[发明专利]一种基于硅基三维纳米阵列的全环栅CMOS结构和制备方法

权利要求书

1.一种基于硅基三维纳米线阵列的全环栅CMOS结构，包括硅或SOI衬底，其特征在于在所述硅衬底或SOI衬底上生长有n型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列和p型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列；所述n型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列和p型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列间隔排列。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述n型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列的材料为(In_xGa_1-x)(AsySb_1-y)或张应变锗；所述p型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列的材料为(In_xGa_1-x)Sb、无应变锗或张应变锗。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述n型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列和p型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列均为多层结构。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于基于硅基InGaAs/GaSb三维纳米线阵列的CMOS结构是InGaAs为n型沟道材料，迁移率为10000cm²/Vs，GaSb作为p型沟道材料，迁移率为900cm²/Vs；采用界面失配调控方法，利用超薄的AlSb层释放晶格应力，在硅基上获得低位错密度、表面平整的高质量GaSb缓冲层；针对n型InGaAs和p型GaSb高迁移率三维纳米线阵列，交替生长n型InGaAs和p型GaSb高迁移率材料，之间生长AlSb腐蚀牺牲层，设计多层纳米材料结构。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于基于硅基InGaAs/张应变Ge单片集成三维纳米线阵列的全环栅CMOS结构是，选取张应变Ge材料作为p型沟道材料，InGaAs作为n型沟道材料，首先采用Aspect Ratio Trapping技术在Si基上外延InP缓冲层,采用化学机械抛光法获得平整的InP缓冲层；然后在InP缓冲层上生长n型InGaAs和张应变Ge，InAlAs作为腐蚀牺牲层填充在n型和p型沟道材料之间。

6.一种基于硅基三维纳米线阵列的全环栅CMOS的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）生长基于硅基的n型单片集成的高迁移率材料结构和p型单片集成的高迁移率材料结构；

（2）制备n型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列和p型横向三维单片集成的高迁移率纳米线阵列的器件；

（3）采用原子层沉积技术实现纳米线周围栅介质和金属栅极材料全包围，制备全环栅CMOS场效应晶体管。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

a)所述步骤（1）包括以下子步骤：采用高迁移率的III-V族材料或者锗作为沟道材料，采用外延生长技术实现沟道材料和硅基材料的无转移集成，并且在硅基材料上间隔生长p型沟道材料和n型沟道材料，所述p型沟道材料和n型沟道材料之间填充可选择性腐蚀的材料作为腐蚀牺牲层；

b)所述步骤（2）还包括以下子步骤：

(21)利用电子束曝光技术，在材料芯片表面制备纳米线光刻掩膜，定义源/漏区域和纳米线阵列尺寸；

(22)利用干法刻蚀技术，刻蚀沟槽区的叠层直到停止层，在器件上形成横向纳米带结构；

(23)利用选择性湿法腐蚀，形成横向二维纳米线双极型混合阵列；

(24)利用光学曝光和选择性湿法腐蚀，对纳米线阵列进行区域选择性腐蚀，获得n型区的横向二维纳米线阵列和p型区的横向二维纳米线阵列；

c)所述步骤（3）中利用原子层技术实现纳米线周围栅介质和金属栅极材料全包围，具体包括以下子步骤：

(31)样品表面自然氧化物清洗，利用原子层沉积设备进行样品表面等离子体钝化；

(32)采用等离子体增强方法原位生长高k栅介质，实现高k介质层对纳米线的全包围；

(33)采用原子层沉积原位生长栅极材料，实现纳米线侧面栅极材料全包围；

(34)通过电子束曝光定义栅极，采用溅射方法生长栅极金属；

(35)通过电子束曝光定义源极和漏极，采用溅射方法生长金属电极。