导电沟道全包裹纳米线平面环栅场效应器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着MOS器件小型化的发展，带来了一个极具挑战性的问题即短沟道效应，而提高栅控能力是抑制短沟道效应的有效途径，为了提高栅控能力，人们提出多种栅极设计方案，从双栅到Fin栅，Ω栅及环栅结构。在所有的栅极结构中，理论上环栅结构能够最有效提高栅调控的能力，抑制短沟道效应。相比于传统块体材料，纳米线等一维材料具有易于制备环栅结构的天然优势。
[0003]表征半导体材料电学性能的一个很重要的指标是载流子迀移率，而对于当前主流硅工艺而言，所采用的硅的电学性能并非最优，其迀移率较低，而II1-V族材料的载流子迀移率，尤其是电子迀移率远高于硅，在未来的半导体工业的发展中，特别是在射频电子器件领域，II1-V族材料很有可能在一定程度上替代硅材料。
[0004]而目前国内外已经有很多研宄组具备了在硅衬底上生长II1-V族纳米线的能力:瑞典 Lund 大学的 Lars Samuelson 等人在 Journal of Crystal Growth 334 (2011) 51 - 56,发表的题为“Self-seeded，posit1n-controlled InAs nanowire growth on S1:A growthparameter study”的文章中，公布了在娃衬底上采用自催化的方法生长InAs纳米线有序阵列的成果；日本北海道大学的Takashi Fukui等人在Nature488 (2012) 189，发表题为“AII1-V nanowire channel on silicon for high-performance vertical transistors，，的文章，也具备了在硅衬底上生长II1-V族纳米线周期性阵列的能力；中国科学院半导体所赵建华等人在 Nan0.Lett.发表题为 “Controlled Synthesis of Phase-Pure InAsNanowires on Si (lll)by Diminishing the Diameter to lOnm” 的文章，具备生长细的纯相的InAs纳米线阵列。
[0005]从材料的电学性能和目前的研宄进展来看，II1-V族纳米线很有可能在射频电子器件领域得到进一步的应用。目前基于II1-V族纳米线的平面环栅射频器件的工作来自于瑞典 Lund 大学(其工作发表于 Nan0.Lett.，题为 “Realizing Lateral Wrap-GatedNanowire FETs:ControIling Gate Length with Chemistry Rather than Lithography，，。)和北京大学(其工作发表于 APL 题为“Suspended InAs Nanowire Gate-Al1-AroundField-Effect Transistors”)，前者工艺较为复杂，且采用化学腐蚀的方法，对纳米线损伤较大，其器件性能并未得到很大程度的提高，而后者采用双层胶工艺，先制备栅极，然后制备源漏电极，以形成平面环栅器件，制备的器件中纳米线受到一定程度的应力，且纳米线导电沟道并未完全被包裹。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是制备出可以更高效地抑制短沟道效应的、提高栅控能力的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件，包括:
[0009]衬底；
[0010]悬浮且平行于衬底的纳米线以及位于衬底之上并径向包围所述纳米线的依次排列的源电极、栅电极和漏电极；
[0011]所述场效应器件的导电沟道是被栅电极径向包围的纳米线，所述栅电极与所述纳米线之间具有栅介质，所述导电沟道被所述栅介质和栅电极全包裹；
[0012]所述源电极与栅电极之间，以及所述漏电极与栅电极之间分别有部分重叠，重叠部分被栅介质所隔离。
[0013]优选地，上述衬底为覆盖有氧化娃的单晶娃。
[0014]优选地，所述纳米线是自掺杂低阻纳米线，是在进行生长纳米线的过程中引入的自掺杂，其材料为II1-V族材料。
[0015]优选地，所述栅介质为高介电常数材料。
[0016]优选地，源电极、栅电极和漏电极为金属电极。其中，所述源电极和漏电极金属要求能够与纳米线形成欧姆接触的金属，包括金，铝，镍等金属。
[0017]上述基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，包括如下步骤:
[0018]I)在衬底首先甩一层胶，然后在匀过胶的衬底上转移纳米线，并定位纳米线；甩上第二层胶，将纳米线夹在两层胶中间；
[0019]2)开出源电极窗口和漏电极窗口并对源电极窗口和漏电极窗口进行去残胶处理，然后腐蚀掉源电极窗口和漏电极窗口下的纳米线的本征氧化层；
[0020]3)在源电极窗口和漏电极窗口下进行金属电极淀积，然后剥离以形成源电极和漏电极；
[0021]4)用上一层胶，在源电极和漏电极间开出栅电极窗口，窗口的宽度略大于源电极和漏电极之间的距离，确保完全覆盖源电极和漏电极之间的区域；
[0022]5)对栅电极窗口进行去残胶处理，然后腐蚀掉栅电极窗口下的纳米线的本征氧化层；
[0023]6)在栅电极窗口下的纳米线上生长栅介质；制备栅电极，然后剥离。
[0024]优选地，步骤I)中所述的胶为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
[0025]优选地，步骤I)中，所述衬底为已有标记的衬底，定位方法为使用扫描电镜在已有标记的衬底上定位。
[0026]优选地，步骤2)中，通过定位、曝光和显影、定影过程，定义出源电极窗口和漏电极窗口，曝光方法为电子束曝光，去残胶的方法为氧等离子去残胶，使用硫胺溶液或是HCL和IPA的混合酸性溶液进行腐蚀。
[0027]优选地，步骤3)中，源电极和漏电极的制备方法为磁控溅射镀膜，并且在镀膜的过程中样品随样品托旋转，使用丙酮进行剥离。
[0028]优选地，使用丙酮剥离的方法为:泡在60摄氏度水浴加热的丙酮I个小时，然后再滴管吸入丙酮吹若干次，转移到酒精溶液中冲洗若干次，然后在去离子水中冲洗若干次后用氮气枪吹干。
[0029]优选地，步骤4)中，通过匀胶、曝光和显影、定影过程，定义栅电极区域，曝光方法为电子束曝光，去残胶的方法为氧等离子去残胶。
[0030]优选地，步骤5)中腐蚀方法为使用硫胺溶液或是HCL和IPA的混合酸性溶液进行腐蚀。
[0031]优选地，步骤6)中，栅介质的制备使用原子层淀积的方法，栅电极的制备方法为热蒸发镀膜或者磁控溅射，并且在镀膜的过程中样品随样品托旋转，剥离方法为使用丙酮进行剥离。
[0032]有益效果:
[0033]本发明的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件是平面沟道全包裹环栅场效应器件。栅介质层和栅电极沿纳米线径向包裹，且整个导电沟道均被栅介质和栅极金属所包裹，相比已有的其它栅结构，如顶栅结构、Fin栅结构和Ω栅结构，本发明有更强的调控能力，能极大的降低关态电流，提高器件开关比，从而可以有效抑制短沟道效应。因导电沟道被全部包裹，减少了栅源和栅漏的串联电阻，能有效地提高开态电流，使器件具备更强的驱动能力，提高器件的性能。
【附图说明】
[0034]图1为本发明实施例中基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的版图(俯视)示意图。图中，101-低阻纳米线；102-纳米线外包围的本征氧化层；103-生长的栅介质层；104为漏电极；105为源电极；106为栅电级。
[0035]图2为沿图1中A-A’方向的剖面结构示意图。图中，201-衬底；202-纳米线；203-本征氧化层；204-漏电极；205-源电极；206-栅介质；207-栅电极。
[0036]图3(a)至图3(1)为本发明实施例中器件在各个步骤形成的剖面结构示意图。图中301-衬底；302_纳米线；303_本征氧化层；304_漏电极；305_源电极；306_栅介质；307-栅电极；308-电子束光刻胶。
[0037]图4(a)为本发明实施例中对其中一个器件，使用PPMS(综合物性测量系统)测量转移特性曲线结果。
[0038]图4(b)该器件的输入输出特性曲线的测量结果。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图，以基于InAs/InSb纳米线的导电沟道全包裹平面环