[发明专利]一种垂直结构纳米线隧穿场效应晶体管及其的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种隧穿场效应晶体管（TFET）及其制备方法。

背景技术

常规的金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管（简称MOS晶体管）如图1所示，它是先在衬底101上形成栅介质层104和栅极105，栅极105通常采由重掺杂的多晶硅形成，然后采用离子注入的方法形成源区102和漏区103。通过离子注入工艺形成源区和漏区后，需要进行高温 (约1000℃)退火处理来激活掺杂，以消除离子注入造成的晶格损伤，降低接触电阻。然而，如此高的加工温度会引起源区和漏区掺杂（硼或磷）的再扩散，从而引起结深和沟道长度的变化，最终导致器件性能偏离设计标准。尤其是随着器件特征尺寸缩小到50纳米技术节点以下，源区和漏区的结深及沟道长度均进入纳米量级，而采用常规的方法无法实现超浅结源区和漏区，这给小尺寸器件的加工带来了很大挑战。另外为了克服MOS管的短沟道效应，隧穿场效应晶体管也已被提出并研究。

最近几年，一维纳米结构,例如纳米管、纳米线、纳米带等, 因为它们是尺度和维度决定的物理和化学性质的理想体系，引起了人们广泛的研究兴趣。基于其独特的物理化学特性，现在对一维半导体纳米线的关注也逐渐增多，它被认为有可能是未来集成电路的基本组成元件。金属氧化物ZnO半导体纳米线由于其类半导体的特性得到了广泛重视。但是，由于其制备方法不便，还没有很好的方法进行简便地大规模阵列生产，而且之后将其处理为平面器件沟道也并不容易，因此将ZnO纳米线作为沟道集合入隧穿场效应晶体管仍具有较大的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于ZnO纳米线的隧穿场效应晶体管及其制备方法，以便实现以ZnO纳米线作为沟道的隧穿场效应晶体管的大规模阵列生产。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种垂直结构的纳米线隧穿场效应晶体管，具体包括：

一个p型重掺杂的半导体衬底；

位于所述衬底之上形成的籽晶层；

位于所述籽晶层之上形成的垂直结构的纳米线；

位于所述纳米线沟道四周并覆盖所述籽晶层形成的栅介质层；

覆盖所述栅介质层形成的多晶硅栅极；

进一步地，所述的纳米线顶端作为器件的漏极并与金属接触作为金属电极引出；以所述重掺杂的半导体衬底作为源极。

本发明还提出了上述垂直结构的纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法，具体步骤包括：

提供一个p型重掺杂的衬底；

采用lift-off 工艺或者光刻、刻蚀工艺在所提供衬底的特定区域上生长一层ZnO网格籽晶层；

以所形成的网格籽晶层为固态源，在水浴环境下生长ZnO纳米线；

在所述ZnO纳米线和衬底四周形成第一层绝缘薄膜；

在所述第一层绝缘薄膜上淀积形成高浓度掺杂的多晶硅层；

刻蚀所形成的多晶硅层与第一层绝缘薄膜露出ZnO纳米线；

在所形成的多晶硅层上定义出栅极电极图案；

形成第二层绝缘薄膜并刻蚀所述第二层绝缘薄膜露出ZnO纳米线顶端；

以露出的ZnO纳米线顶端作为器件的漏极并进行金属接触形成漏极电极；

形成第三层绝缘薄膜并刻蚀所述第三层绝缘薄膜形成通孔，并用一层金属将漏极电极与栅极电极引出。

更进一步地，所述的衬底为硅、绝缘体上的硅（SOI）或者为聚酰亚胺（PI）等有机衬底。所述的第一层绝缘薄膜为SiO₂或者为HfO₂等高介电常数材料。所述的第二层、第三层绝缘薄膜为二氧化硅或者为氮化硅。

本发明所提出的垂直结构的纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法具有以下优点：

1、本发明在水浴环境下生长所需的ZnO纳米线，不需要高温高压环境，溶液配置简单，生长方便，价格低廉，并且直接将纳米线构成垂直结构的TFET器件，可以避免后期的纳米线处理。

2、本发明结构简单，制造方便，成本较低，而且利用网格可以使生长的纳米线沟道与以此制造的垂直结构的TFET阵列排布可控，便于直接完成大规模MOSFET阵列的制造。

附图说明

图1为常规的隧穿场效应晶体管的结构示意图。

图2至图9为本发明所提出的垂直结构的纳米线隧穿场效应晶体管的制备方法的一个实施例的工艺流程图。

具体实施方式