[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种全环栅CMOS结构及制备方法，更确切地说涉及一种基于硅基三维纳米线阵列的全环栅CMOS结构和制备方法，属于场效应管技术领域，

背景技术

以半导体器件、集成电路为核心的电子信息产业已超过以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为当前第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。作为电子信息产业基础的半导体器件、集成电路产业，对于推动我国经济发展，促进科技进步，增强我国综合实力以及建设创新型国家具有重要意义。

Si基III-V族CMOS材料和器件是目前国际上竞相开展的新一代晶体管核心技术。针对22nm技术节点，Intel、IBM、Samsung等都采用FinFET技术。针对10nm及以下技术节点，栅极对沟道电场的调控要求更高，进而提出全环栅的概念。而基于纳米线的全环栅CMOS场效应晶体管由于其几乎全包围的设计特点，使栅极能够更大程度地控制纳米线内部电场分布，实现电场和载流子浓度调控，增大开态电流，增大开关比，同时有利于提高集成度。

基于纳米线的全环栅场MOS效应管最大程度发挥了栅极对沟道的电场调控能力，特别是基于横向二维或三维纳米线阵列的全环栅CMOS场效应晶体管，在提高性能的同时提高了集成度。虽然目前国际上和国内许多研究机构都在研制半导体纳米线，但是只有极少数的研究组能够成功研制。目前国际上纳米线多采用竖向排列，实现竖向纳米线主要有两种方案，一是通过自上而下的刻蚀形成竖状纳米线，多用于硅纳米线的制备（德国赵清太小组，IEEE EDL，33（2012）1535；法国LAAS/IEMN联合小组，Nanoscale5（2013）2437）；另外一种是通过自下而上的选择性生长形成竖状纳米线（InGaAs/InAlAs Core-shell纳米线，日本北海道大学，Nature，488（2012）189）。横向纳米线仅有美国普渡大学叶培德小组2012年在InP基上通过刻蚀的方法形成二维横向纳米线阵列，并基于此研制了InGaAs全环栅MOS场效应管（IEDM12-531）。

10nm及以下技术节点对器件性能提出更高的要求，尤其是对高迁移率的追求，导致越来越多的机构正在研发新型沟道材料。国际半导体技术蓝图（ITRS）已经把III-V族和锗高迁移率沟道技术作为未来的半导体技术发展的主流技术，原因在于III-V族材料有较高的电子迁移率，而锗材料有较高的空穴迁移率，而要实现CMOS必须把n型和p型沟道材料集成在同一衬底上，在技术上具有很高的挑战性。另外，IBM在1996年理论上预言了张应变Ge材料可以同时具有很高的电子和空穴迁移率，当张应变达到1.5%时，电子迁移率理论预言可以达到12000cm²/Vs，空穴迁移率达到20000cm²/Vs（J.Appl.Phys.80(1996)2234），利用张应变Ge有望同时实现高性能n型和p型沟道材料。

硅基光电子学中最关键的技术瓶颈是缺乏高质量的硅基化合物材料，目前通常采用混合集成（Nature Photonics4,511(2010)）的方法把III-V族激光器材料键合到硅基上，但是这两种材料衬底尺寸差异很大，很难获得高质量的材料。而通过界面失配调控方法（interfacial misfit，IMF），则有望在大尺寸硅基衬底上实现硅/III-V族材料融合，同时还可以使用CMOS工艺降低器件成本。IMF方法是通过在衬底上生长90度位错的薄膜，使得绝大部分位错限制在界面处，应力弛豫在界面处完成，从而获得高质量的大晶格失配的材料。利用IMF生长技术，和超薄的AlSb层释放晶格应力，获得低位错密度、表面平整的高质量硅基GaSb缓冲层，从而获得高质量的硅基锑化物材料体系。IMF方法是现有采用单片集成方法在硅基上实现高质量化合物材料的最佳途径，深入开展硅基IMF生长技术的研究将对硅基光电子学领域科学技术的发展带来很大推动。从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅基三维纳米线阵列的全环栅CMOS场效应晶体管及其制备方法，以能够更好的满足10nm以下技术节点对器件性能提出的更高要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一，是提供一种基于硅基三维纳米线阵列的全环栅CMOS场效应晶体管，包括硅衬底或SOI衬底，在所述的硅衬底或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。