CN105070763B - Soi叉指结构衬底ⅲ‑ⅴ族材料沟道薄膜晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种SOI叉指结构衬底的III‑V族材料沟道薄膜晶体管,包括:一SOI衬底,其顶层硅上的一侧包括一源区,另一侧为漏区,中间为叉指结构的硅亚微米线;一绝缘介质层制作在该源区和漏区的表面,该源区和漏区上的绝缘介质层上分别开有电极窗口;一III‑V族材料薄膜制作在叉指结构的硅亚微米线上;一栅介质层制作在该III‑V族材料薄膜的表面;一源电极制作在该源区电极窗口内,该源电极与SOI衬底的顶层硅接触;一漏电极制作在该漏区介质层窗口内,该漏电极与SOI衬底的顶层硅接触;以及一栅电极,该栅电极制作于栅介质层上。本发明可以实现平面薄膜晶体管的制备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制作技术领域,具体涉及一种SOI叉指结构衬底III-V族材料沟道薄膜晶体管及制备方法。
背景技术
为了应对如今半导体行业对于高运算速度,低功耗和小型化的需求,III-V族材料与硅基材料结合形成高迁移率晶体管成为了下一代集成电路发展方向之一。III-V族材料作为直接带隙半导体有良好的光学性质,同时相对于Si材料,电子迁移率方面更是优势明显,InAs的电子迁移率比Si高10倍以上。然而,Si材料由于其成熟的工艺,便宜的价格仍会在工业中长时间广泛应用。但由于Si与III-V族材料的晶格失配和热失配问题,二者异质界面容易产生位错影响晶格结构和电学光学性质,通过形成叉指结构减小III-V族材料与Si的接触面积,使失配产生的应力得到充分释放,得到的异质材料只要小于一个临界值就能得到无缺陷的器件。现在有不少关于III-V族纵向连接结构,而为了更好地与Si的平面工艺相结合,这里我们设计了横向结构的薄膜晶体管。
利用选区生长的方式可以得到高密度且直径可控的垂直纳米线结构,然而垂直的纳米线结构与现在主流的平面硅工艺并不兼容,同时难以做到小型化。现有的水平纳米线工艺是先得到垂直的纳米线,再转移到基板上制作电路。然而这种方法工艺复杂且无法精确定位。在科研中,已有对GaAs纳米线上生长无缺陷的InAs异质外延材料的实践。可以将此方法移植到硅纳米线上,在硅纳米线上异质外延生长III-V族材料薄膜以获得薄膜晶体管结构。
本发明提出了一种在SOI衬底上形成周期性分布的源漏叉指型硅亚微 米线,在亚微米线上异质外延生长III-V族材料使相邻两亚微米线(源漏)相连形成MOS结构的方法,为III-V族材料与Si的异质外延生长提供了新的思路。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种SOI叉指结构衬底III-V族材料沟道薄膜晶体管及制备方法,可以实现平面薄膜晶体管的制备。
为达到上述目的,本发明提供一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,包括:
一SOI衬底,该SOI衬底的顶层硅上的一侧包括一源区,另一侧为漏区,中间为硅亚微米线,该硅亚微米线为叉指结构;
一绝缘介质层,该绝缘介质层制作在该源区和漏区的表面,该源区和漏区上的绝缘介质层上分别开有电极窗口,该绝缘介质层的材料为SiO2,厚度为5-20nm;
一III-V族材料薄膜,其制作在叉指结构的硅亚微米线上;
一栅介质层,该栅介质层制作在该III-V族材料薄膜的表面;
一源电极,该源电极制作在该源区电极窗口内,该源电极与SOI衬底的顶层硅接触;
一漏电极,该漏电极制作在该漏区介质层窗口内,该漏电极与SOI衬底的顶层硅接触;以及
一栅电极,该栅电极制作于栅介质层上。
为达到上述目的,本发明还提供了一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管的制备方法,包括如下步骤:
步骤1:选取未掺杂的SOI衬底,该SOI衬底的顶层硅为(110)晶面,在SOI衬底的顶层硅的表面制作厚度为5nm-20nm的绝缘介质层;
步骤2:对SOI衬底的顶层硅表面采用离子注入方式对SOI衬底进行N型掺杂;
步骤3:快速热退火激活掺杂原子;
步骤4:在绝缘介质层上刻蚀出有源区和漏区;
步骤5:在源区和漏区之间、SOI衬底的顶层硅上刻蚀出硅亚微米线, 该硅亚微米线为叉指结构;
步骤6:在硅亚微米线的顶面和侧壁上外延生长厚度为50nm-200nm的III-V族材料薄膜,并实现叉指结构区域的整体覆盖;
步骤7:对III-V族材料薄膜顶面采用(NH4)2S溶液进行表面钝化处理;
步骤8:在III-V材料薄膜的表面上生长栅介质层;
步骤9:在源区和漏区上的绝缘介质层上制作电极窗口,并在电极窗口中分别制作源电极和漏电极,该源电极和漏电极与SOI衬底的顶层硅接触;
步骤10:在栅介质层上制作栅电极,完成器件的制备。
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管的制备方法,通过在SOI衬底上形成叉指结构硅亚微米线,减小了III-V族材料薄膜与Si异质界面的接触面积,使晶格失配和热失配的应力得到很大程度的释放,提高了晶格质量,同时增大了Si上的成核面积,减小了横向生长难度。
(2)该方法将叉指结构硅亚微米线的硅晶面通过III-V族材料薄膜连接,使得晶体管能够导通,III-V族材料的高电子迁移率以及薄膜晶体管结构,可以实现高速运算所需的更大电流和更快反应速度。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容,以下结合实施例和附图详细说明如后,其中:
图1本发明的结构示意图;
图2为本发明的制备流程图。
具体实施方案
请参阅图1,本发明提供一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,包括:
一SOI衬底1,该SOI衬底1的顶层硅上的一侧为一源区2,另一侧为漏区3,中间为硅亚微米线4,该硅亚微米线4为叉指结构,该SOI衬 底1的顶层硅为(110)晶面,该源区2、漏区3和硅亚微米线4在距离该SOI衬底1上表面20nm-100nm内采用N型掺杂,掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3,该硅亚微米线4可以为后面的III-V族材料生长提供晶格信息;
一绝缘介质层6,该绝缘介质层6制作在该源区2和漏区3的表面,该源区2和漏区3上的绝缘介质层6上分别开有电极窗口8’、9’,该绝缘介质层6的材料为SiO2,厚度为5-20nm,该绝缘介质层6能够为源极漏极提供保护,同时能限制III-V族材料薄膜5的生长区域;
一III-V族材料薄膜5,其覆盖在叉指结构的硅亚微米线4上,该III-V族材料薄膜5可以为InxGa1-xAs(0≤x≤1)、GaP、GaN或InP等材料,该III-V族材料薄膜5的厚度为50nm-200nm,该III-V族材料薄膜5作为器件的沟道连接源极漏极;
一栅介质层7,该栅介质层7制作在该III-V族材料薄膜5的表面,该栅介质层7的材料为Al2O3、HfO2、Si3N4、ZrO2、Ta2O5、BST或PZT,其厚度为5nm-20nm;
一源电极8,该源电极8制作在该源区2电极窗口8’内,该源电极8与SOI衬底1的顶层硅接触;
一漏电极9,该漏电极9制作在该漏区3电极窗口9’内,该漏电极9与SOI衬底1的顶层硅接触;以及
一栅电极10,该栅电极10制作于栅介质层7上。
其中源电极8、漏电极9和栅电极10的材料为金、铜、铝或多晶硅。
请参阅图2并结合参阅图1,本发明还提供一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管的制备方法,包括如下步骤:
步骤1:选取未掺杂的SOI衬底1,该SOI衬底1的顶层硅为(110)晶面,在SOI衬底1的顶层硅的表面制作绝缘介质层6,所述绝缘介质层6的材料为SiO2。厚度为5nm-20nm;
步骤2:对SOI衬底1的顶层硅表面采用离子注入方式对SOI衬底1进行N型掺杂,掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3,掺杂厚度为20nm-100nm,通过控制N型掺杂层的垂直浓度能够实现硅亚微米线与III-V族材料薄膜异质结界面带阶的调整,消除整流效应;
步骤3:完成离子注入后,在1000℃温度下进行快速退火10秒,激活掺杂离子;
步骤4:在绝缘介质层6上刻蚀出有源区2和漏区3,该源区2和漏区3之间的宽度为1μm-10μm;
步骤5:在源区2和漏区3之间、SOI衬底1的顶层硅上刻蚀出硅亚微米线4,该硅亚微米线4为叉指结构,所述叉指结构的硅亚微米线4中的每一叉指宽度为200nm-350nm,叉指间隔为50nm-800nm,该每一叉指的长边侧壁上的硅端面为(111)晶面,每一叉指的短边侧面上的端面与源区2或漏区3的间隔与各叉指的间隔相同;
步骤6:在硅亚微米线4的顶面和侧壁上外延生长厚度为50nm-200nm的III-V族材料薄膜5,并将叉指结构区域的整体覆盖,实现异质连接;
步骤7:对III-V族材料薄膜5顶面采用(NH4)2S溶液进行表面钝化处理;
步骤8:在III-V材料薄膜5的表面上生长栅介质层7,该栅介质层7的材料为Al2O3、HfO2、Si3N4、ZrO2、Ta2O5、BST或PZT,其厚度为5nm-20nm;
步骤9:在源区2和漏区3上的绝缘介质层6上制作电极窗口8’、9’,并在电极窗口8’、9’中分别制作源电极8和漏电极9,该源电极8和漏电极9与SOI衬底1的顶层硅接触。
步骤10:在栅介质层7上制作栅电极10,完成器件的制备。
本发明提供的一种SOI叉指结构衬底III-V族材料薄膜沟道晶体管的其制备方法,器件制备工艺简单,在SOI衬底上设计叉指结构硅亚微米线能够限制平面上III-V族材料薄膜与硅的接触面积,使热失配和晶格失配的应力充分释放,提高III-V族材料薄膜晶体质量,提高晶体管的性能。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,包括:
一SOI衬底,该SOI衬底的顶层硅上的一侧包括一源区,另一侧为漏区,中间为硅亚微米线,该硅亚微米线为叉指结构;
一绝缘介质层,该绝缘介质层制作在该源区和漏区的表面,该源区和漏区上的绝缘介质层上分别开有电极窗口,该绝缘介质层的材料为SiO2,厚度为5-20nm;
一III-V族材料薄膜,其制作在叉指结构的硅亚微米线上;
一栅介质层,该栅介质层制作在该III-V族材料薄膜的表面;
一源电极,该源电极制作在该源区电极窗口内,该源电极与SOI衬底的顶层硅接触;
一漏电极,该漏电极制作在该漏区介质层窗口内,该漏电极与SOI衬底的顶层硅接触;以及
一栅电极,该栅电极制作于栅介质层上。
2.根据权利要求1所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,其中该SOI衬底的顶层硅为(110)晶面。
3.根据权利要求1所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,其中该栅介质层的材料为Al2O3、HfO2、Si3N4、ZrO2、Ta2O5、BST或PZT,其厚度为5nm-20nm。
4.根据权利要求1所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,其中该源区、漏区和硅亚微米线在距离该SOI衬底上表面20nm-100nm内采用N型掺杂,掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管,其中源电极、漏电极和栅电极的材料为金、铜、铝或多晶硅。
6.一种SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管的制备方法,包括如下步骤:
步骤1:选取未掺杂的SOI衬底,该SOI衬底的顶层硅为(110)晶面,在SOI衬底的顶层硅的表面制作厚度为5nm-20nm的绝缘介质层;
步骤2:对SOI衬底的顶层硅表面采用离子注入方式对SOI衬底进行N型掺杂;
步骤3:快速热退火激活掺杂原子;
步骤4:在绝缘介质层上刻蚀出有源区和漏区;
步骤5:在源区和漏区之间、SOI衬底的顶层硅上刻蚀出硅亚微米线,该硅亚微米线为叉指结构;
步骤6:在硅亚微米线的顶面和侧壁上外延生长厚度为50nm-200nm的III-V族材料薄膜,并实现叉指结构区域的整体覆盖;
步骤7:对III-V族材料薄膜顶面采用(NH4)2S溶液进行表面钝化处理;
步骤8:在III-V材料薄膜的表面上生长栅介质层;
步骤9:在源区和漏区上的绝缘介质层上制作电极窗口,并在电极窗口中分别制作源电极和漏电极,该源电极和漏电极与SOI衬底的顶层硅接触;
步骤10:在栅介质层上制作栅电极,完成器件的制备。
7.根据权利要求6所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管制备方法,其中该栅介质层的材料为Al2O3、氮氧化物、HfO2、Si3N4、ZrO2、Ta2O5、BST或PZT,其厚度为5nm-20nm。
8.根据权利要求6所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管制备方法,其中对SOI衬底进行N型掺杂,掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3,掺杂厚度为20nm-100nm。
9.根据权利要求6所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管制备方法,其中该源区和漏区之间的宽度为1μm-10μm,所述叉指结构的硅亚微米线中的每一叉指宽度为200nm-350nm,叉指间隔为50nm-800nm。
10.根据权利要求6所述的SOI叉指结构衬底的III-V族材料沟道薄膜晶体管制备方法,其中所述绝缘介质层的材料为SiO2,厚度为5-20nm。
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