CN104979403A - 导电沟道全包裹纳米线平面环栅场效应器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电沟道全包裹纳米线平面环栅场效应器件及其制备方法，其结构为：衬底；悬浮且平行于衬底的纳米线以及位于衬底之上并径向包围所述纳米线的依次排列的源电极、栅电极和漏电极；所述场效应器件的导电沟道是被栅电极径向包围的纳米线，所述栅电极与所述纳米线之间具有栅介质，所述导电沟道被所述栅介质和栅电极全包裹；源漏电极和栅电极有一定区域的重叠，但重叠部分由栅介质隔开。本发明能够制备出栅极导电沟道全包裹的场效应器件，能有效提高栅级对沟道的调控能力，从而提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件及其制备方法。
背景技术
随着MOS器件小型化的发展，带来了一个极具挑战性的问题即短沟道效应，而提高栅控能力是抑制短沟道效应的有效途径，为了提高栅控能力，人们提出多种栅极设计方案，从双栅到Fin栅，Ω栅及环栅结构。在所有的栅极结构中，理论上环栅结构能够最有效提高栅调控的能力，抑制短沟道效应。相比于传统块体材料，纳米线等一维材料具有易于制备环栅结构的天然优势。
表征半导体材料电学性能的一个很重要的指标是载流子迁移率，而对于当前主流硅工艺而言，所采用的硅的电学性能并非最优，其迁移率较低，而III-V族材料的载流子迁移率，尤其是电子迁移率远高于硅，在未来的半导体工业的发展中，特别是在射频电子器件领域，III-V族材料很有可能在一定程度上替代硅材料。
而目前国内外已经有很多研究组具备了在硅衬底上生长III-V族纳米线的能力：瑞典Lund大学的Lars Samuelson等人在Journal of Crystal Growth 334(2011)51–56，发表的题为“Self-seeded，position-controlled InAs nanowire growth on Si:A growth parameter study”的文章中，公布了在硅衬底上采用自催化的方法生长InAs纳米线有序阵列的成果；日本北海道大学的Takashi Fukui等人在Nature488(2012)189，发表题为“A III–V nanowire channel on silicon forhigh-performance vertical transistors”的文章，也具备了在硅衬底上生长III-V族纳米线周期性阵列的能力；中国科学院半导体所赵建华等人在Nano.Lett.发表题为“Controlled Synthesis of Phase-Pure InAs Nanowires on Si(111)by Diminishingthe Diameter to 10nm”的文章，具备生长细的纯相的InAs纳米线阵列。
从材料的电学性能和目前的研究进展来看，III-V族纳米线很有可能在射频电子器件领域得到进一步的应用。目前基于III-V族纳米线的平面环栅射频器件的工作来自于瑞典Lund大学(其工作发表于Nano.Lett.，题为“Realizing LateralWrap-Gated Nanowire FETs:Controlling Gate Length with Chemistry Rather thanLithography”。)和北京大学(其工作发表于APL题为“Suspended InAs NanowireGate-All-Around Field-Effect Transistors”)，前者工艺较为复杂，且采用化学腐蚀的方法，对纳米线损伤较大，其器件性能并未得到很大程度的提高，而后者采用双层胶工艺，先制备栅极，然后制备源漏电极，以形成平面环栅器件，制备的器件中纳米线受到一定程度的应力，且纳米线导电沟道并未完全被包裹。
发明内容
本发明的目的是制备出可以更高效地抑制短沟道效应的、提高栅控能力的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件，包括：
衬底；
悬浮且平行于衬底的纳米线以及位于衬底之上并径向包围所述纳米线的依次排列的源电极、栅电极和漏电极；
所述场效应器件的导电沟道是被栅电极径向包围的纳米线，所述栅电极与所述纳米线之间具有栅介质，所述导电沟道被所述栅介质和栅电极全包裹；
所述源电极与栅电极之间，以及所述漏电极与栅电极之间分别有部分重叠，重叠部分被栅介质所隔离。
优选地，上述衬底为覆盖有氧化硅的单晶硅。
优选地，所述纳米线是自掺杂低阻纳米线，是在进行生长纳米线的过程中引入的自掺杂，其材料为III-V族材料。
优选地，所述栅介质为高介电常数材料。
优选地，源电极、栅电极和漏电极为金属电极。其中，所述源电极和漏电极金属要求能够与纳米线形成欧姆接触的金属，包括金，铝，镍等金属。
上述基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底首先甩一层胶，然后在匀过胶的衬底上转移纳米线，并定位纳米线；甩上第二层胶，将纳米线夹在两层胶中间；
2)开出源电极窗口和漏电极窗口并对源电极窗口和漏电极窗口进行去残胶处理，然后腐蚀掉源电极窗口和漏电极窗口下的纳米线的本征氧化层；
3)在源电极窗口和漏电极窗口下进行金属电极淀积，然后剥离以形成源电极和漏电极；
4)甩上一层胶，在源电极和漏电极间开出栅电极窗口，窗口的宽度略大于源电极和漏电极之间的距离，确保完全覆盖源电极和漏电极之间的区域；
5)对栅电极窗口进行去残胶处理，然后腐蚀掉栅电极窗口下的纳米线的本征氧化层；
6)在栅电极窗口下的纳米线上生长栅介质；制备栅电极，然后剥离。
优选地，步骤1)中所述的胶为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
优选地，步骤1)中，所述衬底为已有标记的衬底，定位方法为使用扫描电镜在已有标记的衬底上定位。
优选地，步骤2)中，通过定位、曝光和显影、定影过程，定义出源电极窗口和漏电极窗口，曝光方法为电子束曝光，去残胶的方法为氧等离子去残胶，使用硫胺溶液或是HCL和IPA的混合酸性溶液进行腐蚀。
优选地，步骤3)中，源电极和漏电极的制备方法为磁控溅射镀膜，并且在镀膜的过程中样品随样品托旋转，使用丙酮进行剥离。
优选地，使用丙酮剥离的方法为：泡在60摄氏度水浴加热的丙酮1个小时，然后再滴管吸入丙酮吹若干次，转移到酒精溶液中冲洗若干次，然后在去离子水中冲洗若干次后用氮气枪吹干。
优选地，步骤4)中，通过匀胶、曝光和显影、定影过程，定义栅电极区域，曝光方法为电子束曝光，去残胶的方法为氧等离子去残胶。
优选地，步骤5)中腐蚀方法为使用硫胺溶液或是HCL和IPA的混合酸性溶液进行腐蚀。
优选地，步骤6)中，栅介质的制备使用原子层淀积的方法，栅电极的制备方法为热蒸发镀膜或者磁控溅射，并且在镀膜的过程中样品随样品托旋转，剥离方法为使用丙酮进行剥离。
有益效果：
本发明的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件是平面沟道全包裹环栅场效应器件。栅介质层和栅电极沿纳米线径向包裹，且整个导电沟道均被栅介质和栅极金属所包裹，相比已有的其它栅结构，如顶栅结构、Fin栅结构和Ω栅结构，本发明有更强的调控能力，能极大的降低关态电流，提高器件开关比，从而可以有效抑制短沟道效应。因导电沟道被全部包裹，减少了栅源和栅漏的串联电阻，能有效地提高开态电流，使器件具备更强的驱动能力，提高器件的性能。
附图说明
图1为本发明实施例中基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的版图(俯视)示意图。图中，101-低阻纳米线；102-纳米线外包围的本征氧化层；103-生长的栅介质层；104为漏电极；105为源电极；106为栅电级。
图2为沿图1中A-A’方向的剖面结构示意图。图中，201-衬底；202-纳米线；203-本征氧化层；204-漏电极；205-源电极；206-栅介质；207-栅电极。
图3(a)至图3(l)为本发明实施例中器件在各个步骤形成的剖面结构示意图。图中301-衬底；302-纳米线；303-本征氧化层；304-漏电极；305-源电极；306-栅介质；307-栅电极；308-电子束光刻胶。
图4(a)为本发明实施例中对其中一个器件，使用PPMS(综合物性测量系统)测量转移特性曲线结果。
图4(b)该器件的输入输出特性曲线的测量结果。
具体实施方式
下面结合附图，以基于InAs/InSb纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件为实施例对本发明作进一步详述。
图1是本发明实施例中基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的版图(俯视)示意图，其中101为低阻纳米线，102为纳米线外包围的本征氧化层，103-生长的栅介质层；104为漏电极；105为源电极；106为栅电极。
图2是沿图1中A-A’方向的剖面示意图。衬底201为表面覆盖有一层氧化硅的单晶硅；衬底201以上部分从左到右分别包括源电极205、栅电极207以及漏电极204；该场效应器件的导电沟道是被栅电极207包围且悬浮平行于衬底201的纳米线202，未被包围的纳米线202外层为本征氧化层203；栅电极207与纳米线202之间具有栅介质206，栅电极207以及栅介质206包围被腐蚀钝化过的纳米线202使得纳米线202与衬底201分离而悬浮；源电极205和漏电极204包裹纳米线202，和栅电极207有一定区域的重叠，但与栅电极207之间有一层栅介质206，将重叠部分隔开。
上述基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件制备方法如下：
1)利用匀胶机在覆有200nm厚SiO2的单晶硅上甩一层PMMAA2(甩胶速率为1500转/分钟，时间60秒)，厚度大约100nm，如图3(a)所示，图中301为衬底，308为电子束光刻胶。
2)将纳米线(由中国科学院半导体所提供)转移到匀过一层PMMA的衬底上，如图3(b)所示，图中302为自然引入掺杂的InAs纳米线。其中衬底为有标记的衬底，其制备过程采用标准微纳电子加工技术完成，首先采用光刻技术曝出所需要的标记图形，然后显影定影，再用电子束镀膜仪进行镀膜，剥离等制备出标记。
3)再甩一层PMMA A4(甩胶速率为4000转/分钟，时间60秒)，厚度大约200nm，如图3(c)所示，图中303为纳米线外层的本征氧化层。
4)开出源漏窗口，如图3(d)所示，具体的工艺过程为：画版图定义出源漏电极区域(源漏电极宽度设计值均为300nm，其间距设计值为500nm)；电子束曝光；显影和定影；使用等离子去残胶。
5)去除本征或低掺杂纳米线表面的氧化物，可选的去除方法有硫铵溶液或者其他酸性溶液腐蚀(如HCL和IPA按照一定比例配比的溶液)，如图3(e)所示。
6)制备源电极305和漏电极304：用磁控溅射镀膜仪进行镀膜，膜厚大约为10nm/150nm，膜材料为金属Ti/Au，如图3(f)所示。
7)形成源漏电极305和304：镀膜后，用丙酮进行剥离，如图3(g)所示。
8)开出栅窗口，窗口的宽度略大于源漏电极间距离，确保完全覆盖源漏电极之间区域：具体过程为通过画版图、旋涂电子束光刻胶PMMA A2(甩胶速率为4000转/分钟，时间60秒)，厚度大约70nm，再甩一层PMMA A4(甩胶速率为4000转/分钟，时间60秒)，厚度大约200nm；电子束曝光、显影和定影过程，曝光出源电极和漏电极的区域(源电极和漏电极宽度大约500nm)，如图3(h)和图3(i)所示。
9)去除氧化层并生长栅介质：可选的去除方法有硫铵溶液或者其他酸性溶液腐蚀。采用原子层沉积(ALD)方法生长栅介质，厚度为12nm，可选的栅介质有氧化铪、氧化锆、氧化铝以及其它具有相对于真空的介电常数量值较大的介质材料。如图3(j)所示，图中306为栅介质。
10)制备栅电极307，具体的工艺过程为：磁控溅射镀金属(5nm/90nmTi/Au)；剥离。如图3(k)和图3(l)所示。
图4(a)为本发明实施例中对其中一个器件，使用PPMS(综合物性测量系统)测量转移特性曲线结果，每条曲线对应一个固定源漏电压Vds，至下向上的Vds分别为10，50，100，200，300mV，然后以5mV步长去扫描栅压，Vg从-1.5V到1.5V。图4(b)该器件的输入输出特性曲线的测量结果，每条曲线对应一个固定的栅压Vg，至下向上的Vg分别为-2，-1，0，0.3，1V，Vds从0V到0.6V以5mV步长进行扫描，图示中器件很快进入饱和状态。从上图提取的其性能指标大约如下，当Vds＝100mV开关比大约106；亚阈值斜率摆幅为100mV/dec(其理论极限为60mV/dec)，当Vds＝100mV，跨导为10μS；器件具有很高开态电流和归一化开态电流，其值分别为40μA和640μA/μm。
Claims (10)
1.一种基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件，包括：
衬底；
悬浮且平行于衬底的纳米线以及位于衬底之上并径向包围所述纳米线的依次排列的源电极、栅电极和漏电极；
所述场效应器件的导电沟道是被栅电极径向包围的纳米线，所述栅电极与所述纳米线之间具有栅介质，所述导电沟道被所述栅介质和栅电极全包裹；
所述源电极与栅电极之间，以及所述漏电极与栅电极之间分别有部分重叠，重叠部分被栅介质所隔离。
2.如权利要求1所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件，其特征在于，所述衬底为覆盖有氧化硅的单晶硅，所述栅介质为高介电常数材料。
3.如权利要求1所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件，其特征在于，所述纳米线是自掺杂低阻纳米线，其材料为III-V族材料。
4.如权利要求1所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件，其特征在于，所述源电极、栅电极和漏电极为金属电极。
5.如权利要求1-4任一所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底首先甩一层胶，然后在匀过胶的衬底上转移纳米线，并定位纳米线；甩上第二层胶，将纳米线夹在两层胶中间；
2)开出源电极窗口和漏电极窗口并对源电极窗口和漏电极窗口进行去残胶处理，然后腐蚀掉源电极窗口和漏电极窗口下的纳米线的本征氧化层；
3)在源电极窗口和漏电极窗口下进行金属电极淀积，然后剥离以形成源电极和漏电极；
4)甩上一层胶，在源电极和漏电极间开出栅电极窗口，窗口的宽度略大于源电极和漏电极之间的距离，确保完全覆盖源电极和漏电极之间的区域；
5)对栅电极窗口进行去残胶处理，然后腐蚀掉栅电极窗口下的纳米线的本征氧化层；
6)在栅电极窗口下的纳米线上生长栅介质；制备栅电极，然后剥离。
6.如权利要求5所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的胶为PMMA，所述衬底为已有标记的衬底，定位方法为使用扫描电镜在已有标记的衬底上定位。
7.如权利要求5所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，其特征在于，步骤2)中，通过定位、曝光和显影、定影过程，定义出源电极窗口和漏电极窗口，曝光方法为电子束曝光，去残胶的方法为氧等离子去残胶，使用硫胺溶液或是HCL和IPA的混合酸性溶液进行腐蚀。
8.如权利要求5所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述源电极和漏电极的制备方法为磁控溅射镀膜，并且在镀膜的过程中样品随样品托旋转，使用丙酮进行剥离。
9.如权利要求5所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，其特征在于，步骤4)中，通过匀胶、曝光和显影、定影过程，定义栅电极区域，曝光方法为电子束曝光，去残胶的方法为氧等离子去残胶；步骤5)中腐蚀方法为使用硫胺溶液或是HCL和IPA的混合酸性溶液进行腐蚀。
10.如权利要求5所述的基于纳米线的导电沟道全包裹平面环栅场效应器件的制备方法，其特征在于，步骤6)中，栅介质的制备使用原子层淀积的方法，栅电极的制备方法为热蒸发镀膜或者磁控溅射，并且在镀膜的过程中样品随样品托旋转，剥离方法为使用丙酮进行剥离。
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|---|---|---|---|---|
| CN105576033A (zh) * | 2016-03-04 | 2016-05-11 | 西安电子科技大学 | 基于InAs材料的铁电隧穿场效应晶体管及其制备方法 |
Citations (3)
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| US20040036128A1 (en) * | 2002-08-23 | 2004-02-26 | Yuegang Zhang | Multi-gate carbon nano-tube transistors |
| US20060081886A1 (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-20 | Nanosys, Inc. | Method, system and apparatus for gating configurations and improved contacts in nanowire-based electronic devices |
| CN103872140A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-06-18 | 北京大学 | 一种基于纳米线的平面环栅晶体管及其制备方法 |
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2015
- 2015-05-20 CN CN201510260091.7A patent/CN104979403A/zh active Pending
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