专利名称：具有锗纳米棒的场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
示例实施例涉及一种具有锗纳米棒作为沟道的场效应晶体管及其制造方法。
背景技术：
传统的场效应晶体管包括位于硅基底上、在源极和漏极之间的硅沟道区， 所述硅沟道区作为载流子的移动路径。为了将硅沟道区导通，必须在源极和 漏极之间施加预定的栅极电压。结果，装置的速度根据主要载流子(例如， 空穴)的迁移率来确定。
采用晶体管的装置的速度取决于硅沟道中主要载流子的迁移率，因此， 已经进行了大量的研究来增加主要载流子的迁移率。为了增加主要载流子的 迁移率，已经采用了迁移率高于硅的迁移率的锗。
发明内容
示例实施例提供了 一种具有锗纳米棒的场效应晶体管，锗纳米棒可以具 有适于高速操作的晶体管的改进的迁移率。示例实施例还提供了一种制造具 有锗纳米棒的场效应晶体管的方法和制造锗纳米棒的方法。
根据示例实施例，具有Ge纳米棒的场效应晶体管可以包括栅极氧化 物层，位于硅基底上；至少一个Ge纳米棒，埋入在栅极氧化物层中，其中， 至少一个Ge纳米棒的两端被暴露；源电极和漏电极，连接到Ge纳米棒的相 对侧；栅电极，在源电极和漏电极之间位于栅极氧化物层上。 Ge纳米棒可以包括彼此分开的两个至五个纳米棒。 Ge纳米4奉可以具有大约lnm至大约20nm的直径。 沟道区中的Ge纳米棒可以具有圓形或者椭圓形的剖面。 源电极与Ge纳米棒可以形成肖特基势垒结，漏电极与Ge纳米棒可以形 成肖特基势垒结，并且源电极和漏电极可以由从由Pt、 Ni、 Co、 V、 Yb和 Er组成的组中选择的金属形成。栅极氧化物层可以是介电常数高于氧化硅或氮化硅的介电常数的介电
层，并且可以由从由Si3N4、 Ta205、 Hf02、 Zr205、 A1203、 HfOxNy、 HfSiO和 HfSiON组成的组中选择的 一种形成。
栅电极可以包括第一金属层，由从Ta、 TaN和TiN中选择的一种形成； 第二金属层，在第一金属层上由多晶硅形成。
根据示例实施例， 一种制造场效应晶体管的方法可以包括在硅基底上 形成绝缘层和第一硅层；在第一硅层上顺序形成SiGe层和第二硅层；在硅基 底上通过将第一硅层、第二硅层和SiGe层中的Si氧化来形成氧化硅层，并 且由SiGe层形成Ge纳米棒。所述方法还可以包括形成接触Ge纳米棒的相 对端的源电极和漏电极；在源电极和漏电极之间的用于形成沟道区的区域中 形成围绕Ge纳米棒的栅极氧化物层；在栅极氧化物层上形成栅电极。
在第一硅层上顺序地形成第一硅层上的SiGe层和第二硅层的步骤可以 一皮重复两次至五次。
绝缘层可以由蚀刻速率与氧化硅层的蚀刻速率不同的材料形成。
形成源电极和漏电极的步骤可以包括在用于形成沟道区的区域中形成 第一光致抗蚀剂；通过去除用于形成源电极和漏电极的区域中的氧化硅层来 暴露Ge纳米棒的两端；在用于形成源电极和漏电极的区域中沉积逸出功大于 Ge的逸出功的金属。
形成栅极氧化物层的步骤可以包括通过去除用于形成沟道区的区域中 的氧化硅层来暴露Ge纳米棒；利用介电常数高于氧化硅的介电常数的材料形 成围绕Ge纳米棒的栅极氧化物。
所述方法还可以包括在形成栅极氧化物层之前，通过在H2或D2气氛下 对硅基底进行退火，使得沟道区中的Ge纳米棒的剖面形成为圓形或者椭圓形 形状。
在栅极氧化物层上形成栅电极的步骤可以包括形成由从Ta、 TaN和TiN 中选择的一种形成的第一金属层以及在第一金属层上形成由多晶硅形成的第 二金属层。
SiGe层可以具有Si^Gex的组成,其中，0.1<x<0.5。 栅极氧化物层可以由氧化硅形成，在栅极氧化物层上形成栅电极的步骤 可以包括形成多晶硅层。
从结合附图进行的以下详细描述中，示例实施例将变得更加清楚。图1 至图10表示这里描述的非限制性的示例实施例。
图1是根据示例实施例的具有Ge纳米棒的场效应晶体管的剖视图； 图2至图IO是示出根据示例实施例的具有Ge纳米棒的场效应晶体管的 制造方法的透视图。
具体实施例方式
现在，将对示例实施例进行详细地描述，附图中示出了示例实施例的示 例。然而，示例实施例不限于下文中示出的实施例，相反，引入这里的实施 例对示例实施例的范围和精神提供容易和完整的理解。在附图中，为了清晰 起见，扩大了层和区域的厚度。
应该理解，当元件或层被称作"在，，另一元件或层"上"、"连接到"另一元 件或层、或者"结合到，，另一元件或层时，该元件或层可以直接在所述另一元 件或层上、直接连接到所述另一元件或层、或直接结合到所述另一元件或层， 或者可以存在中间元件或层。相反，当元件或层被称作"直接在，，另一元件或 层"上"、"直接连接到"另一元件或层、或者"直接结合到"另一元件或层时，不 存在中间元件或层。相同的标号始终表示相同的元件。如这里所使用的，术 语"和/或"包括一个或多个相关列出项的任意组合以及所有组合。
应该理解，尽管这里可以采用术语第一、第二、第三等来描述不同的元 件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不 应该受到这些术语的限制。采用这些术语只是为了将一个元件、组件、区域、 层或部分与其它元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例 实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以 被定义为第二元件、组件、区域、层或部分。
为了方便描述，可以在此使用空间相对术语例如"在......下方"、"在......
下面"、"下面的"、"在......上方"、"上面的，，等来描述如图中示出的一个元件
或特征与其它元件或特征的关系。应该理解，所述空间相对术语意图包括除 了附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图 中的装置被翻转，则被描述为"在"其它元件或特征"下面"或者"在"其它元件或 特征"下方"的元件随后被定位为"在"其它元件或特征"上方"。因此，示例性术语"在......下面"可以包括上下两个方位。所述装置可以被另外定位(旋转90
度或者在其它方位)，并且由此解释这里采用的空间相对描述符。
这里采用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并不意图成为示例实 施例的限制。如这里使用的，除非上下文另外清楚地限定，否则单数形式意 图包括复数形式。还应该理解，当在本说明书中使用术语"包括"和/或"包含" 时，表示存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存 在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的 组。
这里，参照作为示例实施例(和中间结构)的示意图示的剖视图来描述 示例实施例。如此，由例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化是在 预料之中的。因此，示例卖施例不应该被理解为限于这里示出的区域的具体 形状，而是包括例如由制造引起的形状的变化。例如，示出为矩形的注入区 在其边缘通常可以具有倒圆或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而不是从注 入区到非注入区的二元变化。同样，通过注入形成的注入区会导致在进行注 入的表面和埋区之间的区域中发生一些注入。因此，图中示出的区域本质上 是示意性的，它们的形状不意图示出装置的区域的实际形状，并且不意图限 制示例实施例的范围。
除非另外定义，否则这里采用的所有术语(包括技术术语和科学术语) 具有与示例实施例所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。 还应该理解，除非这里明确地定义，否则术语(例如，在通用字典中定义的 术语)应该被解释为具有与相关领域的上下文中它们的意思一致的意思，而 不应该用理想地或者过于正式的意思来解释。
图l是根据示例实施例的具有Ge纳米棒的场效应晶体管IOO的剖视图。 参照图1，可以在硅基底IIO上形成绝缘层120。可以在硅基底110上形 成栅极氧化物层130，其中，栅极氧化物层130可以是具有较高的介电常数 的介电层。栅极氧化物层130可以由Si02或者介电常数比Si02大的材料(例 如，Si3N4、 Ta205、 Hf02、 Zr205、 A1203、 HfOxNy、 HfSiO或者HfSiON)形 成。在这种情况下，HfOxNy中的x和y可以是整数。
绝缘层120可以由蚀刻速率与会在氧化工艺过程中产生的氧化硅的蚀刻 速率不同的材料形成，并且可以通过由氧离子注入的氧化硅形成或者由氮化 硅形成。彼此分开的两个Ge纳米棒140可以被水平地埋入栅极氧化物层130中。 两个Ge纳米才奉140可以具有直径为大约lnm至大约20nm的圓形或者椭圓 形剖面。如果Ge纳米棒140的剖面是圓形，则电场可以均匀地进入Ge纳米 丰奉140, ^人而可以减少漏电流。
尽管图1中的场效应晶体管100可以包括两个Ge纳米棒140，但是示例 实施例不限于此，两个至五个Ge纳米纟奉可以;波此平4亍地形成。如果在场效应 晶体管100中仅形成一个Ge纳米棒140,则会发生断开故障(disconnection failure )。如果在场效应晶体管100中形成六个以上的Ge纳米棒140，则制造 工艺会变得更加复杂。Ge纳米棒140可以为场效应晶体管100中的沟道(例 如，主要载流子(例如，空穴)的通道)。Ge纳米棒140在场效应晶体管100 的沟道区中可以提供比传统场效应晶体管的载流子迁移率高的载流子迁移 率。
由介电常数较高的电介质形成的栅极氧化物层130可以通过围绕Ge纳 米棒140来减小4册极漏电流。
可以在Ge纳米棒140的相对侧上形成源电极151和漏电极152,其中， 源电极151和漏电极152可以电连接到Ge纳米棒140。源电极151和漏电极 152可以与Ge纳米棒140形成肖特基势垒结。在这种情况下，源电极151和 漏电极152可以由逸出功比Ge的逸出功大的金属形成。可以在Ge纳米棒140 和源电极151之间以及Ge纳米棒140和漏电极152之间的接触表面上形成锗 化物。为了形成p型电极，可以采用Pt、 Ni、 Co或者V;为了形成n型电极， 可以采用Yb或者Er。
在源电极151和漏电极152之间的栅极氧化物层130上可以形成栅电极 160。栅电极160可以包括由Ta、 TaN或者TiN形成的第一金属层161以及 由多晶硅形成的第二金属层162。如果栅极氧化物层130由Si02形成，则栅 电极160可以仅包括第二金属层162。另外，如果栅极氧化物层130由介电 常数比Si02的介电常数高的材料(例如，Si3N4、 Ta205、 Hf02、 Zr205、 A1203、 HfOxNy、 HfSiO或者HfSiON)形成，则栅电极160可以具有第一金属层161 和第二金属层162堆叠的结构。HfOxNy中的x和y可以是整数。第二金属层 162可以减小沟道区中的耗尽区，从而便于形成沟道。
在根据示例实施例的场效应晶体管100中，因为由介电常数较高的材料 形成的栅极氧化物层130可以设置在Ge纳米棒140周围，所以当对栅电极160施加栅极电压时，沟道开口 ( channel opening )可以更加容易，从而降低 驱动电压。另外，因为可以在场效应晶体管100中采用迁移率高于硅的迁移 率的Ge纳米棒140,所以可以增加包括根据示例实施例的场效应晶体管100 的装置的速度。
现在，将描述根据示例实施例的具有Ge纳米棒140的场效应晶体管100 的制造方法和Ge纳米棒140的制造方法。
图2至图IO是示出具有Ge纳米棒140的场效应晶体管100的制造方法 的透视图。相同的标号用来表示与图1中的元件相似相同的元件，因此将省 略对相似元件的详细描述。
参照图2,可以在硅基底110上形成蚀刻速率与将硅氧化的工艺中可以 形成的氧化硅的蚀刻速率不同的绝缘层120。可以在绝缘层120上形成第一 硅层121。绝缘层120可以为通过在硅基底110中注入氧形成的绝缘体上硅 (SOI)基底的氧化硅层，或者可以为氮化硅层。
接着，可以在第一硅层121上交替地形成SiGe层122和124以及第二硅 层123和125。在图2中，SiGe层和第二硅层可以在第一-圭层121上交替地 沉积两次，例如，可以在第一硅层121上交替地沉积两次到五次SiGe层和第 二硅层。SiGe层122和124以及硅层121、 123和125可以利用化学气相沉 积(CVD)方法来形成。
SiGe层122和124可以具有Si^Gex的组成，并且可以沉积为大约lnm 至大约20nm的厚度，其中，x可以是大约0.1至大约0.5。硅层121、 123和 125也可以形成为大约lnm至大约20nm的厚度。可以通过将硅层121、 123 和125图案化来得到图2中示出的所得产品。
参照图3，在氧气气氛下，可以将图2中的所得产品在大约800。C至900。C 的温度下在炉子中退火大约1分钟至5分钟。硅层121、 123和125以及SiGe 层122和124会被部分氧化。结果，通过氧化形成的硅层121'、 123'和125' 可以具有减小的宽度。在SiGe层122和124中，Si可以与Ge分离并且可以 被氧化。结果，仅会保留具有棒形形状的Ge层122'和124'。这种结果可以 表明SiGe层122和124比硅层121、 123和125氧化得快。因此，SiGe层122 和124可以变成可以起到沟道作用的Ge纳米棒122'和124'(对应于图1中 的Ge纳米棒140 )。标号126表示由于硅层121、 123和125以及SiGe层122 和124中的SH皮氧化而形成的Si02区域。参照图4，在硅基底110上、在用于形成源电极和漏电极的区域之间的 区域中形成第一光致抗蚀剂Pl之后，可以通过湿蚀刻去除可未被第一光致抗
蚀剂Pl覆盖的Si02。
参照图5,在氧气气氛下，可以将图4中的所得产品在大约800。C至900。C 的温度下在炉子中退火大约1分钟至5分钟。用于形成源电极和漏电极的区 域中的石圭层12r、 123'和125'可以-故氧化，并且可以在后续的蚀刻工艺中去 除。在用于形成源电极和漏电极的区域中的纳米棒122'和124'的两端可以#皮 暴露。
参照图6，可以通过在用于形成电极的区域中沉积金属来形成源电极151 和漏电极152。在此，源电极151和漏电极152可以由逸出功大于Ge的逸出 功的金属形成，从而在源电极151和Ge之间形成肖特基势垒结，在漏电极 152和Ge之间形成肖特基势垒结。Ge纳米棒122'和124'以及源电极151、 漏电极152可以在它们之间的接触区域上形成锗化物。为了形成p型电极， 可以采用Pt、 Ni、 Co或者V;为了形成n型电极，可以采用Yb或者Er。
参照图7,可以去除第一光致抗蚀剂Pl (参照图6),并且可以通过湿蚀 刻来蚀刻覆盖用于形成沟道的区域的Si02126 (参照图6)。
接着，通过将硅基底110退火，用于形成电极的区域中的硅层121'、 123' 和125'可以被氧化为第一氧化硅(未示出)。在硅基底110上形成用于覆盖第 一氧化硅的第二氧化硅层(未示出)(用来形成栅极氧化物层130(参照图l)) 之后，可以在栅极氧化物层上形成栅电极160 (参照图1)。可以采用多晶硅 将栅电极160形成为单层。
可选地，栅极氧化物层可以由介电常数大于氧化硅层的介电常数的材料 形成。参照图8,可以通过蚀刻去除在用于形成电极的区域中的通过将硅层 121'、 123'和125'氧化而形成的第一氧化硅。
参照图9,可以在H2或D2的分压占总压的大约2 %至大约5 %的气氛下， 对硅基底110进行退火。结果，Ge纳米棒122'和124'的剖面可以具有圓形或 者椭圆形的形状。
接着，可以利用介电常数较高的介电材料(例如，从SisN4、 Ta205、 Hf02、 Zr205、 A1203、 HfOxNy、 HfSiO和HfSiON中选择的一种材料)在用于形成沟 道的区域中形成栅极氧化物层130。栅极氧化物层130可以形成为围绕Ge纳 米棒122'和124'。
li参照图10,可以在栅极氧化物层130上形成栅电极160。栅电极160可 以包括由从Ta、 TaN和TiN中选择的一种材料形成的第一金属层161和在第 一金属层161上由多晶硅形成的第二金属层162。
根据示例实施例的场效应晶体管可以包括迁移率大于硅的迁移率的Ge 纳米棒作为沟道，从而增加包括该场效应晶体管的装置的驱动速度并且降低 马区动电压。
另外，可以根据用于形成电极的材料来形成p型晶体管或n型晶体管。 因为在示例实施例中，Ge纳米棒可以用作沟道，所以可以开发速度更快且功 耗更低的晶体管。
在根据示例实施例的制造场效应晶体管的方法中，可以利用氧化工艺和 蚀刻工艺容易地形成可以作为沟道区的Ge纳米棒。
上述是示例实施例的说明，并且不应该被理解为限制示例实施例。尽管 已经描述了示例实施例，但是本领域技术人员应该容易地理解，在本质上不 脱离示例实施例的新颖性教导和优点的情况下，可以对示例实施例进行许多 修改。因此，所有这种修改意图被包括在权利要求的范围内。因此，应该理 解，上述是示例实施例的说明，并且不应该被理解为限于公开的特定实施例， 对公开的实施例的修改以及其它实施例都意图被包含在权利要求的范围内。 示例实施例由权利要求限定，并且权利要求的等同物被包含在示例实施例中。
权利要求
1. 一种场效应晶体管，包括栅极氧化物层，位于硅基底上；至少一个Ge纳米棒，埋入在栅极氧化物层中，其中，至少一个Ge纳米棒的两端被暴露；源电极和漏电极，连接到Ge纳米棒的相对侧；栅电极，在源电极和漏电极之间位于栅极氧化物层上。
2、 根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，至少一个Ge纳米棒包 含彼此分开的两个至五个纳米棒。
3、 根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，至少一个Ge纳米棒具 有大约lnm至大约20nm的直径。
4、 根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，沟道区中的至少一个 Ge纳米棒具有圓形或者椭圓形的剖面。
5、 根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，源电极与至少一个Ge 纳米棒形成肖特基势垒结，漏电极与至少 一个Ge纳米棒形成肖特基势垒结。
6、 根据权利要求5所述的场效应晶体管，其中，源电极和漏电极由从由 Pt、 Ni、 Co、 V、 Yb和Er组成的组中选择的金属形成。
7、 根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，栅极氧化物层是介电常 数高于氧化硅的介电常数的介电层。
8、 根据权利要求7所述的场效应晶体管，其中，栅极氧化物层由从由Si3N4、 Ta205、 Hf02、 Zr205、 A1203、 HfOxNy、 HfSiO和HfSiON组成的组中 选择的一种形成。
9、 根据权利要求8所述的场效应晶体管，其中，栅电极包括 第一金属层，由从Ta、 TaN和TiN中选择的一种形成； 第二金属层，在第一金属层上由多晶硅形成。
10、 一种制造场效应晶体管的方法，所述方法包括 在硅基底上形成绝缘层和第一硅层； 在第一硅层上顺序形成SiGe层和第二硅层；在硅基底上通过将第一硅层、第二硅层和SiGe层中的Si氧化来形成氧 化硅层，并且由SiGe层形成至少一个Ge纳米棒；形成接触至少一个Ge纳米棒的相对端的源电极和漏电极； 在源电极和漏电极之间的用于形成沟道区的区域中形成围绕至少 一 个 Ge纳米棒的栅极氧化物层；在栅极氧化物层上形成栅电极。
11、 根据权利要求10所述的方法，其中，在第一硅层上顺序形成SiGe 层和第二硅层的步骤被重复两次到五次。
12、 根据权利要求IO所述的方法，其中，绝缘层由蚀刻速率与氧化硅层 的蚀刻速率不同的材料形成。
13、 根据权利要求IO所述的方法，其中，形成源电极和漏电极的步骤包括在用于形成沟道区的区域中形成第 一光致抗蚀剂；通过去除在用于形成源电极和漏电极的区域中的氧化硅层来暴露至少一 个Ge纳米^f奉的两端；在用于形成源电极和漏电极的区域中沉积逸出功大于Ge的逸出功的金属。
14、 根据权利要求10所述的方法，其中，形成栅极氧化物层的步骤包括 通过去除用于形成沟道区的区域中的氧化硅层来暴露至少一个Ge纳米棒；利用介电常数高于氧化硅的介电常数的材料形成围绕至少一个Ge纳米 棒的栅极氧化物。
15、 根据权利要求14所述的方法，还包括在形成栅极氧化物层之前，通过在H2或D2气氛中对硅基底进行退火，使得沟道区中的至少 一个Ge纳米棒的剖面形成为圓形或者椭圆形形状。
16、 根据权利要求14所述的方法，其中，所述材料是从由Si3N4、 Ta205、 Hf02、 Zr205、 A1203、 HfOxNy、 HfSiO和HfSiON组成的组中选择的一种。
17、 根据权利要求16所述的方法，其中，形成栅电极的步骤包括形成第 一金属层和在第一金属层上形成第二金属层，其中，第一金属层由从Ta、 TaN 和TiN中选择的一种形成，第二金属层由多晶硅形成。
18、 根据权利要求IO所述的方法，其中，SiGe层具有Si"Gex的组成， 其中，0.1<x<0.5。
19、 根据权利要求10所述的方法，其中，源电极和漏电极由从由Pt、Ni、 Co、 V、 Yb和Er组成的组中选择的金属形成。
20、 根据权利要求IO所述的方法，其中，栅极氧化物由氧化硅形成，形 成栅电极的步骤包括形成多晶硅层。
21、 根据权利要求IO所述的方法，其中，至少一个Ge纳米棒具有大约 lnm至大约20nm的直径。
全文摘要
本发明提供了一种具有至少一个Ge纳米棒的场效应晶体管以及场效应晶体管的制造方法。该场效应晶体管可以包括栅极氧化物层，形成在硅基底上；至少一个Ge纳米棒，埋入在栅极氧化物层中，其中，Ge纳米棒的两端被暴露；源电极和漏电极，连接到至少一个Ge纳米棒的相对侧；栅电极，在源电极和漏电极之间形成在栅极氧化物层上。
文档编号H01L29/10GK101299440SQ20081008697
公开日2008年11月5日 申请日期2008年4月3日 优先权日2007年5月3日
发明者文昌郁, 朴连植, 浩 李, 李化成, 李来寅, 李正贤, 田重锡, 赵世泳, 金锡必 申请人:三星电子株式会社