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

技术特征：

1.一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于，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)，并在最外层的所述牺牲层(20)上形成掩膜层(40)；

从各所述牺牲层(20)的裸露表面开始向内进行刻蚀，使所述牺牲层(20)的两端相对于所述沟道层(30)向内凹入形成第一凹口(220)和第二凹口(230)；

刻蚀去除部分所述沟道层(30)和全部所述牺牲层(20)，剩余的所述沟道层(30)形成纳米线阵列；

绕所述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)；

在位于所述栅堆叠结构第一端的所述第一凹口中形成高-k介质侧墙(170)，去除位于所述高-k介质侧墙(170)之间的部分所述沟道层(30)以形成第三凹口，在所述第三凹口中形成覆盖所述沟道层(30)的重掺杂层(180)，并形成与所述重掺杂层连接的源区(80)；以及

在位于所述栅堆叠结构第二端的所述第二凹口(230)中形成低-k介质侧墙(190)，并形成与所述沟道层(30)连接的漏区(90)。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述沟道层(30)、所述牺牲层(20)和所述掩膜层(40)的步骤包括以下过程：

在所述衬底(10)表面依次交替形成牺牲预备层(210)和沟道预备层(310)；

在与所述衬底(10)距离最大的所述牺牲预备层(210)表面形成掩膜预备层(410)；

采用图形转移工艺去除各所述掩膜预备层(410)的部分、各所述牺牲预备层(210)的部分和各所述沟道预备层(310)的部分，得到所述掩膜层(40)、所述沟道层(30)和所述牺牲层(20)。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，形成所述沟道层(30)和牺牲层(20)的材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种，且形成所述沟道层(30)的材料不同于形成牺牲层(20)的材料。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述第一凹口(220)和所述第二凹口(230)的步骤中，使所述牺牲层(20)的裸露表面发生自限制化学反应形成牺牲氧化层，并刻蚀去除所述牺牲氧化层以形成所述第一凹口(220)和所述第二凹口(230)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所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所述掩膜层(40)的部分、所述沟道层(30)的部分和所述牺牲层(20)的部分，以形成所述纳米线阵列；以及

去除剩余的所述牺牲层(20)，以使所述纳米线阵列的外周裸露。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述栅堆叠结构和所述钝化保护层(160)的步骤包括以下过程：

绕所述纳米线阵列的外周形成所述栅介质层(60)，并在所述栅介质层(60)的外周沉积所述栅极材料，形成环绕所述纳米线阵列的所述栅堆叠结构；

最外层的所述栅堆叠结构具有未被所述掩膜层(40)覆盖的第一裸露表面，从所述第一裸露表面开始向下刻蚀去除部分所述栅极材料以形成所述第一凹槽，优选采用等离子体回刻去除部分所述栅极材料；

在所述第一凹槽中沉积钝化介质形成所述钝化保护层(160)，优选所述钝化介质为Si₃N₄。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述高-k介质侧墙(170)的步骤包括：

在位于所述栅堆叠结构第一端的所述第一凹口中沉积高-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分所述高-k介质材料，剩余的所述高-k介质材料与所述沟道层(30)的裸露表面齐平，以形成所述高-k介质侧墙(170)。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述第三凹口的步骤包括：

使所述沟道层(30)的裸露表面发生自限制化学反应形成沟道氧化层，并刻蚀去除所述沟道氧化层以形成所述第三凹口。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述重掺杂层(180)的步骤包括：

在所述第三凹口的裸露表面以及所述高-k介质侧墙(170)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所述高-k介质侧墙(170)表面的部分所述掺杂材料，剩余所述掺杂材料与所述高-k介质侧墙(170)的裸露表面齐平，以形成所述重掺杂层(180)。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述低-k介质侧墙(190)的步骤包括：

在位于所述栅堆叠结构第二端的所述第二凹口(230)中沉积低-k介质材料，并采用各向异性刻蚀去除部分所述低-k介质材料，剩余的所述低-k介质材料与所述沟道层(30)的裸露表面齐平，以形成所述低-k介质侧墙(190)。

11.根据权利要求1所述的制备方法，形成所述高-k介质侧墙(170)的材料和形成所述低-k介质侧墙(190)的材料独立地选自SiO₂、HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和Si₃N₄的任一种或多种，且所述高-k介质侧墙(170)的介电常数大于所述低-k介质侧墙(190)的介电常数。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述重掺杂层(180)的掺杂类型与所述源区(80)的掺杂类型相反，所述重掺杂层(180)的掺杂类型与所述漏区(90)的掺杂类型相同。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

在所述重掺杂层(180)的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与所述重掺杂层(180)连接的所述源区(80)，所述源区(80)通过所述重掺杂层(180)与所述纳米线阵列的一端连接；

在所述纳米线阵列的另一端的裸露表面进行外延生长并掺杂，以形成与所述纳米线阵列连接的所述漏区(90)。

14.根据权利要求1所述的制备方法，形成所述源区(80)和所述漏区(90)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。

15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述源区(80)和所述漏区(90)的步骤之后，所述制备方法还包括以下步骤：

去除所述栅极材料，绕所述栅介质层(60)的外周形成高-k栅介质层，并在所述高-k栅介质层的外周形成栅极(110)；或者

去除所述栅极材料和所述栅介质层(60)以使所述纳米线阵列的外周裸露，绕所述纳米线阵列的外周形成高-k栅介质层，并在所述高-k栅介质层的外周形成栅极(110)。

16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，在形成所述栅极(110)的步骤之后，所述制备方法还包括以下步骤：

所述栅极(110)具有未被所述掩膜层(40)覆盖的第二裸露表面，从所述第二裸露表面开始向下刻蚀去除部分所述栅极(110)以形成第二凹槽，并在所述第二凹槽的四周侧壁形成侧墙(150)，剩余的所述栅极(110)具有未被所述侧墙(150)覆盖的第三裸露表面；

从所述第三裸露表面开始向下对所述栅极(110)进行各向异性刻蚀至所述栅介质层(60)或所述衬底(10)裸露，以形成沟槽；

在所述沟槽中填充介电材料。

17.一种垂直堆叠的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，其特征在于，包括：

纳米线阵列，具有相对的两端；

栅堆叠结构，环绕所述纳米线阵列设置，所述栅堆叠结构具有相对的第一端和第二端，且所述栅堆叠结构包括栅介质层(60)和栅极(110)；

重掺杂层(180)，与所述纳米线阵列的一端连接；

高-k介质侧墙(170)，与所述第一端连接；

低-k介质侧墙(190)，与所述第二端连接；

源区(80)，与所述重掺杂层连接，且所述高-k介质侧墙位于所述源区(80)与所述栅堆叠结构之间；以及

漏区(90)，与所述纳米线阵列连接，且所述低-k介质侧墙位于所述漏区(90)与所述栅堆叠结构之间。

18.根据权利要求17所述的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，其特征在于，形成所述源区(80)和所述漏区(90)的材料包括Si_1-xGe_x、GaAs、GeSn、InP、AlAs、InAs和GaN中的任一种或多种。

19.根据权利要求17所述的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述重掺杂层(180)的掺杂类型与所述源区(80)的掺杂类型相反，且所述重掺杂层(180)的掺杂类型与所述漏区(90)的掺杂类型相同。

20.根据权利要求17所述的环栅纳米线隧穿场效应晶体管，其特征在于，形成所述高-k介质侧墙(170)的材料和形成所述低-k介质侧墙(190)的材料独立地选自SiO₂、HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和Si₃N₄的任一种或多种，且所述高-k介质侧墙(170)的介电常数大于所述低-k介质侧墙(190)的介电常数。