[发明专利]双层隔离混合晶向应变纳米线MOSFET

说明书

技术领域

本发明涉及半导体场效应晶体管技术领域，尤其涉及一种双层隔离混合晶向应变纳米线MOSFET。

背景技术

通过缩小晶体管的尺寸来提高芯片的工作速度和集成度、减小芯片功耗密度一直是微电子工业发展所追求的目标。在过去的四十年里, 微电子工业发展一直遵循着摩尔定律。当前, 场效应晶体管的物理栅长已接近20nm，栅介质也仅有几个氧原子层厚，通过缩小传统场效应晶体管的尺寸来提高性能已面临一些困难, 这主要是因为小尺寸下短沟道效应和栅极漏电流使晶体管的开关性能变坏。

纳米线场效应晶体管（NWFET，Nanowire MOSFET）有望解决这一问题。一方面，小的沟道厚度和宽度使NWFET的栅极更接近于沟道的各个部分，有助于晶体管栅极调制能力的增强，而且它们大多采用围栅结构，栅极从多个方向对沟道进行调制，能够进一步增强调制能力, 改善亚阈值特性。因此，NWFET可以很好地抑制短沟道效应，使晶体管尺寸得以进一步缩小。另一方面，NWFET 利用自身的细沟道和围栅结构改善栅极调制力和抑制短沟道效应，缓解了减薄栅介质厚度的要求，有望减小栅极漏电流。此外，纳米线沟道可以不掺杂，减少了沟道内杂质离散分布和库仑散射。对于一维纳米线沟道，由于量子限制效应, 沟道内载流子远离表面分布，故载流子输运受表面散射和沟道横向电场影响小，可以获得较高的迁移率。基于以上优势，NWFET 越来越受到科研人员的关注。由于Si 材料和工艺在半导体工业中占有主流地位，与其他材料相比，硅纳米线场效应晶体管(SiNWFET) 的制作更容易与当前工艺兼容。 

NWFET 的关键工艺是纳米线的制作，可分为自上而下和自下而上两种工艺路线。对于Si 纳米线的制作，前者主要利用光刻（光学光刻或电子束光刻）和刻蚀（ICP 、RIE 刻蚀或湿法腐蚀）工艺，后者主要基于金属催化的气-液-固（VLS）生长机制, 生长过程中以催化剂颗粒作为成核点。目前，自下而上的工艺路线制备的硅纳米线由于其随机性而不太适合SiNWFET的制备，因此目前的硅纳米线场效应晶体管中的SiNW主要是通过自上而下的工艺路线制备。同时，现有的纳米线场效应晶体管也有其自身的缺陷。

美国专利US20112011/0254058 A1、US20112011/0254099 A1、US20112011/0254101 A1、US20110254013 A1等公开了混合CMOS场效应晶体管的结构示意图。但这些专利的NMOS和PMOS共用同一栅极层，只能实现钳位式的CMOS结构，无法实现NMOS和PMOS分离结构，而实际CMOS电路中具有大量NMOS和PMOS分离结构；无法针对NMOS和PMOS分别进行栅极功函数调节和栅极电阻率调节；在工艺上很难实现针对NMOS和PMOS分别进行源漏离子注入。

针对上述情况，有关技术人员提出了一种上下双层结构的纳米线场效应晶体管，但不能完全的解决上述问题。

低温键合技术基本流程包括硅片常规清洗、化学或等离子体活化处理、亲水处理、室温贴合和低温退火(≤500C)。最核心的问题是降低退火温度后键合强度能否得到保证。硅片表面总存在氧化层，有些处于表面的二氧化硅分子中硅氧共价键会断裂，使硅原子形成悬挂键。悬挂的硅原子显正电性，可看作硅表面一层电荷层。经过亲水处理时，硅表面吸附OH-团形成硅醇键。两片形成硅醇键的硅片靠近时，硅醇键、水分子与硅醇键之间会形成氢键相互吸引。这就是键合的贴合时期。硅片界面存在的是(Si-OH)和水分子。在温度升高时，硅醇键向硅氧键转化。此反应为可逆反应，温度越高，反应方向越向右边进行。这就是为什么高温退火可以增强键合强度。低温退火就是要求在较低的温度下，反应能较充分地向右边进行。这就有以下两个要求：(1)硅片表面要尽量多形成硅醇键，使硅片在贴合时结合紧密并有足够的反应物；(2)低温退火时间要长，以利于水分子逃逸和扩散，使反应不断向正方向进行。对于以上的第二点，延长退火时间即可。而第一点，要求硅片在亲水处理前有尽量多的悬挂键，以便吸附大量的(OH)团。以氧等离子体激活方法为例，它可以在氧化层表面有如下反应：

                        ，  

从而达到形成大量的硅悬挂键的目的，这是低温退火能增强键合界面强度的主要原因。

发明内容

鉴于上述的现有技术中的问题，本发明所要解决的技术问题是现有的技术缺乏安全有效的双层隔离混合晶向应变纳米线MOSFET。