CN105789283A - 基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于新型High‑K材料的GeSn沟道场效应晶体管，主要解决现有基于现有介质材料的场效应晶体管，静态功耗大的问题。其包括：衬底(1)、沟道(2)、绝缘介质薄膜(3)、栅电极(4)、源极(5)和漏极(6)，衬底(1)采用的单晶半导体材料；该沟道(2)，采用Sn组分为[0.05，0.12]的通GeSn复合材料；该绝缘介质薄膜(3)采用介电常数在3.9～80范围的高介电常数材料；该栅电极(4)和绝缘介质薄膜(3)自上而下覆盖沟道(2)的正上方。本发明可在不提高工艺成本且满足等效氧化层厚度的前提下，提高栅极介电层的物理厚度，降低栅极漏电流，减小静态功耗，进而提升场效应晶体管的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种GeSn高迁移率沟道场效应晶体管的制作方法，可用于制作大规模集成电路。
背景技术
随着集成电路的进一步发展，芯片特征尺寸的进一步缩小，高集成度和超低功耗已成为微电子行业的最新趋势。根据ITRS数据显示，当特征尺寸缩小到32nm节点时，功耗将会是预计趋势的8倍，即随着特征尺寸的逐步缩小，传统材料的MOS器件就功耗方面将不能满足需求。2011年，在微电子顶级会议IEDM上，GeSn场效应晶体管首次被成功制备并提出，其迁移率相对常规Ge场效应晶体管提高了66％，极大的提高了驱动电流，降低了静态功耗的影响。
目前，场效应晶体管的制备工艺中，已经产业化的栅介质材料是氧化硅。氧化硅作为主要半导体材料Si的自然氧化物，不仅工艺简单，而且来源极其丰富，节省了大量的工艺成本。但是，随着特征尺寸的不断下降，为延续标准集成电路工艺的成本优势，栅电极包括介电层在内，都将按比例缩小，从而引发一系列的性能问题，包括驱动电流下降，可靠性下降，静态功耗上升等。
针对上述问题，各国科学家对High-K材料展开了大量的研究。如，HfO2相对介电常数约为氧化硅8倍已广泛应用与实验器件的制备，在不改变物理结构的同时，提高了等效氧化层厚度，从而改善晶体管特性。但是，随着物理厚度的进一步降低，栅极漏电流上升，大量的静态功耗仍是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管及其制作方法，以提高栅介质物理厚度，降低静态功耗。
本发明的技术方案是这样实现的：
理论研究和实验证明，通过高介电常数栅极介质材料的应用，在不改变工艺难度的前提下，实现相同甚至更高的等效氧化层厚度，可提高栅极介质层的物理厚度，从而减少栅极漏电流，降低静态功耗。
1.一种基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管，包括：衬底(1)、沟道(2)、绝缘介质薄膜(3)、栅电极(4)、源极(5)和漏极(6)，该衬底(1)采用的IV族单晶半导体材料；该沟道(2)，采用通式为Ge1-xSnx的GeSn单晶材料，其中x为Sn的组分，且0.05≤x≤0.12；该栅电极(4)和绝缘介质薄膜(3)自上而下覆盖于沟道(2)的正上方，其特征在于：绝缘介质薄膜(3)采用介电常数在3.9～80范围的高介电常数材料。
所述3.9～80范围的高介电常数材料包括，La2O3，LaAlO3，Ta2O5，ZrO2，Y2O3，HfLaAlO，SrTiO3和TiAlO3，Ga2O3。
2.基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底(1)上外延Sn组分为0.05～0.12的GeSn复合材料，形成沟道层；
2)利用原子层淀积工艺，在沟道层上淀积High-K介质，即以包含相应High-k元素的气体作为前驱体，以N2为吹扫气体，在180～280℃的温度下反应淀积相应薄膜，形成绝缘介质层；
3)利用磁控溅射工艺，在绝缘介质层上生长TaN形成电极层；
4)利用刻蚀工艺，将绝缘介质层和电极层四周多余部分刻蚀掉，在中间形成电极、绝缘介质和沟道垂直分布的结构；
5)对与沟道层中的源极区和漏极区分别进行离子注入，即在源极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B/P元素，形成P+/N+掺杂的源极(5)；在漏极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B/P元素，形成P+/N+掺杂漏极(6)；
本发明的具有如下优点：
本发明的绝缘介质薄膜由于采用介电常数在3.9～80范围的高介电常数材料，可在不提高工艺成本且满足等效氧化层厚度的前提条件下，极大的提高栅极介电层的物理厚度，降低栅极漏电流，减小静态功耗，进而提升了场效应晶体管的整体性能。
附图说明
图1为本发明场效应晶体管的结构图；
图2为本发明场效应晶体管的制作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管包括：衬底1、沟道2、绝缘介质薄膜3、栅电极4、源极5及漏极6，其中源极5、沟道2、漏极6从左向右依次分布于衬底1上，栅电极4和绝缘介质薄膜3由上而下覆盖在沟道2上。
绝缘介质薄膜3采用介电常数在3.9～80范围的高介电常数材料。
所述3.9～80范围的高介电常数材料包括，La2O3，LaAlO3，Ta2O5，ZrO2，Y2O3，HfLaAlO，SrTiO3和TiAlO3，Ga2O3。
参照图2，本发明制作基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管的方法，给出如下三种实施例。
实施例1：制作基于LaAlO3材料的Ge0.95Sn0.05沟道场效应晶体管。
步骤1：外延沟道层
利用分子束外延工艺，在Si衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.95、Sn组分为0.05的GeSn复合材料，形成沟道2，如图2b。
步骤2：淀积绝缘介质薄膜和栅电极层
利用原子层淀积工艺，在环境温度为180℃的N2、O2氛围下，以镧、三甲基铝和臭氧作为前驱体，在沟道层上方淀积新型High-K介质LaAlO3形成绝缘介质薄膜，如图2c；再在绝缘介质薄膜上沉积TaN薄膜作为形成栅电极层，如图2d。
步骤3：刻蚀形成栅极
利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将栅电极层和绝缘介质薄膜层四周多余部分刻蚀，形成由绝缘介质薄膜3和栅电极4构成的栅极，如图2e。
步骤4：离子注入形成源极和漏极
在源极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B元素，形成P+掺杂的源极5；
在漏极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B元素，形成P+掺杂的漏极6，如图2f，从而完成器件制备。
实施例2：制作基于La2O3材料的Ge0.9Sn0.1沟道场效应晶体管
步骤一：利用分子束外延工艺，在Ge衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.90、Sn组分为0.10的GeSn复合材料，形成沟道2，如图2b；
步骤二：利用原子层淀积工艺，在环境温度为280℃的N2、O2氛围下，以镧作为前驱体，在沟道层上方淀积新型High-K介质La2O3形成绝缘介质薄膜，如图2c；再在绝缘介质薄膜上沉积TaN薄膜作为形成栅电极层，如图2d。
步骤三：利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将栅电极层和绝缘介质薄膜层四周多余部分刻蚀，形成由绝缘介质薄膜3和栅电极4构成的栅极，如图2e。
步骤四：对有源区进行离子注入形成源极5、沟道2和漏极6从左往右依次分布的结构，从而完成器件制备。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
实施例3：制作基于ZrO2材料的Ge0.88Sn0.12沟道场效应晶体管。
第一步：外延沟道层
利用分子束外延工艺，在SOI衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.88、Sn组分为0.12的GeSn复合材料，形成沟道2，如图2b；
第二步：淀积绝缘介质薄膜和栅电极层
利用原子层淀积工艺，在环境温度为240℃的N2、O2氛围下，以Zr作为前驱体，在沟道层上方淀积新型High-K介质ZrO2形成绝缘介质薄膜，如图2c；再在绝缘介质薄膜上沉积TaN薄膜作为形成栅电极层，如图2d。
第三步：刻蚀形成栅极
利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将栅电极层和绝缘介质薄膜层四周多余部分刻蚀，形成由绝缘介质薄膜3和栅电极4构成的栅极，如图2e。
第四步：对有源区进行离子注入形成源极5、沟道2和漏极6从左往右依次分布的结构，从而完成器件制备。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，例如绝缘介质薄膜除了上述LaAlO3，La2O3，ZrO2以外，还包括Ta2O5，Y2O3，HfLaAlO，SrTiO3、TiAlO3和Ga2O3。
Claims (6)
1.基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管，包括：衬底(1)、沟道(2)、绝缘介质薄膜(3)、栅电极(4)、源极(5)和漏极(6)，该衬底(1)采用的IV族单晶半导体材料；该沟道(2)，采用通式为Ge1-xSnx的GeSn单晶材料，其中x为Sn的组分，且0.05≤x≤0.12；该栅电极(4)和绝缘介质薄膜(3)自上而下覆盖于沟道(2)的正上方，其特征在于：绝缘介质薄膜(3)采用介电常数在3.9～80范围的高介电常数材料。
2.如权利要求1所述的基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管，其特征在于：绝缘介质薄膜(3)采用的3.9～80范围的高介电常数材料包括，La2O3，LaAlO3，Ta2O5，ZrO2，Y2O3，HfLaAlO，SrTiO3和TiAlO3，Ga2O3。
3.基于新型High-K材料的GeSn沟道场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底(1)上外延Sn组分为0.05～0.12的GeSn复合材料，形成沟道层；
2)利用原子层淀积工艺，在沟道层上淀积High-K介质，即以包含相应High-k元素的气体作为前驱体，以N2为吹扫气体，在180～280℃左右反应淀积相应薄膜，形成绝缘介质层；
3)利用磁控溅射工艺，在绝缘介质层上生长TaN形成电极层；
4)利用刻蚀工艺，将绝缘介质层和电极层四周多余部分刻蚀掉，在中间形成电极、绝缘介质和沟道垂直分布的结构；
5)对与沟道层中的源极区和漏极区分别进行离子注入，即在源极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B/P元素，形成P+/N+掺杂的源极(5)；在漏极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B/P元素，形成P+/N+掺杂漏极(6)。
4.如权利要求3所述的方法：其中所述步骤1)的分子束外延，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在180℃和10-4pa压强下外延GeSn层。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述步骤3)的磁控溅射工艺，通过Ar离子轰击TaN靶材，在100℃条件下，使之沉积形成TaN薄膜。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述步骤4)的刻蚀工艺，是利用氯基原子团，在光刻胶的掩蔽作用下，刻蚀TaN和High-K。
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