专利名称：一种纳米线场效应晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路用器件，特别是涉及一种纳米线场效应晶体管。
背景技术：
制造高速度、低功耗的半导体器件是半导体工业发展的驱动力。平面工艺场效应 晶体管在等比例縮小的趋势中受到短沟道效应和栅电流增大的限制。新的非平面器件结构 被提出，包括绝缘体上硅、双栅、三栅和纳米线场效应晶体管。其中纳米线场效应晶体管能 提供高的电流开关比，同时受短沟道效应和漏致势垒降低效应影响较小。在现有纳米线场 效应晶体管的基础上进一步提高电流开关比，改善尺寸縮小性能对制造高速度、低功耗的 半导体集成电路有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米线场效应晶体管。 本发明提供的纳米线场效应晶体管，是由栅电极、源区、漏区、中心区和栅介质层 组成； 其中，中心区为芯-壳结构，该芯-壳结构同轴；栅介质层全包围中心区，栅电极全 包围栅介质层；源区和漏区分别位于中心区的两侧。 上述纳米线场效应晶体管中，中心区的芯结构为绝缘体材料，壳结构为半导体材 料，该壳结构材料的掺杂类型及掺杂浓度可调，如硼掺杂浓度为1X10"cm—3的硼掺杂的硅 材料或硼掺杂浓度2X 1012cm—3的硼掺杂的锗材料。该芯_壳结构的长度、壳半径以及芯半 径均可根据需要进行调节；另外，该晶体管中，栅介质层、栅电极层、源区和漏区的材料均可 调，如源区和漏区可选磷掺杂的硅材料或砷掺杂的锗材料；其中，磷掺杂的硅材料中，磷的 掺杂浓度为lX102°cm—3 ;砷掺杂的锗材料中，砷的掺杂浓度为lX102°cm—3。另外，栅介质层 的厚度、源区和漏区材料的掺杂类型及掺杂浓度均可调。 本发明提供的纳米线场效应晶体管，具有绝缘体芯_半导体壳结构，与传统的纳 米线晶体管相比，在相同的栅材料、沟道材料和掺杂浓度，源漏区材料和掺杂浓度、栅绝缘 层材料和厚度，相同的沟道区长度、沟道区半径(对芯-壳结构而言为壳半径)的条件下， 引入绝缘体芯_半导体壳结构后可以有效降低器件的关态电流，降低器件的静态功耗，提 高器件的电流开关比。在工艺允许的条件下适当增大芯-壳结构芯半径可以进一步发挥器 件的这个优势。同时绝缘体芯_半导体壳结构的引入能使纳米线场效应晶体管受短沟道效 应和漏致势垒降低效应引起的阈值电压漂移减小，改善器件尺寸縮小的性能。本发明为纳 米线场效应晶体管器件性能优化，结构优化指明了一个方向。
图1为本发明提供的纳米线场效应晶体管的截面示意图。
图2为芯_壳结构对硅纳米线晶体管转移特性曲线的影响。
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图3为芯-壳结构对硅纳米线晶体管开关比性能的影响。 图4为芯_壳结构对硅纳米线晶体管受短沟道效应引起阈值电压漂移的比较。
图5为芯-壳结构对硅纳米线晶体管在不同沟道长度下的漏致势垒降低效应比 图6为芯_壳结构对锗纳米线晶体管转移特性曲线的影响。 图7为芯_壳结构对锗纳米线晶体管开关比性能的影响。 图8为芯_壳结构对锗纳米线晶体管受短沟道效应引起阈值电压漂移的比较。 图9为芯-壳结构对锗纳米线晶体管在不同沟道长度下的漏致势垒降低效应比
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。
本发明提供的纳米线场效应晶体管，其结构如图1所示，是由栅电极1，源区2，漏 区3，芯-壳结构的芯部分4，芯-壳结构的壳部分5和栅介质层6组成。栅电极1全包围 器件的沟道区。源、漏两端位于芯-壳结构沟道区的两侧。芯-壳结构同轴。
实施例1、芯壳结构的硅纳米线场效应晶体管及其性能检测 该纳米线场效应晶体管的结构如图1所示，其中，栅电极1材料的功函数设为4.61 电子伏，源区2和漏区3是磷掺杂浓度为1 X 102°cm—3的硅材料，芯部分4为氧化硅，壳部分 5为硼掺杂浓度IX 10"cm—3的硅材料，栅介质层6为厚度2nm的氧化硅。该芯-壳结构的 壳半径为10nm，芯-壳结构的长度为0. 1微米，芯半径可调。
上述晶体管可按照现有方法进行制备，制备流程简述如下 1)在硅圆片上用圆形氮化硅硬掩模刻蚀出硅柱；高温氧化、腐蚀縮小硅柱尺寸， 达到设定的芯尺寸，氧化形成芯结构； 2)外延工艺自对准制作壳结构，高温氧化、腐蚀减小壳结构厚度达到设定值；热 生长栅氧化层； 3)完成栅结构的制备；大角度注入磷并退火，制备源漏区；
4)标准CMOS工艺完成金属电极制备。 分别对该晶体管器件的电流输出特性、开关比、阈值电压及漏致势垒降低效应进 行检测，所得结果分别如图2-图5所示。 其中，图2为芯半径对硅纳米晶体管转移特性的影响曲线图，其中，沟道长度为 100nm，漏端电压为2V。由该图可知，引入绝缘体芯_半导体壳结构的纳米线场效应晶体管 与传统纳米线晶体管相比能有效的降低关态电流，开态电流仅有微弱的降低。增大芯-壳 结构的芯半径可以进一步发挥这个优势。如将芯半径调整为8nm后，器件的关态电流降低 为传统纳米线晶体管关态电流的十三分之一。 图3为芯-壳结构的芯半径对硅纳米晶体管开关比性能的影响。由该图可知，随 着芯_壳结构芯半径从0 (对应传统的纳米线场效应晶体管)增大，绝缘体芯_半导体壳的 纳米线场效应晶体管的电流开关比在持续增加。当芯半径增大到8nm后，器件的电流开关 比达到了 3.6X1(T，与传统的纳米线场效应晶体管相比，开关比增大了 11倍。
图4为芯-壳结构的芯半径对硅纳米晶体管受短沟道效应引起阈值电压漂移的比较。由该图可知，传统的纳米线场效应晶体管在沟道长度縮小到30nm后短沟道效应已经非 常明显，阈值电压相对0. 1微米沟道长度器件漂移量为26毫伏特。而引入绝缘体芯-半导 体壳结构可以在很大程度上抑制阈值电压的漂移。芯_壳结构芯半径设为3nm时，阈值电 压的这个漂移量降低为19毫伏特。增大芯-壳结构芯半径使这种优势更加明显。芯-壳 结构芯半径设为8nm时，阈值电压的漂移量仅为6毫伏特。从而表明绝缘体芯-半导体壳 结构纳米线场效应晶体管在增大器件电流开关比的同时还可以抑制短沟道效应，改善器件 尺寸縮小的性能。 图5为芯-壳结构的芯半径对硅纳米晶体管在不同沟道长度下的漏致势垒降低效 应比较。由该图可知，传统的纳米线场效应晶体管在沟道长度縮小到30nm后因漏致势垒降 低引起的阈值电压的减小已经达到了 140毫伏特。这不利于高速度、低功耗电路的设计。绝 缘体芯-半导体壳结构纳米线场效应晶体管在相同的沟道长度下可以有效的降低漏端电 压对器件源端的影响，降低漏致势垒降低效应。增大结构芯半径后可以将这个优势发挥的 更加明显。以芯半径等于8nm为例，在沟道长度縮小到30nm后漏致势垒降低效应引起的阈 值电压的减小几乎为23毫伏特。 实施例2、芯壳结构的锗纳米线场效应晶体管及其性能检测 该纳米线场效应晶体管的结构仍如图1所示，其中，栅电极1材料的功函数设为 4. 33电子伏，源区2和漏区3是砷掺杂浓度为1 X 102°cm—3的锗，芯部分4为氧化硅，壳部分 5为硼掺杂浓度2X 1012cm—3的锗材料，栅介质层6为厚度1. 5nm的氧化硅。该芯-壳结构 的壳半径设为10nm，芯-壳结构的长度为100nm，芯半径可调。 分别对该晶体管器件的电流输出特性、开关比、阈值电压及漏致势垒降低效应进 行检测，所得结果分别如图6-图9所示。 其中，图6为芯半径对锗纳米线晶体管转移特性的影响曲线图，其中，沟道长度为 100纳米，漏端电压为2V。与图2示的结果一致，引入绝缘体芯_半导体壳结构的纳米线场 效应晶体管能有效的降低关态电流，开态电流在很窄的范围内变化。增大芯半径可以使关 态电流的降低更加明显。将芯半径调整为8nm后，器件的关态电流降低为传统纳米线晶体 管的8%左右。 图7为芯-壳结构的芯半径对锗纳米线晶体管开关比性能的影响，其中，沟道长度 为100nm，沟道(壳)半径为10nm。与图3的结果一致，随着芯-壳结构芯半径从0开始增 大，绝缘体芯_半导体壳的纳米线场效应晶体管的电流开关比在持续增加。当芯半径增大 到8nm后，器件的电流开关比达到了2. 14X 107，与传统的锗纳米线场效应晶体管相比，开关 比增大了 11. 6倍。 图8为芯-壳结构的芯半径对锗纳米线晶体管受短沟道效应引起阈值电压漂移的 比较。与图4相似，引入绝缘体芯-半导体壳结构可以在很大程度上抑制阈值电压的漂移。 以沟道长度等于30nm为例，芯-壳结构芯半径设为3nm时，阈值电压的漂移量为43毫伏特； 芯半径设为8nm时，阈值电压的漂移量仅为8毫伏特。从而再次表明绝缘体芯_半导体壳 结构纳米线场效应晶体管在增大器件电流开关比的同时能有效抑制短沟道效应，改善器件 尺寸縮小的性能。 图9为芯-壳结构芯半径对锗纳米线晶体管在不同沟道长度下的漏致势垒降低效 应比较。与图5结果类似，传统的纳米线场效应晶体管在沟道长度縮小到30nm后漏致势垒
5降低效应达到370毫伏特。绝缘体芯-半导体壳结构纳米线场效应晶体管在相同的沟道长 度下有效的降低了漏致势垒降低效应。以芯半径等于8nm为例，在沟道长度縮小到30nm后 漏致势垒降低效应降低为60毫伏特。 本发明提供的绝缘体芯_半导体壳结构的纳米线场效应晶体管可以在传统纳米 线场效应晶体管的基础上进一步降低器件关态电流，降低静态功耗，提高电流开关比，适合 高速度、低功耗集成电路的设计。同时该器件还可以更有效的抑制短沟道效应，抑制漏致势 垒降低效应，改善器件尺寸縮小的性能。
权利要求
一种纳米线场效应晶体管，是由栅电极、源区、漏区、中心区和栅介质层组成；其中，所述中心区为芯-壳结构，所述芯-壳结构同轴；所述栅介质层全包围所述中心区，所述栅电极全包围所述栅介质层；所述源区和漏区分别位于所述中心区的两侧。
2. 根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于所述芯_壳结构中，芯结构为绝缘体材 料，所述壳结构为半导体材料。
3. 根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于所述芯结构为氧化硅；所述壳结构为硼 掺杂的硅材料或硼掺杂的锗材料。
4. 根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于所述硼掺杂的硅材料中，硼的掺杂浓度 为lX10"cm—3 ;所述硼掺杂的锗材料中，硼的掺杂浓度2X1012cm—3的锗材料。
5. 根据权利要求l-4任一所述的晶体管，其特征在于所述栅介质层为氧化硅；所述源 区和漏区均为重掺杂的半导体材料。
6. 根据权利要求5所述的晶体管，其特征在于所述源区和漏区均为磷掺杂的硅材料 或砷掺杂的锗材料。
7. 根据权利要求6所述的晶体管，其特征在于所述磷掺杂的硅材料中，磷的掺杂浓度为lX102°cm—3 ;所述砷掺杂的锗材料中，砷的掺杂浓度为lX102°cm—3。
8. 根据权利要求l-4任一所述的晶体管，其特征在于所述栅介质层的厚度为 1. 5_3歷。
9. 根据权利要求5所述的晶体管，其特征在于所述栅介质层的厚度为1. 5-3nm。
10. 根据权利要求6所述的晶体管，其特征在于所述栅介质层的厚度为1. 5-3nm。
全文摘要
本发明公开一种纳米线场效应晶体管。该晶体管是由栅电极、源区、漏区、中心区和栅介质层组成；其中，中心区为芯-壳结构，该芯-壳结构同轴；栅介质层全包围中心区，栅电极全包围栅介质层；源区和漏区分别位于中心区的两侧。其中，中心区的芯结构为绝缘体材料，壳结构为半导体材料；该壳结构材料的掺杂类型及掺杂浓度可调。该芯-壳结构的长度、壳半径以及芯半径可调；另外，该晶体管中，栅介质层、栅电极层、源区和漏区的材料均可调，栅介质层的厚度、源区和漏区材料的掺杂类型及掺杂浓度均可调。绝缘体芯结构的引入能有效降低传统纳米线晶体管的关态电流，提高器件的电流开关比，同时该晶体管受短沟道效应引起的阈值电压漂移以及漏致势垒降低效应的影响更小，尺寸缩小的性能更加优良。
文档编号H01L29/12GK101740619SQ200810226509
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者何进, 张健, 张兴, 张立宁 申请人:北京大学