牲层20的部分，以形成纳米线阵列，如图6至图10所示；以及去除剩余的牺牲层20，以使纳米线阵列的外周裸露，如图11至图14所示。
在衬底10上沉积形成上述第一介电层50后，形成上述纳米线阵列的图形转移工艺可以包括：在掩膜层40与第一介电层50构成的表面涂覆第二光刻胶12，然后在该第二光刻胶12 上方设置掩膜板，通过曝光显影去除部分第二光刻胶12，使剩余的第二光刻胶12包括多个条状结构且间隔地设置于上述掩膜层40与第一介电层50构成的表面，如图6所示，条状结构的光刻胶之间形成光刻窗口，最后通过刻蚀去除掩膜层40的部分、沟道层30的部分和牺牲层20的部分，以在对应光刻窗口的位置形成多个第一沟槽，剩余的沟道层30构成纳米线阵列，如图7至图10所示。
在上述步骤中，由于刻蚀后的沟道层30具有突出于相邻牺牲层20且与上述隔离层相对应的两端作为支撑部，如图12和图13所示，从而在牺牲层20被去除后，由上述沟道层30 形成的纳米线阵列能够通过位于第一介电层50中的支撑部起到对纳米线阵列的支撑作用。本领域技术人员可以根据现有技术对上述去除剩余的牺牲层20的工艺进行合理选取，优选地，采用选择性刻蚀技术去除上述牺牲层20，上述选择性刻蚀可以为干法刻蚀或湿法刻蚀，通过对工艺参数进行调整以使刻蚀气体或刻蚀溶剂对牺牲层20和沟道层30具有不同的刻蚀速率，从而能够实现对牺牲层20选择性地去除。
在执行完上述步骤之后，执行下述步骤：绕纳米线阵列的外周形成包括栅极材料和栅介质层60的栅堆叠结构，向下刻蚀裸露的栅极材料形成第一凹槽，然后在第一凹槽中形成钝化保护层160。当上述栅极材料为金属栅材料时，上述栅极材料填充于栅介质层60构成的容纳空间中形成栅极，此时上述环绕纳米线阵列的栅堆叠结构包括栅介质层60和栅极；上述栅极材料也可以为假栅材料，上述栅极材料填充于栅介质层60构成的容纳空间中形成假栅70，如图15至图18所示，此时上述环绕纳米线阵列的栅堆叠结构包括栅介质层60和假栅70。
在一种优选的实施方式中，形成上述栅堆叠结构和上述钝化保护层160的步骤包括以下过程：绕纳米线阵列的外周形成栅介质层60，并在栅介质层60的外周沉积栅极材料，形成环绕纳米线阵列的栅堆叠结构，如图15至18所示；最外层的栅堆叠结构具有未被掩膜层40覆盖的第一裸露表面，从第一裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极材料以形成第一凹槽；在第一凹槽中沉积钝化介质形成钝化保护层160，如图19至图22所示。
在上述步骤中，为了更好地控制栅介质层60的厚度，优选地，采用原子层沉积工艺(ALD) 形成上述栅介质层60，本领域技术人员可以根据实际需求对上述原子层沉积的工艺条件进行合理设定；并且，形成上述栅介质层60的材料可以包括SiO2、HfO2、La2O3、Al2O3、TiO2中的任一种或多种，上述假栅材料可以为非晶硅，本领域技术人员可以根据现有技术对形成上述栅介质层60的材料和假栅材料的种类进行合理选取。
在上述步骤中，为了更好地控制上述第一凹槽的深度，优选地，采用等离子体回刻去除部分栅极材料，本领域技术人员可以根据实际需求对上述等离子体回刻的工艺条件进行合理设定；并且，为了提高上述钝化保护层160的钝化效果，优选地，上述钝化介质为Si3N4，但并不局限于该优选的材料，本领域技术人员可以根据现有技术对上述钝化介质的种类进行合理选取。
在执行完上述步骤之后，执行下述步骤：在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中形成高-k 介质侧墙170，去除位于高-k介质侧墙170之间的部分沟道层30以形成第三凹口，在第三凹口中形成覆盖沟道层30的重掺杂层180，并形成与重掺杂层连接的源区80。
在形成上述高-k介质侧墙170的步骤之前，可以先在掩膜层40、钝化保护层160与第一介电层50构成的表面涂覆第二光刻胶12，然后在该第二光刻胶12上方设置掩膜板，通过曝光显影去除部分第二光刻胶12，使位于掩膜层40与钝化保护层160的同一侧的部分表面以及相邻的第一介电层50的部分表面裸露，如图23至图26所示，最后通过刻蚀去除部分第一介电层50，以使第一凹口220以及同侧的纳米线阵列的一端裸露，如图27至图30所示。
在一种优选的实施方式中，形成上述高-k介质侧墙170的步骤可以包括：在位于栅堆叠结构第一端的第一凹口中沉积高-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分高-k介质材料，剩余的高-k介质材料与沟道层30的裸露表面齐平，以在第一凹口中形成高-k介质侧墙170，如图31至图34所示。上述高-k介质材料可以包括SiO2、HfO2、La2O3、Al2O3、TiO2和Si3N4的任一种或多种，本领域技术人员可以根据不同的高-k介质材料对上述各向异性刻蚀的工艺条件进行合理设定。
在一种优选的实施方式中，形成上述第三凹口的步骤包括：使沟道层30的裸露表面发生自限制化学反应形成沟道氧化层，并刻蚀去除沟道氧化层以形成第三凹口，如图35至图38 所示。上述自限制氧化反应能够使沟道层30的裸露表面形成极薄的沟道氧化层，从而通过刻蚀去除该沟道氧化层，并根据需求重复多次上述自限制氧化反应和刻蚀的步骤，保证了上述沟道层30在刻蚀后长度的精确度，进而保证了后续在第三凹口中形成的重掺杂层180尺寸的一致性。
在上述优选的实施方式中，为了实现沟道层30的自限制氧化反应，优选地，在室温下使沟道层30设置于含氧溶剂中，以使沟道层30的裸露表面发生自限制氧化反应形成牺牲氧化层，本领域技术人员可以根据现有技术对上述实现沟道层30自限制氧化反应的含氧溶剂的种类进行合理选取。并且，为了提高刻蚀效率，可以湿法刻蚀工艺去除上述沟道氧化层。
在一种优选的实施方式中，形成上述重掺杂层180的步骤包括：在第三凹口的裸露表面以及高-k介质侧墙的裸露表面选择性外延生长外延材料并进行原位掺杂形成掺杂材料；各向异性刻蚀去除位于高-k介质侧墙表面的部分掺杂材料，剩余掺杂材料与高-k介质侧墙的裸露表面齐平，以形成重掺杂层180，如图39至图42所示。
在上述优选的实施方式中，本领域技术人员可以根据现有技术对上述原位掺杂的工艺条件进行合理设定，且原位掺杂工艺中的掺杂种类可以根据后续形成的源区80与漏区90的种类进行合理选择，优选地，上述重掺杂层180的掺杂类型与源区80的掺杂类型相反，与漏区 90的掺杂类型相同，例如，对N型隧穿场效应场效应晶体管，重掺杂层180为n型掺杂，则源区80是p型掺杂，漏区90为n型掺杂。
为了提高上述形成源区80的工艺效率，在一种优选的实施方式中，形成上述源区80的过程包括：在重掺杂层180的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与重掺杂层180连接的源区80，源区80通过重掺杂层180与纳米线阵列的一端连接，如图43至图46所示；本领域技术人员可以根据实际需求对上述外延生长和原位掺杂的工艺条件进行合理设定。并且，形成上述源区80的材料可以选自Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种。
在形成上述高-k介质侧墙170、重掺杂层180和源区80的步骤之前，或在形成上述高-k 介质侧墙170、重掺杂层180和源区80的步骤之后，执行下述步骤：在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口230中形成低-k介质侧墙190，并形成与沟道层30连接的漏区90。
当上述低-k介质侧墙190和漏区90是在形成上述高-k介质侧墙170、重掺杂层180和源区80的步骤之后形成的，在形成上述低-k介质侧墙190的步骤之前，可以先形成覆盖源区80 的介质层，形成介质层的材料可以为Si3N4，然后以该介质层、上述钝化保护层和上述掩膜层 40作为掩膜，通过刻蚀去除部分第一介电层50，以使第二凹口230以及同侧的纳米线阵列的一端裸露。
在一种优选的实施方式中，形成上述低-k介质侧墙190的步骤包括：在位于栅堆叠结构第二端的第二凹口230中沉积低-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分低-k介质材料，剩余的低-k介质材料与沟道层30的裸露表面齐平，以在第二凹口230中形成低-k介质侧墙 190，如图47至图50所示。上述低-k介质材料可以包括SiO2、HfO2、La2O3、Al2O3、TiO2和 Si3N4的一种或多种，且高-k介质侧墙170的介电常数大于低-k介质侧墙190的介电常数，本领域技术人员可以根据不同的低-k介质材料对上述各向异性刻蚀的工艺条件进行合理设定。
为了提高上述形成源区80的工艺效率，在一种优选的实施方式中，形成上述漏区90的过程包括：在纳米线阵列的另一端的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与纳米线阵列连接的漏区90，如图51至图54所示；本领域技术人员可以根据实际需求对上述外延生长和原位掺杂的工艺条件进行合理设定。并且，形成上述漏区90的材料可以选自Si、Ge、SiGe、 GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种。
在上述形成漏区90的步骤之后，本发明的制备方法还可以包括下述步骤：在衬底10上沉积第二介电层100，沉积后的第二介电层100覆盖于源区80、漏区90和栅堆叠结构的部分裸露表面，再通过对上述第二介电层100进行平坦化处理以使该第二介电层100与栅极材料的远离衬底10的一侧表面齐平。形成上述第二介电层100的介电材料也可以为SiO2，本领域技术人员可以根据现有技术对上述介电材料的种类进行合理选取；并且，本领域技术人员可以根据实际需求对上述沉积工艺和平坦化处理的工艺条件进行合理设定。
当上述栅堆叠结构包括栅介质层60和假栅70时，在形成源区80和漏区90的步骤之后，制备方法还包括以下步骤：去除栅极材料(即假栅70)，绕栅介质层60的外周形成高-k栅介质层(未在图中示出)，并在高-k栅介质层的外周形成栅极110，如图55至图58所示；或者，去除栅极材料和栅介质层60以使纳米线阵列的外周裸露，绕纳米线阵列的外周形成高-k栅介质层，并在高-k栅介质层的外周形成栅极110。
在上述步骤中，将原本填充于栅介质层60构成的容纳空间中的假栅材料去除，以形成与栅介质层60连通的第三沟槽，并通过向该第三沟槽中填充金属栅材料，以形成被栅介质层60 包裹且环绕纳米线阵列的栅极110；上述金属栅材料可以为TaC、TiN、TaTbN、TaErN、TaYbN、 TaSiN、HfSiN、MoSiN、RuTax、NiTax，MoNx、TiSiN、TiCN、TaAlC、TiAlN、TaN、PtSix、 Ni3Si、Pt、Ru、Ir、Mo、Ti、Al、Cr、Au、Cu、Ag、HfRu和RuOx中的任一种或多种，本领域技术人员可以根据现有技术对上述金属栅材料的种类进行合理选取。
在执行完上述步骤之后，执行下述步骤：形成分别与栅极110、源区80和漏区90连接的导电通道140，如图59至图62所示。上述导电通道140分别与栅极110、源区80和漏区90 连接，从而在通电达到开启电压时，能够在纳米线阵列中形成分别与源区80和漏区90连通的沟道，从而使源区80与漏区90导通。
在一种优选的实施方式中，上述步骤包括以下过程：在第二介电层100表面沉积第三介电层并进行平坦化处理；在第三介电层中形成第一通孔和第二通孔，第一通孔与源区80连通，第二通孔与漏区90连通，形成与栅极110连通的第三通孔；在第一通孔、第二通孔和第三通孔中填充导电材料，以形成分别与栅极110、源区80和漏区90连接的导电通道140，如图59 至图62所示。
在上述步骤中，填充在第一通孔、第二通孔和第三通孔中的导电材料可以为现有技术中常规的导电材料，如Ti、TiN和W等，本领域技术人员可以根据现有技术对上述导电材料的种类进行合理选取；并且，可以采用常规的沉积工艺填充上述导电材料，并通过平坦化处理以得到与上述第三介电层齐平的导电通道140。
为了降低器件的寄生栅电容和减少漏电，在另一种优选的实施方式中，在形成栅极110 的步骤之后，制备方法还包括以下步骤：栅极110具有未被掩膜层40覆盖的第二裸露表面，从第二裸露表面开始向下刻蚀去除部分栅极110以形成第二凹槽，并在第二凹槽的四周侧壁形成侧墙150，剩余的栅极110具有未被侧墙150覆盖的第三裸露表面，如图63至图66所示；从第三裸露表面开始向下对栅极110进行各向异性刻蚀至栅介质层60或衬底10裸露，以形成沟槽；在沟槽中填充介电材料，如图67至图70所示。通过上述优选的实施方式能够去除掉栅极110中多余的部分，使剩余的部分栅极110仍能够环绕纳米线阵列设置。
此时，在执行完上述步骤之后，可以执行下述步骤：在栅介质层60的裸露表面以及第二介电层100表面沉积第三介电层并进行平坦化处理；在第三介电层中形成第一通孔和第二通孔，第一通孔与源区80连通，第二通孔与漏区90连通，形成与栅极110连通的第三通孔；在第一通孔、第二通孔和第三通孔中填充导电材料，以形成分别与栅极110、源区80和漏区90 连接的导电通道140，如图71至图74所示。
根据本发明的另一个方面，提供了一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，如图 75所示，包括：纳米线阵列，具有相对的两端；栅堆叠结构，环绕纳米线阵列设置，栅堆叠结构具有相对的第一端和第二端，且栅堆叠结构包括栅介质层60和栅极110；重掺杂层180，与纳米线阵列的一端连接；高-k介质侧墙170，与第一端连接；低-k介质侧墙190，与第二端连接；源区80，与重掺杂层连接，且高-k介质侧墙位于源区80与栅堆叠结构之间；以及漏区 90，与纳米线阵列连接，且低-k介质侧墙位于漏区90与栅堆叠结构之间。
由于上述的环栅纳米线隧穿场效应晶体管中在源区与沟道层之间插入与源区掺杂类型相反的重掺杂层来提升隧穿几率，利用环栅结构增强了栅控能力，源区一侧引入的高-k介质侧墙能够增大局域电场，垂直方向上堆叠的环栅纳米线能够提高有效隧穿面积，进而显著提升了隧穿场效应晶体管的开启电流；于此同时，在漏区一侧采用低-k介质侧墙，将有效抑制隧穿场效应晶体管的双向导通特性。
在本发明的上述环栅纳米线隧穿场效应晶体管中，纳米线阵列是由多个隔离设置的沟道层30构成的，本领域技术人员可以根据现有技术对形成上述沟道层30、源区80和漏区90的材料进行合理选择，优选地，形成上述源区80和漏区90的材料可以选自Si、Ge、SiGe、GaAs、 GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种，形成上述沟道层30、源区80和漏区90 的材料可以相同也可以不同。
在本发明的上述环栅纳米线隧穿场效应晶体管中，本领域技术人员也可以根据现有技术对形成上述高-k介质侧墙170和低-k介质侧墙190的材料进行合理设定，优选地，形成上述高-k介质侧墙170的高-k介质和形成上述低-k介质侧墙190的低-k介质独立地选自SiO2、HfO2、La2O3、Al2O3、TiO2和Si3N4的任一种或多种，且高-k介质的介电常数大于低-k介质的介电常数。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
通过在源区与沟道层之间插入与源区掺杂类型相反的重掺杂层来提升隧穿几率，利用环栅结构增强了栅控能力，源区一侧引入的高-k介质侧墙能够增大局域电场，垂直方向上堆叠的环栅纳米线能够提高有效隧穿面积，进而显著提升了隧穿场效应晶体管的开启电流；于此同时，在漏区一侧采用低-k介质侧墙，将有效抑制隧穿场效应晶体管的双向导通特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！