CN107039282A - 一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，该方法首先在半导体衬底上定义源极和漏极区域，对源极和漏极区域进行刻蚀，分别形成凹槽；通过常温或低温物理气相沉积在刻蚀好的凹槽中沉积半导体材料作为源极和漏极；其次通过激光退火使源极和漏极区域内沉积的半导体发生重结晶，形成源极和漏极p‑n结；最后沉积栅极绝缘层和金属栅极，形成半导体场效应晶体管器件。本发明方法通过常温/低温物理气相沉积技术，在半导体衬底刻蚀好的凹槽中沉积半导体材料作为源极和漏极，增大MOSFET器件中源漏p‑n结的掺杂浓度，减小源漏区域半导体沉积过程中的掺杂离子扩散。同时结合激光退火技术中激光脉冲时间极短的特点，抑制退火过程中掺杂离子的扩散。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料领域，涉及一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法。
背景技术
硅沟道场效应晶体管(Si MOSFET)是现代集成电路最基本的组成单元，是集成电路实现运算、存储等功能的基础。衡量MOSFET器件性能高低最主要的指标是器件的开启电流，通过缩小MOSFET器件沟道长度的方法能够提升器件的性能。经过半个世纪的技术进步，MOSFET器件的特征尺寸越来越小，目前量产级的MOSFET器件沟道长度已达到20nm。进一步缩小器件尺寸的方法将导致严重的短沟道效应，难以进一步提升集成电路性能。为了解决这一问题，提出了基于新沟道材料(如锗硅合金、锗)和新结构(如绝缘层上半导体结构、鳍型结构、纳米线结构)的MOSFET器件技术。国内外各大企业及科研机构均将新材料和新结构器件技术作为下一代高性能集成电路器件的候选方案之一。经过近年来的快速发展，在新沟道材料和新器件结构的MOSFET器件中获得了高于传统Si MOSFET器件的开启电流，显示了这些器件广阔的应用前景。
但是，无论采取何种沟道材料和器件结构，均需要利用很短的沟道长度提升MOSFET器件的开启电流。在短沟道MOSFET器件中，源极/漏极的漏电将显著增大，导致器件无法充分关断，使得电学性能劣化和功耗上升。因此，充分抑制器件中源极/漏极的漏电，是实现高性能MOSFET器件的关键问题之一。MOSFET器件的源极和漏极结构由p-n结形成，传统的制作方法包括离子注入、热扩散和化学气相沉积等。利用这些方法形成源漏p-n结，通过热或电场增加掺杂离子的能量，使得掺杂离子进入半导体的晶格中。由于掺杂离子在半导体中的扩散，难以形成掺杂浓度高、掺杂浓度梯度陡直的半导体p-n结，导致MOSFET器件的关断电流大。这些缺陷在当今集成电路规模越来越大的情况下，将造成集成电路产品功耗上升等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，通过该方法可以制备关断电流小的半导体场效应晶体管，在高性能逻辑器件以及超大规模集成电路等领域有广阔的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，该方法包括如下步骤：
(1)在半导体衬底上定义源极和漏极区域，对源极和漏极区域进行刻蚀，分别形成凹槽；
(2)通过常温或低温物理气相沉积在刻蚀好的凹槽中沉积半导体材料作为源极和漏极；所沉积的半导体材料的掺杂类型与半导体衬底的掺杂类型相反；
(3)通过激光退火使源极和漏极区域内沉积的半导体发生重结晶，形成源极和漏极p-n结；
(4)沉积栅极绝缘层和金属栅极，形成半导体场效应晶体管器件。
进一步地，所述步骤1中刻蚀工艺包括两步：第一步是利用反应等离子刻蚀或溶液刻蚀的方法在半导体衬底上形成凹槽，第二步是通过化学溶液表面处理或牺牲氧化减小凹槽的表面粗糙度。
进一步地，所述步骤2中在凹槽中沉积半导体的工艺为蒸镀或溅射。
进一步地，所述步骤3中的激光退火过程可以在大气气氛、真空气氛或包含但不限于氩气、氮气的保护气氛中进行。
进一步地，所述步骤3中，激光脉冲的时间为10飞秒至1纳秒，激光脉冲的能量为10毫焦耳每平方厘米至500豪焦耳每平方厘米。
进一步地，所述半导体衬底的材料包含但不限于锗、硅。
进一步地，所述半导体场效应晶体管器件的结构包含但不限于平面结构器件、绝缘层上半导体结构器件、鳍型结构器件、纳米线结构器件。
本发明的有益效果是：在MOSFET器件的源漏p-n结形成过程中，由于掺杂离子的扩散系数很大，导致源漏p-n结的掺杂浓度低、掺杂浓度梯度小等问题。本发明方法通过常温/低温物理气相沉积技术，在半导体衬底刻蚀好的凹槽中沉积半导体材料作为源极和漏极，增大MOSFET器件中源漏p-n结的掺杂浓度，减小源漏区域半导体沉积过程中的掺杂离子扩散。同时，结合激光退火技术中激光脉冲时间极短的特点，抑制退火过程中掺杂离子的扩散。有效解决了MOSFET器件制备过程中源漏p-n结掺杂浓度低、掺杂浓度梯度小的问题，从而充分减小MOSFET器件的关断电流，比传统的MOSFET器件源漏p-n结形成技术具有更好的前景。
附图说明
图1(a)为在锗衬底上生长绝缘层示意图；
图1(b)为在绝缘层刻蚀孔洞示意图；
图2(a)为在锗衬底刻蚀凹槽示意图；
图2(b)为在凹槽中沉积锗示意图；
图3(a)为刻蚀锗衬底上绝缘层直至锗衬底示意图；
图3(b)为在锗衬底上沉积绝缘层示意图；
图4(a)为激光退火示意图；
图4(b)为刻蚀锗衬底上绝缘层直至锗衬底示意图；
图5为在锗衬底上沉积栅氧化层和栅电极示意图；
图6为具有绝缘层上锗衬底结构的器件示意图；
图7(a)为鳍型结构场效应晶体管平行沟道方向的侧面视图；
图7(b)为鳍型结构场效应晶体管垂直沟道方向的侧面视图；
图7(c)为鳍型结构场效应晶体管平行沟道方向的沟道剖面图；
图7(d)为鳍型结构场效应晶体管垂直沟道方向的沟道剖面图；
图8(a)为纳米线结构场效应晶体管平行沟道方向的侧面视图；
图8(b)为纳米线结构场效应晶体管垂直沟道方向的侧面视图；
图8(c)为纳米线结构场效应晶体管平行沟道方向的沟道剖面图；
图8(d)为纳米线结构场效应晶体管垂直沟道方向的沟道剖面图；
图中，锗衬底10、第一绝缘层11、锗20、第二绝缘层30、锗源漏40、栅氧化层50、栅电极51、埋氧化层61、支撑衬底60。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，包括如下步骤：
(1)在半导体衬底上定义源极和漏极区域，对源极和漏极区域进行刻蚀，分别形成凹槽；
(2)通过常温或低温物理气相沉积在刻蚀好的凹槽中沉积半导体材料作为源极和漏极；所沉积的半导体材料的掺杂类型与半导体衬底的掺杂类型相反；
(3)通过激光退火使源极和漏极区域内沉积的半导体发生重结晶，形成源极和漏极p-n结；
(4)沉积栅极绝缘层和金属栅极，形成半导体场效应晶体管器件。
进一步地，所述步骤1中刻蚀工艺包括两步：第一步是利用反应等离子刻蚀或溶液刻蚀的方法在半导体衬底上形成凹槽，第二步是通过化学溶液表面处理或牺牲氧化减小凹槽的表面粗糙度。
进一步地，所述步骤2中在凹槽中沉积半导体的工艺为蒸镀或溅射。
进一步地，所述步骤3中的激光退火过程可以在大气气氛、真空气氛或包含但不限于氩气、氮气的保护气氛中进行。
进一步地，所述步骤3中，激光脉冲的时间为10飞秒至1纳秒，激光脉冲的能量为10毫焦耳每平方厘米至500豪焦耳每平方厘米。
进一步地，所述半导体衬底的材料包含但不限于锗、硅。
进一步地，所述半导体场效应晶体管器件的结构包含但不限于平面结构器件、绝缘层上半导体结构器件、鳍型结构器件、纳米线结构器件。
实施例1：本实施例中，半导体衬底为锗衬底10，制备方法包括如下步骤：
(1)如图1(a)所示，在锗衬底10上沉积第一绝缘层11，第一绝缘层11的材料可以为氧化硅或氮化硅，厚度约为几百纳米；
(2)如图1(b)所示，利用光刻和刻蚀的方法在第一绝缘层11上刻蚀孔洞直至锗衬底10，孔洞的位置为Ge MOSFET器件的源漏区域；
(3)如图2(a)所示，在锗衬底10上形成凹槽结构。第一步是以第一绝缘层11作为掩模，利用反应等离子刻蚀或溶液刻蚀锗衬底10形成凹槽，凹槽的深度为几纳米至几十纳米，第二步是通过化学溶液表面处理或牺牲氧化减小锗衬底10上凹槽结构内的表面粗糙度；
(4)如图2(b)所示，在第(3)步中锗衬底10上的凹槽中通过蒸镀、溅射等方法在常温或低温下沉积高掺杂浓度的锗20，其中锗20中掺杂离子的原子浓度约为1％。当锗衬底10为p型时，所沉积的锗20为n型，当锗衬底10为n型时，所沉积的锗20为p型；
(5)如图3(a)所示，通过刻蚀工艺除去锗衬底10上作为掩模的第一绝缘层11，直至锗衬底10表面；
(6)如图3(b)所示，在锗衬底10上沉积对衬底起保护作用的第二绝缘层30，第二绝缘层30的材料可以为氧化硅或氮化硅，厚度约为几百纳米；
(7)如图4(a)所示，在氮气、氩气或其他保护气氛中，利用激光脉冲对第(6)步中得到的结构进行退火，使得锗衬底10上凹槽中沉积的锗20结晶生成锗源漏40；激光脉冲的时间为10飞秒至1纳秒，激光脉冲的能量为10毫焦耳每平方厘米至500豪焦耳每平方厘米；
(8)如图4(b)所示，通过刻蚀工艺出去锗衬底10上的第二绝缘层30，直至锗衬底10的表面；
(9)如图5所示，通过在锗衬底10上沉积栅氧化层50和栅电极51，完成Ge MOSFET器件的制备。其中栅氧化层50和栅电极51的边缘与器件中锗源漏40的边缘平齐或超出锗源漏40的边缘。
(10)图6为具有绝缘层上锗衬底结构、通过本实施例制备的Ge MOSFET器件的结构示意图，其中埋氧化层61位于支撑衬底60上，锗衬底10位于埋氧化层61上；
(11)图7为具有鳍型结构、通过本实施例制备的Ge MOSFET器件的结构示意图；
(12)图8为具有纳米线结构、通过本实施例制备的Ge MOSFET器件的结构示意图，其中支撑衬底60可以为锗，也可以为其他半导体材料。
Claims (7)
1.一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在半导体衬底上定义源极和漏极区域，对源极和漏极区域进行刻蚀，分别形成凹槽；
(2)通过常温或低温物理气相沉积在刻蚀好的凹槽中沉积半导体材料作为源极和漏极；所沉积的半导体材料的掺杂类型与半导体衬底的掺杂类型相反；
(3)通过激光退火使源极和漏极区域内沉积的半导体发生重结晶，形成源极和漏极p-n结；
(4)沉积栅极绝缘层和金属栅极，形成半导体场效应晶体管器件。
2.根据权利要求1所述的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，所述步骤1中刻蚀工艺包括两步：第一步是利用反应等离子刻蚀或溶液刻蚀的方法在半导体衬底上形成凹槽，第二步是通过化学溶液表面处理或牺牲氧化减小凹槽的表面粗糙度。
3.根据权利要求1所述的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，所述步骤2中在凹槽中沉积半导体的工艺为蒸镀或溅射。
4.根据权利要求1所述的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，所述步骤3中的激光退火过程可以在大气气氛、真空气氛或包含但不限于氩气、氮气的保护气氛中进行。
5.根据权利要求1所述的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，所述步骤3中，激光脉冲的时间为10飞秒至1纳秒，激光脉冲的能量为10毫焦耳每平方厘米至500豪焦耳每平方厘米。
6.根据权利要求1所述的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，所述半导体衬底的材料包含但不限于锗、硅。
7.根据权利要求1所述的一种制备高性能半导体场效应晶体管器件的方法，其特征在于，所述半导体场效应晶体管器件的结构包含但不限于平面结构器件、绝缘层上半导体结构器件、鳍型结构器件、纳米线结构器件。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| QINGCHUN ZHANG，ETAL: "Drive-Current Enhancement in Ge n-Channel MOSFET Using Laser Annealing for Source/Drain Activation", 《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》 * |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112701044A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 中国科学院半导体研究所 | 应变锗沟道晶体管及其制备方法 |
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