CN105448716A

CN105448716A - 基于金属纳米点沟道的晶体管的制造方法及制得产品

Info

Publication number: CN105448716A
Application number: CN201410279462.1A
Authority: CN
Inventors: 张海洋
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: CN105448716B

Abstract

本发明公开了基于金属纳米点沟道的晶体管的制造方法及制得产品。通过这种方法能够制造具有金属纳米点的沟道，从而获得不使用半导体的晶体管。该方法包括：一种形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的方法，包括：在衬底上形成鳍状结构；在所述鳍状结构表面形成绝缘层；利用间隙填充物填充所述鳍状结构之间的间隙；暴露所述鳍状结构的顶部；在所述间隙填充物和所述鳍状结构的顶部上形成金属纳米点阵列；以及去除所述间隙填充物以及所述间隙填充物上的金属纳米点，以形成仅在所述鳍状结构顶部具有金属纳米点的结构。

Description

基于金属纳米点沟道的晶体管的制造方法及制得产品

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的方法，及通过该方法制造的产品。

背景技术

随着半导体制造技术的迅速发展，晶体管的特征尺寸已进入纳米级。由于半导体业从0.18微米制程转入0.13微米制程，花费了三至四年时间，这已经证明通过等比例缩小的方法提高当前主流半导体器件的性能受到越来越多物理、工艺的限制。为了使集成电路技术能延续摩尔定律所揭示的发展速度，必须开发利用新材料、新结构且具有新性质的晶体管。

目前，已经开发出多栅极场效应晶体管(MuGFET)，其中沟道在多个表面上被几个栅极包围，从而能够更好地抑制漏电流，且能够增强导通状态的驱动电流。

鳍式场效应晶体管(FinFET)是一种多栅极场效应晶体管。图1是现有的一种鳍式场效应晶体管的立体示意图。如图1所示，鳍式场效应晶体管包括衬底101、在衬底101上的鳍102、横跨鳍102上的栅极结构103、漏极结构104和源极结构105。

鳍式场效应晶体管源自于目前传统标准的场效晶体管的一项创新设计。在鳍式场效应晶体管的架构中，栅极结构成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage)，也可以大幅缩短晶体管的栅极长度。然而，按照目前的半导体工艺来控制FinFET的尺寸，并不断缩小该尺寸的难度很大。另一方面，由于诸如硅之类的半导体元素的固有性质，半导体元件的漏电流是不可避免的，这使得电子设备中的大量能量以热能的形式被浪费掉。因此，需要一种能够制造避免漏电流的鳍式场效应晶体管并且能够不断降低这种晶体管的特征尺寸的方法。

现有技术对于量子隧道效应的研究进展已经可以将直径为3纳米宽的金量子点(QD)置于氮化硼纳米管顶端，形成量子点―氮化硼纳米管(QD-BNNT)。氮化硼纳米管是绝缘体并且能对其上的量子点大小进行限制。当在量子点―氮化硼纳米管的两端施加足够电压时，电子从一个金量子点跳跃到另一个金量子点，使其处于导通状态，称为量子隧道效应。当电压低或无电压时，量子点―氮化硼纳米管恢复绝缘体状态，没有来自金量子点的电子逃进绝缘的氮化硼纳米管内。

然而，目前业界尚未提出根据量子隧道效应制造具有金属纳米点的鳍式场效应晶体管的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的制造方法，及通过该方法制造的产品。通过这种方法能够制造具有金属纳米点的沟道，利用金属纳米点之间的量子隧道效应产生电子运动，而无需采用传统晶体管的基于半导体的耗尽层结构。因此，本发明获得了不使用半导体的晶体管。

根据本发明的一个方面，提供一种形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的方法，包括：形成部分嵌入衬底的鳍状结构；在所述鳍状结构表面形成绝缘层；利用间隙填充物填充所述鳍状结构之间的间隙；暴露所述鳍状结构的顶部；在所述间隙填充物和所述鳍状结构的顶部上形成金属纳米点阵列；以及去除所述间隙填充物以及所述间隙填充物上的金属纳米点，以形成仅在所述鳍状结构顶部具有金属纳米点的结构。

根据本发明的一个方面，鳍状结构的材料可以是深掺杂的硅或深掺杂的氧化铝。

根据本发明的一个方面，绝缘层可为氮化硼BN。

根据本发明的一个方面，通过外延生长来形成所述绝缘层。

根据本发明的一个方面，通过旋涂法施加所述间隙填充物。

根据本发明的一个方面，所述间隙填充物是DUO。

根据本发明的一个方面，形成金属纳米点阵列的步骤包括：采用电子束蒸镀法，以带有微孔的沉积模板来沉积金属。

根据本发明的一个方面，所述带有微孔的沉积模板通过以下步骤制得：沉积二嵌段共聚物DBCP；使所沉积的DBCP微相分离，得到均匀分布的圆柱相的第一材料和连续相的第二材料；以溶液去除圆柱相的第一材料，留下第二材料作为带有微孔的沉积模板。

根据本发明的一个方面，所述圆柱相的第一材料为PMMA，所述连续相的第二材料为PS。

根据本发明的一个方面，通过干法或湿法蚀刻工艺去除所述间隙填充物以及所述间隙填充物上的金属纳米点。

本发明提出一种鳍式场效应晶体管，包括通过本发明的前述方法制造的在鳍状结构顶部的金属纳米点沟道结构。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

在本发明中，将金属纳米点置于鳍状结构表面的外延绝缘层上，作为晶体管的沟道，当施加足够的电压时，电子从氧化铝上的一个金属纳米点跳跃到另一个金属纳米点，这种现象称为量子隧道效应，该沟道处于打开到导电状态；当电压低或关闭时，该沟道会恢复到绝缘体状态。因此，这种晶体管没有漏电流，即在电压低或关闭时，沟道中没有电子迁移，隧道因而会一直保持不通电的状态。而半导体器件中的漏电流是不可避免的，进而以热能的形式浪费大量能源。

本发明的晶体管沟道所采用的金属纳米点的尺寸是纳米尺度的，因此随着技术的进步，能够进一步降低这种晶体管的特征尺寸。同时，由于采用鳍状结构，使得晶体管具有功耗低，面积小的优点。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其他优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，放大了层和区域的厚度。相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据现有技术的鳍式场效应晶体管的立体示意图。

图2A至图2D是示出根据本发明的形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的过程的剖面示意图。

图3A至3C是示出根据本发明的形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的过程的俯视图。

图4示出根据本发明的形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管方法的流程图。

图5示出根据本发明的用于制造金属纳米点阵列的方法的流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

本发明人构想出一种根据量子隧道效应来制造具有金属纳米点的鳍式场效应晶体管的方法，其中金属纳米点形成于鳍状结构表面的外延绝缘层上，作为晶体管的沟道。利用金属纳米点的量子隧道效应实现晶体管的导通和断开控制，而不需要利用诸如硅之类的半导体元素，因此避免半导体元件固有的漏电流。

图2A至图2D中示出根据本发明的形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的过程的剖面示意图。首先，如图2A所示，在衬底201上形成鳍状结构202。更具体地，形成部分地嵌入衬底201的鳍状结构202。衬底201可以是任何适当的材料。在一个实施例中，衬底201是氧化物。鳍状结构202的材料可为深掺杂的硅或氧化铝(例如，业界称为蓝宝石Sapphire的氧化铝材料)。在一个实施例中，可通过干法蚀刻工艺形成鳍状结构202，所形成的鳍状结构202的顶端可以是平滑曲线形状。例如，鳍状结构202的顶端是半圆柱形。与背景技术中的长方体鳍状结构101相比，半圆柱形结构可提高散热面积，从而改进器件性能。在一个实施例中，鳍状结构202的高度约为30纳米至100纳米，宽度仅为几纳米。在形成鳍状结构202后，进一步在鳍状结构202的表面形成绝缘层203。绝缘层203可为氮化硼(BN)，或其他适当的绝缘材料。优选地，通过外延生长工艺来形成绝缘层203。在本发明的实施例中，外延绝缘层仅覆盖鳍状结构202，不存在于衬底201。因此，需选择适当的选择性外延工艺。图3A中示出了该结构的俯视图。

然后，如图2B所示，利用间隙填充物204填充鳍状结构202之间的间隙并且暴露鳍状结构202的顶部。在图3B中示出了与图2B所示结构相对应的俯视图。在一个实施例中，可通过旋涂法填充鳍状结构202之间的间隙，并通过回蚀刻来暴露鳍状结构202的顶部。所填充的材料可以是DUO(可购得)或其它适当的旋涂材料。

然后，如图2C所示，在图2B所示的结构上形成金属纳米点205阵列。在一个实施例中，金属纳米点205的材料为金(Au)，但也可选择其他金属材料(例如银、铜、铂、镍等)。

可以选取任何适当的工艺来形成金属纳米点205阵列。在本发明的一个优选实施例中，可采用例如图5所示的方法制得金属纳米点205阵列：在步骤501，将适当的自组装材料，例如PMMA(聚甲基丙烯酸)和PS(聚苯乙烯)的DBCP(二嵌段共聚物)沉积于图2A所示结构的表面；然后在步骤502，允许DBCP微相分离，形成圆柱相PMMA和连续相PS，其中PMMA圆柱均匀分布在PS基质中；在步骤503，采用适当工艺去除PMMA圆柱(例如用醋酸使得PMMA材料降解，并被冲洗掉)，留下带有均匀分布的微小孔洞的PS层。作为示例，微小孔洞可以为20nm宽、40nm深、50nm间距，但本发明不限于该具体尺寸，其他尺寸也是可行的；在步骤504，利用带有微孔的PS层作为金属纳米点阵的图案转移模板，采用适当的沉积工艺来沉积金属膜，例如，可采用电子束蒸镀法。作为示例，金属种类可为Au、Cr、Ni、Al，或其他金属材料；金属膜厚度不作限制，对于Au优选可为100埃，对于Cr、Ni、Al优选可为30埃；在步骤505，将PS模板剥离，例如通过使用N甲酰二甲胺(DMF)，得到金属圆柱阵列；最后，在可任选的步骤506，用基于氟的反应离子蚀刻(RIE)来蚀刻金属，进一步减少其尺寸，得到所需的金属纳米点阵列。本领域技术人员当可理解，上述方法中使用的PS模板仅是示例。实际上，可以使用任何适当的自组装DBCP(二嵌段共聚物)，并利用其微相分离后的连续相作为模板。

然后，如图2D所示，可通过干法蚀刻或湿法蚀刻方法去除间隙填充物204以及该间隙填充物上的金属纳米点，以形成仅在所述鳍状结构202顶部具有金属纳米点的结构。图3C示出了与图2D所示结构相对应的结构的俯视图。在一个实施例中，一列金属纳米粒子至少部分地嵌入在鳍状结构202的顶部上。图4示出根据本发明的形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管方法的流程图。利用该方法可形成鳍式场效应晶体管的金属纳米点沟道。

首先，在步骤401，可通过适当的外延(例如，物理气相外延PVD、化学气相外延CVD、蒸发、溅射，或前述工艺的组合)、选择性掺杂(例如，扩散、离子注入)、蚀刻工艺(例如，干法刻蚀、湿法刻蚀、或二者的组合)在衬底上形成鳍状结构。优选地，鳍状结构的顶端可以是半圆柱形。在步骤402，通过选择性外延生长(例如，物理气相外延PVD、化学气相外延CVD、蒸发、溅射，或前述工艺的组合)在鳍状结构表面形成外延绝缘层。在步骤403，利用间隙填充物填充鳍状结构之间的间隙并且暴露鳍状结构的顶部，该间隙填充物可以是适当的旋涂材料。通常，采取旋涂法来填充间隙填充物，但本发明不受具体工艺手段的限制。作为替代方案，也可用喷涂法，电沉积法等工艺。在步骤404，应用电子束蒸镀(e-beamevaporator)工艺，利用共聚物微相分离所得的PS微孔模板来形成金属纳米点阵列(例如，可采用图5的具体工艺)。最后在步骤405，去除间隙填充物以及该间隙填充物上的金属纳米点，以形成仅在所述鳍状结构顶部具有金属纳米点的结构。根据间隙填充物的材料性质，可采取本领域的各种剥离/去除工艺来去除间隙填充物，例如，可采取使用N甲酰二甲胺(DMF)来进行剥离。某些情况下，去除间隙填充物后所得的金属点尺寸仍较大，此时可采取金属刻蚀工艺(例如RIE)来进一步减小金属点的尺寸，得到金属纳米点。

在完成上述步骤之后，可继续进行鳍式场效应晶体管其它部分的制造。除采用金属纳米点沟道外，根据本发明的FinFET晶体管与传统FinFET晶体管相似。由于本发明主要涉及晶体管的金属纳米点沟道的制造方法，因此未对其它部分进行详细描述。

本发明在传统FinFET晶体管结构上创新性地引入金属纳米点沟道。和基于QD-BNNT的晶体管相比，本发明无需采用BN纳米管结构所需的复杂工艺。

以上描述了本发明的若干实施例。然而，本发明可具体化为其它具体形式而不背离其精神或本质特征。所描述的实施例在所有方面都应被认为仅是说明性而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非前述描述限定。落入权利要求书的等效方案的含义和范围内的所有改变被权利要求书的范围所涵盖。

Claims

1.一种形成基于金属纳米点沟道的鳍式场效应晶体管的方法，包括：

形成部分嵌入衬底的鳍状结构；

在所述鳍状结构表面形成绝缘层；

利用间隙填充物填充所述鳍状结构之间的间隙；

暴露所述鳍状结构的顶部；

在所述间隙填充物和所述鳍状结构的顶部上形成金属纳米点阵列；以及

去除所述间隙填充物以及所述间隙填充物上的金属纳米点，以形成仅在所述鳍状结构顶部具有金属纳米点的结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述鳍状结构的材料是深掺杂的硅或深掺杂的氧化铝。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘层是氮化硼BN。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过外延生长来形成所述绝缘层。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过旋涂法施加所述间隙填充物。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间隙填充物是DUO。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成金属纳米点阵列的步骤包括：采用电子束蒸镀法，以带有微孔的沉积模板来沉积金属。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述带有微孔的沉积模板通过以下步骤制得：

沉积二嵌段共聚物DBCP；

使所沉积的DBCP微相分离，得到均匀分布的圆柱相的第一材料和连续相的第二材料；

以溶液去除圆柱相的第一材料，留下第二材料作为带有微孔的沉积模板。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述圆柱相的第一材料为PMMA，所述连续相的第二材料为PS。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过干法或湿法蚀刻工艺去除所述间隙填充物以及所述间隙填充物上的金属纳米点。

11.一种鳍式场效应晶体管，包括通过权利要求1至10中任一项所述方法制造的在鳍状结构顶部的金属纳米点沟道结构。