DE112012000310B4 - SILICIUM-NANORÖHREN-MOSFET und HERSTELLUNGSVERFAHREN - Google Patents
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Abstract
Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit, die aufweist:
ein zylinderförmiges inneres und ein röhrenförmiges äußeres Gate (61, 50), die durch eine röhrenförmige Si-Schicht (30) voneinander getrennt sind; und
ein Source (35) und einen Drain (31), die durch Abstandshalter (51, 41) getrennt sind, welche das zylinderförmige innere Gate (61) umgeben und zwischen welchen das röhrenförmige äußere Gate (50) angeordnet ist;
wobei das äußere Gate (50) eine hohle zylindrische oder röhrenförmige Gestalt aufweist und wobei zwischen der röhrenförmigen Si-Schicht (30) und dem äußeren Gate (50) ein äußeres Gate-Dielektrikum (22) angeordnet ist und
wobei zwischen dem zylinderförmigen inneren Gate (61) und dem Source (35) sowie der röhrenförmigen Si-Schicht (30) eine dielektrische Gateschicht (25) und zwischen dem zylinderförmigen inneren Gate (61) und dem Drain (31) eine dielektrische Schicht (26) auf einer horizontalen Oberfläche einer Schicht (31) am Boden des hohlen Zylinders angeordnet ist, wobei das Source (35) aus selbstjustiert epitaxial aufgewachsenem Silicium hergestellt ist und wobei Kontakte zu dem äußeren Gate (50) und dem Drain (31) gebildet sind.
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Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf röhrenförmige Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET, metal-oxide-semiconductor field effect transistor)-Strukturen und spezieller auf eine Si-Nanoröhren-MOSFET-Einheit sowie Verfahren zur Herstellung derselben.
- HINTERGRUND
- Eine kontinuierliche Skalierung von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf Silicium-Basis hat zu unaufhaltsamen Fortschritten in der Halbleitertechnologie beigetragen. Nähert sich die Größenordnung der Einheit Nanometer-Bereichen, steht eine weitere Skalierung von Halbleitereinheiten vor verschiedenen Herausforderungen. Einige Herausforderungen ergeben sich aus der quantenmechanischen Natur von Materialeigenschaften bei atomaren Abmessungen, wie dem Gate-Tunnelstrom. Einige weitere Herausforderungen ergeben sich aus der stochastischen Natur von Materialeigenschaften, wie Fluktuationen in der Dotierstoffkonzentration auf einer mikroskopischen Skala und einer daraus resultierenden Schwankungsbreite der Schwellenspannung und des Leckstroms an Halbleiterübergängen. Diese und weitere Herausforderungen in der Halbleitertechnologie haben das Interesse an Halbleitereinheiten mit einer unüblichen Geometrie aufgefrischt.
- Eine technologische Lösung, die zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)-Einheiten entwickelt und in umfangreicher Weise in hochentwickelten Halbleitereinheiten verwendet wurde, ist die Halbleiter-auf-Isolator(SOI, semicdonductor on insulator)-Technologie. Obwohl ein SOI-MOSFET durch Bereitstellen eines höheren Ein-Stroms und einer geringeren parasitären Kapazität zwischen dem Body und anderen MOSFET-Komponenten typischerweise Vorteile gegenüber einem MOSFET mit vergleichbaren Abmessungen bietet, der auf einem Volumensubstrat aufgebaut ist, tendiert der SOI-MOSFET dazu, aufgrund eines „History-Effekts“ oder eines „Floating-Body-Effekts“, bei denen das Potential des Bodys und darauf folgend die zeitliche Steuerung des Einschalt- und des Ein-Stroms des SOI-MOSFET von der bisherigen Geschichte des SOI-MOSFET abhängig sind, eine geringere Beständigkeit im Betrieb der Einheit aufzuweisen. Des Weiteren ist außerdem die Höhe des Leckstroms von der Spannung des floatenden Bodys abhängig, was beim Entwurf von SOI-MOSFETs für geringe Leistungen eine Herausforderung darstellt.
- Der Body eines SOI-MOSFET speichert Ladung, was von der Geschichte der Einheit abhängig ist, und wird folglich ein „floatender“ Body. Von daher zeigen MOSFETs Schwellenspannungen, die schwierig vorherzusehen und zu steuern sind und die hinsichtlich der Zeit variieren. Die Body-Ladungsspeichereffekte resultieren in einem dynamischen Leckstrom unterhalb der Schwellenspannung (sub-VT) und einer Fehlanpassung der Schwellenspannung (Vt) zwischen geometrisch identischen benachbarten Einheiten.
- Die „Floating-Body“-Effekte in SOI-MOSFETs sind insbesondere ein Anliegen bei Anwendungen wie statischen Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff (SRAM-Zellen, static random access memory cells), bei denen ein Abgleich der Schwellenspannung (Vt) äußerst wichtig ist, da Betriebsspannungen weiterhin herunterskaliert werden. Der floatende Body stellt außerdem ein Verlust-Problem für Durchlass-Gate-Einheiten dar. Eine weitere exemplarische Halbleitereinheit, bei der die Floating-Body-Effekte ein Anliegen sind, ist eine attackierte SOI-MOSFET-Struktur, wie sie in Logik-Gattern verwendet wird, bei welcher der leitfähige Zustand der SOI-MOSFET-Einheiten höher oben im Stapel stark von gespeicherter Body-Ladung beeinflusst ist, was zu einer verringerten Gate-zu-Source-Spannungsübersteuerung führt, die für diese Einheiten zur Verfügung steht. Noch weitere exemplarische Halbleitereinheiten, bei denen eine Steuerung des floatenden Bodys kritisch ist, sind Leseverstärker für SRAM-Schaltkreise und Stromsteuerungen in einem Stromspiegelschaltkreis.
- Ein weiteres Problem, das mit SOI-MOSFETs verknüpft ist, bezieht sich auf eine Selbsterwärmung, die von einem hohen Stromfluss aufgrund des I2R-Gesetzes verursacht wird. Da die BOX eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, baut sich die Wärme in dem SOI weiter auf, was zu einer Ladungsträger-Streuung führt, was wiederum zu einer Treiberstromdegradation führt.
- Aus der
DE 102 50 834 A1 sind eine Speicherzelle, eine Speicherzellen-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle bekannt. Offenbart ist es, dass die Speicherzelle einen Vertikal-Schalt-Transistor und einen SpeicherKondensator aufweist, wobei der Vertikal-Schalt-Transistor eine halbleitende Nanostruktur aufweist, die auf zumindest einem Teil des Speicher-Kondensators aufgewachsen ist. - Aus der
DE 102 50 868 A1 sind ein vertikal integriertes Bauelement, eine Bauelement-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen eines vertikal integrierten Bauelements bekannt. Das vertikal integrierte Bauelement hat eine erste elektrisch leitfähige Schicht, eine teilweise aus dielektrischem Material ausgebildete Mittel-Schicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht auf der Mittel-Schicht und eine in ein in die Mittel-Schicht eingebrachtes Durchgangsloch integrierte Nanostruktur mit einem ersten, mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht gekoppelten Endabschnitt und mit einem zweiten, mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gekoppelten Endabschnitt. Die Mittel-Schicht weist zwischen zwei benachbarten dielektrischen Teilschichten eine dritte elektrisch leitfähige Schicht auf, deren Dicke geringer ist als, die Dicke von zumindest einer der dielektrischen Teilschichten. - Aus der
US 2009 / 0 159 964 A1 - Aus der
US 5 561 308 A ist eine Halbleitervorrichtung und insbesondere eine Zellenstruktur eines DRAM unter Verwendung eines Dünnfilmtransistors bekannt. Das Halbleiterbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten ersten Isolationsfilm, eine Gate-Elektrode und einen auf dem ersten Isolationsfilm nacheinander gebildeten zweiten Isolationsfilm, wobei ein Graben so ausgebildet ist, dass er sich durch die zweite Isolierung erstreckt. Ein zylindrischer Gate-Isolierfilm ist auf einer Oberfläche der Gate-Elektrode ausgebildet, die in dem Graben freiliegt. Ein Kondensatorisolierfilm ist auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet, die in dem Graben freigelegt ist. Ein zylindrischer leitfähiger Film ist innerhalb dieser Isolierfilme ausgebildet. - Der zylindrische leitende Film umfasst einen Bereich, der mit einer Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist und auf einer Oberfläche des Gate-Isolierfilms ausgebildet ist, einen Bereich, der mit einer Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist und auf einer Oberfläche des zweiten Isolierfilms ausgebildet ist Bereich, der mit einer Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert und auf einer Oberfläche des Kondensatorisolierfilms ausgebildet ist.
- Aus der
US 2009 / 0 032 849 A1 - Die
US 6 262 448 B1 betrifft eine Halbleiterstruktur und insbesondere eine dynamische Direktzugriffsspeicherstruktur. Eine DRAM-Zelle ist in einem elektrisch isolierten Bereich eines Halbleiterkörpers angeordnet. Die Zelle enthält einen Speicherkondensator, der in einem Graben angeordnet ist. Der Kondensator ist vollständig innerhalb des isolierten Bereichs des Halbleiterkörpers angeordnet. Die Zelle enthält einen Transistor, der in dem isolierten Bereich angeordnet ist. Der Transistor hat ein Paar von Gates. Eine Wortleitung ist zum Adressieren der Zelle vorgesehen und weist einen elektrischen Kontaktbereich zu dem Transistor auf, welcher vollständig innerhalb des isolierten Bereichs des Halbleiterkörpers angeordnet. - Im Hinblick auf das Vorstehende besteht ein Bedarf an Halbleitereinheiten, die in der Lage sind, den Floating-Body-Effekt, den Selbsterwärmungseffekt zu minimieren, um eine beständige Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Des Weiteren besteht ein Bedarf an einer Halbleiterstruktur, die den Floating-Body-Effekt vorteilhaft einsetzt, um eine nutzbare Funktion durchzuführen, und an neuartigen Verfahren zur Herstellung derselben. Außerdem besteht in der Industrie ein Bedarf an einer Halbleitereinheit, die in der Lage ist, die Leistungsfähigkeit zum Beispiel mittels Erhöhen des Ein-Stroms pro Einheitsfläche der Einheit gegenüber existierenden Halbleitereinheiten zu verbessern.
- Figurenliste
- Die folgende detaillierte Beschreibung, die beispielhaft angegeben und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung lediglich darauf zu beschränken, wird am besten in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente und Teile bezeichnen, in denen:
-
1 einen Querschnitt einer Seitenansicht eines ersten Herstellungsprozessschritts der nanoröhrenförmigen FET-Einheit zeigt, der ein SOI-Substrat zeigt; -
2 ein Querschnitt einer Seitenansicht einer bedeckenden Hartmaskenschicht ist, die auf der Oberseite des SOI-Substrats abgeschieden wird; -
3 einen Teil der oberen Schicht darstellt, die vertikal heruntergeätzt wird, wobei eine Mesa-Struktur verbleibt, welche die Gestalt einer Struktur aufweist, die durch die zweidimensionale Gestalt der Deckschicht darüber festgelegt ist; -
4 eine Opfer-Siliciumoxidschicht zeigt, die mittels Abscheiden des Oxids und Zurückätzen erzeugt wurde; -
5 das Bilden der Außenseite der Röhre darstellt; -
6 ein äußeres Gate-Oxid-Dielektrikum zeigt, das auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur und auf der Oberseite der bedeckenden Mesa ausgebildet wird; -
7 das Abscheiden einer äußeren Gate-Elektrode auf den dielektrischen Schichten darstellt; -
8 die äußere Gate-Elektrode und die dielektrische Gate-Oxidschicht zeigt, die teilweise entfernt sind, gefolgt von einer dielektrischen Schicht, die zur Bildung eines Abstandshalters abgeschieden wurde; -
9 eine Opferschicht darstellt, welche die obere dielektrische Schicht umgibt, gefolgt von einer Planarisierung; -
10 ein teilweises Entfernen des oberen Dielektrikums darstellt, das die Bedeckung freilegt; -
11 ein Entfernen der verbliebenen Opferschicht darstellt, gefolgt von einem Aufwachsen einer einkristallinen Siliciumschicht durch ein laterales Auswachsen; -
12 eine TEOS-Schicht zeigt, die eingesetzt und planarisiert wird; -
13 alle die Schichten zeigt, welche die Mesa freilegen; -
14 einen Graben darstellt, der durch mehrere Schichten hindurch gegraben wird, um eine hohle Röhre zu bilden; -
15 eine dielektrische Gate-Schicht darstellt, die auf der vertikalen Wand des Grabens abgeschieden wird, wobei eine dielektrische Schicht auf der horizontalen Bodenfläche des Grabens gebildet wird; -
16 das innere Gate darstellt, das mittels Auffüllen des Grabens mit einem leitfähigen Material gebildet wird; -
17 eine dielektrische Schicht zeigt, die bei der Herstellung zur Kontaktbildung eingesetzt wird, wobei ein Seitenwandabstandshalter gebildet wird, der das innere Gate umgibt; -
18 und19 Seitenansichten der endgültigen Si-Nanoröhren-Einheit zeigen, bei der Kontakte gebildet wurden und die eine dielektrische Schicht beinhaltet, welche die Zwischenräume zwischen den Kontakten füllt, wobei18 eine Seitenansicht entlang eines Schnitts mit der BezeichnungA -A' und19 entlang eines Schnitts mit der BezeichnungB -B' zeigt (siehe20 ); -
20 eine Ansicht von oben nach unten zeigt, die eine Ausführungsform der endgültigen Struktur der Erfindung darstellt und die Source, den Drain, das innere Gate und das äußere Gate sowie den Zwischenraum dazwischen zeigt, der mit einem Dielektrikum gefüllt ist; -
21 eine dreidimensionale perspektivische Ansicht des fertiggestellten Nanoröhren-MOSFET ist, die das innere und das äußere Gate darstellt, wobei das letztere mittels Abstandshaltern getrennt von dem Drain beziehungsweise der Source des FET gezeigt ist; und -
22 eine weitere dreidimensionale perspektivische Ansicht des Nanoröhren-MOSFET zeigt, bei dem das innere Gate von einem röhrenförmigen inneren Gate-Oxid umgeben ist, das wiederum von einer röhrenförmigen Si-Schicht umgeben ist. Zwecks Klarheit ist die Source-Schicht entfernt. - KURZDARSTELLUNG
- In einem Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) in einer röhrenförmigen Konfiguration mit einem zylinderförmigen inneren und einem röhrenförmigen äußeren Gate bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden von vertikalem röhrenförmigem Silicium-auf-Silicium mit einer Schicht aus hoch dotiertem Material. Der hoch dotierte Bereich wird vorteilhafterweise als der drain-seitige Erweiterungsbereich eines röhrenförmigen Transistors verwendet. Eine Hartmaske wird abgeschieden, um den inneren Bereich der Röhre zu definieren. Unter Verwendung von Abfolgen von reaktivem lonenätzen (RIE) und selektivem Ätzen wird der äußere Gate-Stapel gebildet, der aus einem Gate-Dielektrikum (üblicherweise SiO2 oder High-K) und einem Gate-Material (Polysilicium- oder Metall-Gate) besteht. Der innere Bereich der Röhre wird unter Verwendung von RIE gebildet. Dem folgt eine Ionenimplantation, um die Source- oder die Drain-Erweiterung zu bilden. In der inneren Röhre werden ein dielektrisches und ein Gate-Material abgeschieden, um einen inneren Gate-Stapel zu bilden. Durch Verwenden von Selbstjustierung wird Si epitaxial aufgewachsen, um den Source-Bereich zu bilden. Schließlich werden unter Verwendung von Selbstjustierung und Ätzen von tiefen Gräben das innere Gate, das äußere Gate, die Source und der Drain silicidiert, und es werden Kontakte gebildet.
- In einem weiteren Aspekt einer Ausführungsform können die innere Gate-Elektrode und die äußere Gate-Elektrode mit der gleichen Spannungspolarität relativ zu dem Body der röhrenförmigen Halbleiterstruktur arbeiten, um auf beiden Seiten der Röhre Inversionsschichten zu induzieren und den Floating-Body-Effekt zu verringern sowie eine engere Kanalsteuerung zu ermöglichen. Alternativ können die innere Gate-Elektrode und die äußere Gate-Elektrode mit einer entgegengesetzten Polarität relativ zu der Source der röhrenförmigen Halbleiterstruktur arbeiten, um auf einer Seite der röhrenförmigen Halbleiterstruktur eine Inversionsschicht und auf der anderen Seite eine Akkumulationsschicht derart zu induzieren, dass der Floating-Body-Effekt verstärkt wird und der Nanoröhren-Transistor elektrische Ladungen als ein Speicherbauelement speichern kann.
- In einem weiteren Aspekt stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit bereit, die beinhaltet: ein zylinderförmiges inneres Gate, das von einer röhrenförmigen Si-Schicht umgeben ist; ein röhrenförmiges äußeres Gate, das die Si-Schicht umgibt; und eine Source und einen Drain, die durch Abstandshalter getrennt sind, die das zylinderförmige innere und das röhrenförmige äußere Gate umgeben.
- In einem weiteren Aspekt stellt eine Ausführungsform ein Verfahren zum Bilden einer nanoröhrenförmigen MOSFET-Einheit auf einem Substrat bereit, das umfasst: Bilden einer zylindrisch geformten Si-Schicht; Bilden eines äußeren Gates, das die zylindrische Si-Schicht umgibt und zwischen einem unteren Abstandshalter und einem oberen Abstandshalter angeordnet ist wobei zwischen der Si-Schicht und dem äußeren Gate eine Oxidschicht ausgebildet wird; Aufwachsen einer epitaxialen Siliciumschicht auf dem oberen Abstandshalter angrenzend an einen Teil der zylindrisch geformten Si-Schicht; Aufbringen einer dielektrischen Schicht auf der epitaxialen Siliziumschicht im Bereich einer ersten Schicht sowie einer zweiten Schicht mit nachfolgendem CMP panarisieren und chemischen Reinigen der dielektrischen Schicht; Freilegen der zylindrischen Si-Schicht durch Entfernen der ersten Schicht mittels eines selektiven Ätzprozesses gefolgt von einer Entfernung der zweiten Schicht; Ätzen eines inneren Teils des zylindrisch geformten Si-Schicht und eines Teils einer darunterliegenden Schicht, wobei ein hohler Zylinder gebildet wird, wobei das Ätzen eines inneren Teils der zylindrisch geformten Si-Schicht durch das Freiligen der zylindrischen Si-Schicht bewirkt ist; Ausbilden einer dielektrischen Gate-Schicht auf einer vertikalen Wand der Si-Schicht und der epitaxialen Siliziumschicht innerhalb des hohlen Zylinders und Ausbilden einer dielektrische Schicht auf einer horizontalen Oberfläche der Schicht am Boden des hohlen Zylinders; Bilden eines inneren Gates mittels Füllen des mit der Gate-Schicht und der dielektrischen Schicht beschichteten hohlen Zylinders, wobei der obere und der untere Abstandhalter das innere Gate umgeben; Bilden eines Seitenwandabstandshalters, welcher das über die Schicht herausragende innere Gate umgibt und oberhalb der Schicht ausgebildet wird und Ätzen eines tiefen Grabens, um auf das äußere Gate und den Drain zuzugreifen und diese zu kontaktieren.
- DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
- Hierin sind detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich illustrativ für die Erfindung sind, die in verschiedenen Formen ausgeführt werden kann. Außerdem ist beabsichtigt, dass jedes der Beispiele, die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung angegeben sind, illustrativ und nicht einschränkend ist. Des Weiteren sind die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, einige Merkmale können übertrieben dargestellt sein, um Details spezieller Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage zu interpretieren, um einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen.
- Bezugnehmend auf
1 ist eine Seitenansicht dargestellt, die in einer Ausführungsform zeigt, wie ein Halbleiter-auf-Isolator(SOI)-Teil definiert, strukturiert und geätzt wird, um das SOI-Substrat der vorliegenden MOSFET-Einheit zu bilden. Das SOI-Substrat beinhaltet vorzugsweise ein Handhabungssubstrat10 , eine Isolatorschicht20 , eine ‚vergrabene‘ Halbleiterschicht31 und eine ‚Body‘-Halbleiterschicht30 . Das Handhabungssubstrat10 kann unter Verwendung von Halbleitermaterial, metallischem Material oder isolierendem Material gebildet werden. Die Isolatorschicht20 besteht vorzugsweise aus einem Material wie einem dielektrischen Oxid und/oder einem dielektrischen Nitrid. Die vergrabene Schicht31 ist ein hoch dotiertes (d.h. leitfähiges) einkristallines Halbleitermaterial, das als eine leitfähige elektrische Schicht wirkt. Die Schichten30 und31 sind kristallographisch kompatible Materialien, z.B. Silicium und Siliciumgermanium, Si und SiGe oder III-V-kompatible Materialien, wie GaAs-InGaAs. Es werden verschiedene kristallographische Orientierungen ins Auge gefasst. Die Schicht31 kann bekannten Prozessen folgend salicidiert werden. - Die SOI-Schicht, die den SOI-Teil bereitstellt, kann jegliches halbleitende Material beinhalten, das Si, verspanntes Si, SiC, SiGe, SiGeC, Si-Legierungen, Ge, Ge-Legierungen, GaAs, InAs und InP oder jegliche Kombinationen derselben umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Die SOI-Schicht kann mittels Planarisierung, Schleifen, Nassätzen, Trockenätzen oder irgendeiner Kombination derselben auf eine gewünschte Dicke dünner gemacht werden. Ein Verfahren zum dünner Machen der SOI-Schicht besteht darin, das Halbleitermaterial, wie Silicium, mittels eines thermischen Trocken- oder Nassoxidationsprozesses zu oxidieren und dann die Oxidschicht unter Verwendung eines Fluorwasserstoffsäuregemisches nass zu ätzen. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, um die gewünschte Dicke zu erreichen.
- In einer Ausführungsform weist die SOI-Schicht eine Dicke in einem Bereich von 1,0 nm bis 20,0 nm auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die SOI-Schicht eine Dicke in einem Bereich von 2,0 nm bis 10,0 nm auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die SOI-Schicht eine Dicke in einem Bereich von 3,0 nm bis 5,0 nm auf. Es ist zu erwähnen, dass die vorstehende Dicke für die SOI-Schicht lediglich für illustrative Zwecke bereitgestellt wird, da weitere Dicken für die SOI-Schicht ins Auge gefasst wurden und in dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Struktur eingesetzt werden können.
- Die zweite Halbleiterschicht
30 kann ein halbleitendes Material sein, das Si, verspanntes Si, SiC, SiGe, SiGeC, Si-Legierungen, Ge, Ge-Legierungen, GaAs, InAs, InP ebenso wie weitere III/V- und II/VI-Verbindungshalbleiter umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt ist. - Die Halbleiterschicht
31 , die unter der SOI-Schicht liegend und oben auf der dielektrischen Schicht20 vorhanden sein kann, kann mittels Implantieren eines hochenergetischen Dotierstoffs in das SOI-Substrat und einer anschließenden Wärmebehandlung der Struktur zur Bildung eines hoch dotierten Bereichs gebildet werden. Der Dotierstoff wird mittels Ionenimplantation oder Gasphasendotierung durch die Halbleiterschicht30 in das Halbleitermaterial eingebracht, wobei die thermische Wärmebehandlung verwendet wird, wie vorstehend beschrieben. In einer weiteren Ausführungsform kann die Halbleiterschicht31 auf der Oberseite der Halbleiterschicht30 abgeschieden oder auf dieser aufgewachsen werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das SOI-Substrat10 unter Verwendung von Waferbondtechniken gebildet werden, wobei ein gebondetes Waferpaar unter Verwendung eines Klebstoffs, eines adhäsiven Polymers oder durch direktes Bonden gebildet wird. - Der SOI-Teil kann unter Verwendung von Abscheidungs-, Photolithographie- und selektiven Ätzprozessen aus der SOI-Schicht gebildet werden. Speziell wird ein Muster erzeugt, indem ein Photoresist an der zu ätzenden Oberfläche angebracht wird, das Photoresist einem Strahlungsmuster ausgesetzt wird und dann das Muster unter Verwendung eines Resistentwicklers in das Photoresist hinein entwickelt wird. Das Muster weist die Geometrie der gewünschten endgültigen Struktur des selektiven Ätzprozesses auf. Nach Beendigung der Strukturierung des Photoresists sind die Teilbereiche geschützt, die von dem Photoresist bedeckt sind, während die freigelegten Bereiche unter Verwendung eines selektiven Ätzprozesses entfernt werden, der die ungeschützten Bereiche entfernt.
- Bezugnehmend auf
2 wird eine Deckschicht40 auf der Oberseite der Schicht30 gebildet. Das bedeckende Material kann Nitrid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid und dergleichen sein. Die Schicht40 wird lithographisch strukturiert und chemisch in einen Teil40 bearbeitet, der eine zweidimensionale Form eines Kreises und eine vertikale Seitenwand aufweist. Andere zweidimensionale Formen, wie eine elliptische, quadratische, rechteckige und facettenreiche, sind möglich. Es wird angenommen, dass die Schicht40 vorzugsweise eine kreisförmige Gestalt annimmt, auch als ein kreisförmiger/röhrenförmiger Fleck bezeichnet. Die Dicke der Schicht40 beträgt vorzugsweise etwa 50 nm. Die Schicht40 wirkt sowohl als eine Schutzschicht als auch als die verankerte Schicht, aus der die Einheit in einem selbstjustierten Herstellungsprozess definiert und bezüglich der diese justiert wird. - Bezugnehmend auf
3 wird im Anschluss an die Bildung der Schicht40 ein Teil der Schicht30 vertikal herunter geätzt, wobei eine Mesa-Struktur gebildet wird, welche die Schichten30 ,32 und40 beinhaltet, wobei die Schichten30 und32 aus dem gleichen Material bestehen, vorzugsweise aus einkristallinem Silicium. Die Gestalt der Struktur ist durch die zweidimensionale Form von 40 vorgegeben. Verfahren zur Durchführung von vertikalem Ätzen umfassen RIE, kombiniertes Nassätzen und Trockenätzen ebenso wie weitere anisotrope Ätzprozesse. Es können zusätzliche Prozessschritte durchgeführt werden, z.B. eine Wasserstoff-Wärmebehandlung, um die vertikale Halbleiterwand anzugleichen und ihre Rauigkeit zu verringern. - Bezugnehmend auf
4 wird eine kreisförmige Opferseitenwand21 um die Nitridfleckenschichten40 und die Schicht32 herum und diese bedeckend errichtet, die bevorzugt aus einkristallinem Silicium besteht und an die Schicht30 angrenzt. Die Schicht21 wird unter Verwendung eines dielektrischen Materials gebildet, wie Oxid oder Nitrid. Verfahren zum Errichten einer Seitenwand von hoher Qualität sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt, z.B. die Verwendung einer Kombination aus einer Oxidabscheidung, einer Planarisierung und einem Zurückätzprozess, der eine Kombination von Nass- und Trocken(RIE)-Ätzen verwendet. Die Dicke der Schicht21 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 5 bis 10 nm. - Bezugnehmend auf
5 wird die Außenseite der Röhre nach dem Bilden der Struktur21 durch Ätzen entlang der Seiten der Schicht30 und durch teilweises Wegätzen der Teile der Schicht31 , die nicht durch die Schicht21 bedeckt sind, in einem Prozess ähnlich jenem gebildet, der in3 beschrieben ist. Die Tiefe, in welche in die Schicht31 hinein geätzt wird, ist ein kritischer Parameter für eine Optimierung der Leistungsfähigkeit der Einheit. Es ist von entscheidender Bedeutung, Abgleichprozesse durchzuführen, wie eine Wasserstoff-Wärmebehandlung, um eine glatte und gleichmäßig vertikale Wand sicherzustellen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Halbleiterschicht31 ein Bereich mit einer hohen Dotierstoffkonzentration im Vergleich zu der Halbleiterschicht30 ist. - Bezugnehmend auf
6 wird ein äußeres Gate-Oxid-Dielektrikum22 ,24 und41 auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur30 und31 und auf der Oberseite der Schichten21 und40 gebildet. Das Gate-Dielektrikum grenzt an die vertikale Wand der Struktur30 und31 an. Eine Gate-zu-Drain-Isolationsschicht41 wird auf der horizontalen Oberfläche der Struktur31 gebildet. Die Schicht22 und41 kann aus dem gleichen dielektrischen Material bestehen. Die Dicke der Schicht22 beträgt etwa 1 bis 10 nm, vorzugsweise zwischen 1,0 und 3 nm. Die Dicke der Schicht41 beträgt ungefähr 1 nm bis 30 nm, vorzugsweise 3 nm bis 10 nm. Die Schichten22 und41 können unter Verwendung eines thermischen Oxidations- und/oder eines thermischen Nitrierprozesses gleichzeitig gebildet werden. In ähnlicher Weise wird auch die Schicht24 vorzugsweise gleichzeitig mit den Schichten22 und41 gebildet. Darüber hinaus kann die Dicke von 41 unter Verwendung von einer der anisotropen Abscheidungstechniken erhöht werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, wie CVD, plasmaunterstützter Abscheidung mit hoher Dichte (HPD, high-density plasmaassisted deposition), atomarer Schichtabscheidung (ALD, atomic layer deposition), chemischer Abscheidung aus einem feinen Flüssigquellennebel (LSMCD, liquid source misted chemical deposition) und dergleichen. - Bezugnehmend auf
7 wird eine äußere Gate-Elektrode50 oben auf den Schichten21 ,22 ,41 und24 abgeschieden. Das verwendete Material umfasst ein Halbleitermaterial, eine leitfähige Legierung oder ein Metall. Das bevorzugte verwendete Material ist Polysilicium, wenngleich weitere leitfähige Materialien ins Auge gefasst werden. Die Bildung der vorstehend erwähnten Schichten beinhaltet bekannte Techniken, wie LPCVD, ALD und dergleichen. Das Material bedeckt die Struktur vollständig, so dass im nächsten Schritt ein Planarisierungsprozess ohne Risiko angewendet werden kann. - Bezugnehmend auf
8 wird die Schicht50 teilweise entfernt, erstens durch einen Planarisierungsprozess und zweitens unter Verwendung eines Trockenätzprozesses, wie RIE. Eine zusätzliche Wärmebehandlung kann durchgeführt werden, um die Dicke der verbliebenen Schicht50 zu steuern, die als das äußere Gate der Einheit wirkt. Dann wird ein dielektrisches Material (Schicht51 ) abgeschieden, wie Nitrid, Siliciumoxynitrid oder Siliciumoxid. Die Schicht51 ist dafür gedacht, als ein Abstandshalter zu wirken. - Nunmehr bezugnehmend auf
9 wird eine Schicht60 aus Opfermaterial abgeschieden, welche die Deckschicht51 umgibt, gefolgt von einer Planarisierung, wobei als das bevorzugte Material eine Polysilicium-Germanium-Legierung verwendet wird, die eine andere Ätzrate im Vergleich zu der Schicht51 aufweist, um die Schicht51 selektiv zu ätzen. - Bezugnehmend auf
10 wird die Schicht51 teilweise entfernt, bevorzugt zuerst mittels eines chemisch-mechanischen Polier(CMP)-Prozesses, der die Schicht40 freilegt. Als Nächstes wird das dielektrische Material51 unter Verwendung z.B. von Nassätzen oder RIE geätzt, wobei die Siliciumschichten30 und32 teilweise freigelegt werden. Dann wird eine Ionenimplantation an den freigelegten Schichten30 und32 durchgeführt. Der Zweck der Implantation besteht darin, den Source-Erweiterungsbereich zu bilden und eine gute Überlappung der Erweiterung und des Gates zu bilden. - Bezugnehmend auf
11 wird die verbliebene Schicht60 durch einen selektiven RIE-Ätzprozess entfernt. Dann wird eine einkristalline Siliciumschicht35 durch ein laterales Auswachsen aufgewachsen, bevorzugt durch einen in situ dotierten Prozess. Die Schicht ist hoch dotiert, um einen parasitären Widerstand zu verringern. Die Dotierstoffkonzentration variiert zwischen 1e19 und 1e21 cm-3, bevorzugt zwischen 1e20 und 5e20 cm-3. - Bezugnehmend auf
12 wird eine dielektrische Schicht27 , bevorzugt TEOS, abgeschieden und mittels CMP planarisiert und chemisch gereinigt. Die dielektrische Schicht kann eine andere Ätzrate im Vergleich zu den Schichten40 und32 aufweisen, um ein selektives Ätzen zu ermöglichen. Die Schicht40 wird freigelegt, um im nächsten Schritt entfernt zu werden. - Bezugnehmend auf
13 wird die Schicht40 unter Verwendung eines üblichen selektiven Ätzprozesses entfernt, gefolgt von einer Entfernung der Schicht32 . - Bezugnehmend auf
14 wird ein Graben durch die Schicht30 und teilweise durch die Schicht31 gegraben. In diesem Stadium ist eine spezifische Halbleitertopologie in der Gestalt eines hohlen Zylinders oder einer Röhre ausgebildet. Die Außenseite der Röhre ist von dem äußeren Gate-Oxid (Schicht22 ) und äußeren Gate-Materialien (Schicht50 ) umgeben. - Bezugnehmend auf
15 wird eine dielektrische Gate-Schicht25 auf der vertikalen Wand der Schicht30 innerhalb des Grabens abgeschieden. Eine dielektrische Schicht26 wird auf der horizontalen (unteren) Oberfläche der Schicht31 innerhalb des Grabens gebildet. Beide Schichten25 und26 können aus dem gleichen dielektrischen Material bestehen. Die Dicke der Schicht25 liegt in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm, vorzugsweise von 1,5 nm bis 3 nm, während die Dicke der Schicht26 in einem Bereich zwischen 1 nm und 30 nm und vorzugsweise 10 nm und 20 nm liegt. Die Schichten25 und26 können unter Verwendung von thermischen Oxidations- und/oder thermischen Nitrierprozessen eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Dicke des Oxids25 unter Verwendung von einer der anisotropen Abscheidungstechniken erhöht werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, wie CVD, plasmaunterstützter Abscheidung mit hoher Dichte (HPD), atomarer Schichtabscheidung (ALD), chemischer Abscheidung aus einem feinen Flüssigquellennebel (LSMCD) und dergleichen. - Bezugnehmend auf
16 wird das innere Gate61 mittels Füllen des Grabens mit einem leitfähigen Material gebildet, wie Polysilicium oder weiteren Metallen. Bei Bedarf kann vor dem Auffüllen des Grabens eine Gate-Deckschicht eingesetzt werden. Die Struktur wird vorteilhafterweise mittels CMP poliert, gefolgt von einem teilweisen Zurückätzen der Oxidschicht25 , um die gewünschte Topologie zu bilden. In diesem Stadium ist der angestrebte hohle, zylindrische Halbleiter ausgebildet, und er liegt sandwichartig zwischen inneren und äußeren Gate-Stapeln vor. Diese spezifische Topologie weist eine röhrenförmige Gestalt auf. Der so gebildete MOSFET, d.h. der MOSFET mit der angegebenen Gestalt, wird als Halbleiter-Nanoröhren-MOSFET bezeichnet. In dem speziellen Fall, in dem der Halbleiter Silicium ist, wird er als ein Si-Nanoröhren-MOSFET bezeichnet. - In
17 wird in Vorbereitung auf die Kontaktbildung eine dielektrische Schicht28 formiert. Das Ätzen des Seitenwandabstandshalters, der das innere Gate umgibt, erfolgt isotrop. - Bezugnehmend auf die
18 und19 sind Kontakte dargestellt, die gemäß einem üblichen Selbstjustierprozess gebildet wurden. -
20 ist eine Sicht von oben nach unten, welche die endgültige Struktur einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei die Sicht den mit einem Dielektrikum gefüllten Zwischenraum70 und Kontakte zeigt, wobei die Kontakte zu der Source35 , dem Drain31 , dem inneren Gate61 und dem äußeren Gate50 hergestellt wurden.18 ist eine Seitenansicht entlang eines Schnitts mit der BezeichnungA -A' , wobei die Seitenansicht die Kontakte zu der Source35 und dem innerem Gate61 zeigt.19 ist eine Seitenansicht entlang eines Seitenansicht mit der Bezeichnung B-B', wobei die Seitenansicht die Kontakte zu dem äußeren50 und inneren61 Gate, wobei die Kontakte zu dem Drain31 weggelassen sind. -
21 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht eines Teils des fertiggestellten Nanoröhren-MOSFET, die insbesondere die Schichten zeigt, die zwischen30 und35 angeordnet sind, d.h.41 ,50 und 51.21 zeigt eine perspektivische Ansicht auf der Grundlage von18 , wobei die Kontakte zwecks Klarheit weggelassen sind. -
22 basiert auf21 , wobei sie eine weitere dreidimensionale perspektivische Ansicht der Nanoröhren-MOSFET-Einheit zeigt, wobei die Schicht35 weggelassen ist, um das innere Gate-Dielektrikum und an dasselbe anschließende Schichten zu zeigen. - INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
- Die vorliegende Erfindung findet industrielle Anwendbarkeit im Entwurf und der Herstellung von Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Einheiten, die in integrierten Schaltkreischips eingebaut sind, die in einer großen Vielfalt von elektronischen und elektrischen Vorrichtungen Anwendung finden und insbesondere für Mobiltelefone gut geeignet sind.
Claims (12)
- Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit, die aufweist: ein zylinderförmiges inneres und ein röhrenförmiges äußeres Gate (61, 50), die durch eine röhrenförmige Si-Schicht (30) voneinander getrennt sind; und ein Source (35) und einen Drain (31), die durch Abstandshalter (51, 41) getrennt sind, welche das zylinderförmige innere Gate (61) umgeben und zwischen welchen das röhrenförmige äußere Gate (50) angeordnet ist; wobei das äußere Gate (50) eine hohle zylindrische oder röhrenförmige Gestalt aufweist und wobei zwischen der röhrenförmigen Si-Schicht (30) und dem äußeren Gate (50) ein äußeres Gate-Dielektrikum (22) angeordnet ist und wobei zwischen dem zylinderförmigen inneren Gate (61) und dem Source (35) sowie der röhrenförmigen Si-Schicht (30) eine dielektrische Gateschicht (25) und zwischen dem zylinderförmigen inneren Gate (61) und dem Drain (31) eine dielektrische Schicht (26) auf einer horizontalen Oberfläche einer Schicht (31) am Boden des hohlen Zylinders angeordnet ist, wobei das Source (35) aus selbstjustiert epitaxial aufgewachsenem Silicium hergestellt ist und wobei Kontakte zu dem äußeren Gate (50) und dem Drain (31) gebildet sind.
- Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit nach
Anspruch 1 , die des Weiteren ein Siliziumsubstrat integral mit dem inneren und dem äußeren Gate (61, 50) sowie dem Source (35) und dem Drain (31) aufweist. - Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit nach
Anspruch 2 , wobei das Substrat ein SOI-Substrat ist. - Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit nach
Anspruch 2 , wobei das Substrat aus Volumen-Silicium hergestellt ist. - Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit nach
Anspruch 3 , wobei das SOI-Substrat, welches die MOSFET-Einheit bildet, eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 nm aufweist. - Nanoröhrenförmige MOSFET-Einheit nach
Anspruch 1 , wobei das äußere Gate-Dielektrikum (22, 41) aus Oxid, Oxynitrid oder Hafniumoxid hergestellt ist. - Verfahren zum Bilden einer nanoröhrenförmigen MOSFET-Einheit, das aufweist: Bilden einer zylindrisch geformten Si-Schicht (30) auf einem Substrat; Bilden eines die zylindrische Si-Schicht (30) umgebenden äußeren Gates (50), das zwischen einem unteren Abstandshalter (41) und einem oberen Abstandshalter (51) angeordnet ist, wobei zwischen der Si-Schicht (30) und dem äußeren Gate (50) ein äußeres Gate-Dielektrikum (22) ausgebildet wird; Aufwachsen einer epitaxialen Siliziumschicht (35) auf dem oberen Abstandshalter (51) angrenzend an einen Teil der zylindrisch geformten Si-Schicht (30); Aufbringen einer dielektrischen Schicht (27) auf der epitaxialen Siliziumschicht (35) im Bereich einer ersten Schicht (40) sowie einer zweiten Schicht (32) mit nachfolgendem CMP panarisieren und chemischen Reinigen der dielektrischen Schicht (27); Freilegen der zylindrischen Si-Schicht (30) durch Entfernen der ersten Schicht (40) mittels eines selektiven Ätzprozesses gefolgt von einer Entfernung der zweiten Schicht (32) ; Ätzen eines inneren Teils der zylindrisch geformten Si-Schicht (30) und eines Teils einer darunterliegenden Schicht (31), wobei ein hohler Zylinder gebildet wird, wobei das Ätzen eines inneren Teils der zylindrisch geformten Si-Schicht (30) durch das Freiligen der zylindrischen Si-Schicht bewirkt ist; Ausbilden einer dielektrischen Gate-Schicht (25) auf einer vertikalen Wand der Si-Schicht (30) und der epitaxialen Siliziumschicht (35) innerhalb des hohlen Zylinders und Ausbilden einer dielektrische Schicht (26) auf einer horizontalen Oberfläche der Schicht (31) am Boden des hohlen Zylinders; Bilden eines inneren Gates (61) mittels Füllen des mit der Gate-Schicht (25) und der dielektrischen Schicht (26) beschichteten hohlen Zylinders, wobei der obere (51) und der untere (41) Abstandhalter das innere Gate (61) umgeben; Bilden eines Seitenwandabstandshalters (28), welcher das über die Schicht (27) herausragende innere Gate (61) umgibt und oberhalb der Schicht (27) ausgebildet wird; und Ätzen eines tiefen Grabens für ein Zugreifen auf das äußere Gate (50) und den Drain (31) und ein Kontaktieren derselben.
- Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei das Bilden der zylindrisch geformten Si-Schicht (30) das Bilden eines Teils derselben aufweist, der aus einem stark dotierten Material hergestellt ist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , das des Weiteren ein Durchführen einer Ionenimplantation an den freigelegten Schichten (30, 32) vor dem Aufwachsen der epitaxialen Siliziumschicht (35) aufweist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , das des Weiteren das Verwenden einer Hartmaske aufweist, um die zylindrisch geformte Si-Schicht (30) zu definieren. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei zur Bildung der dielektrischen Gate-Schichten (25, 26) SiO2 oder HfO2 oder High-K-Material und zur Bildung des inneren Gates (61) Material aus Polysilicium oder Metall eingesetzt werden. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei dem Bilden des Seitenwandabstandshalters (28) angrenzend an das innere Gate (61) ein Silicidieren des inneren Gates (61) folgt.
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