TWI654763B - 一種基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法 - Google Patents
一種基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法Info
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Abstract
本發明提供一種基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法，所述基於負電容的環閘場效電晶體的閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容。該具有負電容的鐵電材料層作為內置電壓放大器，可以將元件的次臨界值振幅降低至60mV/decade以下。且該電晶體採用Si奈米線作為通道材料，高K金屬閘極全包圍Si奈米線，可以獲得更好的閘極控制能力，並避免短通道效應。本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法製作製程簡單，有利於降低生產成本。
Description
本發明屬於半導體製造領域，涉及一種基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法。
一般場效電晶體在300K下至少需要60mV的閘極壓變才能產生10倍(一個數量級)的電流變化。最小次臨界值斜率決定了基本下限工作電壓。
第1圖中示出了現有的一種場效電晶體的結構示意圖，其中S代表源區、D代表汲區，Channel代表通道區，oxide代表閘氧化層，G代表閘極，Vgs代表閘源電壓，Vds代表源汲電壓電壓，tox代表閘氧化層的厚度。
第2圖示出了圖1所示結構的縱向電路原理圖，其中Cox代表閘氧化層電容，Cs代表通道電容，Vg代表閘極電壓，φs為矽表面的電位。
限制工作電壓的一個關鍵因素是次臨界值振幅s，其滿足：
其中，dVgs代表閘源電壓變化，Id為源汲電流，d(log10 Id)代表源流電流變化數量級，dφs代表矽表面電位的變化，decade代表數量級。
由於Cs與Cox通常為正值，使得大於1。而通過減少閘氧化層的厚度(tox)以及採用高K介電層只能使儘量接近1，但不能使其達到1或小於1，從而S的極限值約為60mV/decade。
基於奈米線的元件為下一代積體電路提供了一個新的選擇。基於奈米線的環閘場效電晶體具有完美的閘極控制能力，能夠有效抑制短通道效應。但是現有技術中奈米線的製作製程複雜，成本較高。
因此，如何提供一種基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法，以進一步降低次臨界值振幅，並有效抑制短通道效應、降低成本，成為本領域技術人員亟待解決的一個重要技術問題。
鑒於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法，用於解決現有技術中場效電晶體次臨界值振幅高、製作製程複雜的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基於負電容的環閘場效電晶體，所述基於負電容的環閘場效電晶體的閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容。
可選地，所述鐵電材料層的材質包括HfZrO2、PZT、SBT、BRT、NBT中的一種或多種。
可選地，所述鐵電材料層的厚度範圍是5-10nm。
可選地，所述環閘場效電晶體包括Si奈米線；所述高K介電層環繞於所述Si奈米線表面；所述鐵電材料層環繞于所述高K介電層表面；所述金屬閘極層環繞於所述鐵電材料層表面。
可選地，所述Si奈米線為圓柱體Si奈米線或多邊形柱體Si奈米線，所述圓柱體奈米線的直徑為50-90nm。
可選地，所述環閘場效電晶體還包括：側牆結構，形成於所述閘極結構兩側；源區與汲區，分別形成於所述閘極結構兩側，且所述源區與汲區均與所述Si奈米線所在Si層接觸。
可選地，所述源區與汲區包括TiN/Al複合層。
可選地，所述金屬閘極層包括TiN/Al複合層。
本發明還提供一種基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，包括如下步驟：S1：提供一自下而上依次包括Si基板、絕緣埋層及頂層矽的SOI基板；S2：圖形化所述頂層矽，在所述頂層矽中形成至少一根Si奈米線；S3：蝕刻掉位於所述Si奈米線下方的至少一部分絕緣埋層，以釋放所述Si奈米線；S4：于所述Si奈米線表面依次形成環繞的高K介電層、鐵電材料層及金屬閘極層；所述高K介電層、鐵電材料層及金屬閘極層構成電晶體的閘極結
構；所述鐵電材料層具有負電容。
可選地，還包括步驟：S5：于所述閘極結構兩側製作側牆結構；S6：于所述閘極結構兩側分別製作源區與汲區；所述源區與汲區均與所述Si奈米線所在Si層接觸。
可選地，於所述步驟S3中，在蝕刻位於所述Si奈米線下方的絕緣埋層使所述Si奈米線釋放時，保留預設厚度的絕緣埋層。
可選地，於所述步驟S3中，在蝕刻位於所述Si奈米線下方的絕緣埋層使所述Si奈米線釋放時，暴露出所述Si基板，並在暴露出的Si基板表面形成預設厚度的絕緣層。
可選地，於所述步驟S3中，還包括氧化所述Si奈米線表面、去除所述Si奈米線表面的氧化層的步驟，並重複氧化與去除氧化層步驟至少一次，以得到圓柱體Si奈米線。
可選地，所述圓柱體Si奈米線的直徑為50-90nm。
可選地，所述鐵電材料層的材質包括HfZrO2、PZT、SBT、BRT、NBT中的一種或多種。
可選地，所述鐵電材料層的厚度範圍是5-10nm。
可選地，所述源區與汲區包括TiN/Al複合層。
可選地，所述金屬閘極層包括TiN/Al複合層。
如上所述，本發明的基於負電容的環閘場效電晶體及其製作方法，具有以下有益效果：本發明在環閘場效電晶體閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容。該具
有負電容的鐵電材料層作為內置電壓放大器，可以將元件的次臨界值振幅降低至60mV/decade以下。本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法製作製程簡單，有利於降低生產成本。
1‧‧‧Si基板
2‧‧‧絕緣埋層
3‧‧‧頂層矽
4‧‧‧Si奈米線
5‧‧‧絕緣層
6‧‧‧高K介電層
7‧‧‧鐵電材料層
8‧‧‧金屬閘極層
9‧‧‧側牆結構
10‧‧‧源區
11‧‧‧汲區
第1圖中顯示為現有技術中一種場效電晶體的結構示意圖。
第2圖顯示為第1圖所示結構的縱向電路原理圖。
第3圖顯示為一般閘極氧化層的單位面積電荷密度隨電壓變化的曲線圖。
第4圖顯示為鐵電材料的單位面積電荷密度隨電壓變化的曲線圖。
第5圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體在第一剖面上的結構示意圖。
第6圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體在第二剖面上的結構示意圖。
第7圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的縱向電路原理圖。
第8圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法提供的SOI基板的結構示意。
第9圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法圖形化所述頂層矽，在所述頂層矽中形成Si奈米線的示意圖。
第10圖顯示為第9圖所示結構的A-A’向剖面圖。
第11圖顯示為第9圖所示結構的B-B’向剖面圖。
第12圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法蝕刻掉位於所述Si奈米線下方的至少一部分絕緣埋層，以釋放所述Si奈米線的示意圖。
第13圖顯示為第12圖所示結構的A-A’向剖面圖。
第14圖顯示為第12圖所示結構的B-B’向剖面圖。
第15圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法氧化所述Si奈米線表面的示意圖。
第16圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法去除所述Si奈米線表面的氧化層得到圓柱體Si奈米線的示意圖。
第17圖-第18圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法形成環繞所述Si奈米線表面的高K介電層的示意圖。
第19圖-第20圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法形成環繞所述高K介電層表面的鐵電材料層的示意圖。
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱第3圖至第20圖。需要說明的是，本實施例中所提供
的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其元件佈局型態也可能更為複雜。
實施例一
本發明提供一種基於負電容的環閘場效電晶體，所述基於負電容的環閘場效電晶體的閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容。
具體的，鐵電材料是指在一定溫度範圍內具有自發極化，且自發極化方向會因外加電場方向改變而改變的介電材料。
作為示例，所述鐵電材料層的材質包括HfZrO2(鋯鉿氧化物)、PZT(鋯鈦酸鉛，化學式為Pb(Zr,Ti)O3)、SBT(鉭酸鍶鉍，化學式為SrBi2TaO9)、BRT(稀土元素R如La、Nd等經摻雜得到的(Bi,R)4Ti3O12))、NBT(鈦酸鉍鈉，化學式為(NaBi)TiO)中的一種或多種。所述鐵電材料層的厚度範圍是5-10nm。
第3圖顯示為一般閘氧化層的單位面積電荷密度Q隨電壓Vox變化的曲線圖。第4圖顯示為鐵電材料的單位面積電荷密度Q隨電壓Vfe變化的曲線圖。其中，材料層的電容滿足，從曲線上表現為曲線斜率。
可見，第3圖中Q與電壓Vox之間為線性關係，且直線斜率為正，說明常規閘氧化層具有正電容。第4圖中，Q與電壓Vfe之間為非線性關
係，且曲線斜率為負(如第4圖中虛線所示)。因此鐵電材料的電容滿足，具有負電容。
作為示例，請參閱第5圖及第6圖，分別顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體在第一剖面、第二剖面上的結構示意圖，所述環閘場效電晶體包括Si奈米線4；所述高K介電層6環繞於所述Si奈米線4表面；所述鐵電材料層7環繞于所述高K介電層6表面；所述金屬閘極層8環繞於所述鐵電材料層7表面。所述Si奈米線4作為環閘場效電晶體的通道。
本實施例中，所述基於負電容的環閘場效電晶體是基於SOI基板製作，所述SOI基板自下而上依次包括Si基板1、絕緣埋層2及頂層矽。所述絕緣埋層2選用氧化矽材質。所述Si奈米線4是通過圖形化所述頂層矽得到。
所述Si奈米線可以為圓柱體Si奈米線或多邊形柱體Si奈米線。本實施例中，所述Si奈米線優選為圓柱體Si奈米線，直徑為50-90nm。圓柱體奈米線結構更為對稱，有利於獲得更好的閘極控制效果。
進一步的，所述環閘場效電晶體還包括：形成於所述閘極結構兩側的側牆結構9以及分別形成於所述閘極結構兩側的源區10與汲區11，且所述源區10與汲區11均與所述Si奈米線所在Si層接觸。
作為示例，所述源區10與汲區11包括TiN/Al複合層，其中TiN層位於Si層與Al層之間。所述TiN/Al複合層與Si層之間可以形成良好的歐姆接觸，從而無需形成額外的重摻雜層。本實施例中，所述金屬閘極層8也優選採用TiN/Al複合層。
請參閱第7圖，顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的縱向電路原理圖。可見，所述高K介電層6與金屬閘極層8之間形成有鐵電材料層7，相當於在所述高K介電層6與金屬閘極層8之間串聯了一個負電容，因此滿足。當CFe的絕對值大於Cox時，Cox+CFe小於0，使得，從而使得。即本發明的基於負電容的環閘場效電晶體可以將元件的次臨界值振幅降低至60mV/decade以下。
同時，本發明基於負電容的環閘場效電晶體採用Si奈米線作為通道材料，高K金屬閘極全包圍Si奈米線，可以獲得更好的閘極控制能力，並避免短通道效應。電晶體源區與汲區均採用TiN/Al複合層，無需形成額外的重摻雜層，結構更為簡潔。
實施例二
本發明還提供一種基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，包括如下步驟：首先執行步驟S1：如第8圖所示，提供一自下而上依次包括Si基板1、絕緣埋層2及頂層矽3的SOI基板。
作為示例，所述絕緣埋層2選用氧化矽材質，其厚度範圍是150-350nm。所述頂層矽3的厚度範圍是50-90nm。
然後執行步驟S2：如第9圖-第11圖所示，圖形化所述頂層矽3，在所述頂層矽3中形成至少一根Si奈米線4。其中，第9圖顯示為本步驟所得結構的俯視圖，第10圖顯示為第9圖所示結構的A-A’向剖面圖，第11圖
顯示為第9圖所示結構的B-B’向剖面圖。
具體的，採用微影及ICP乾式蝕刻製程圖形化所述頂層矽3，得到所述Si奈米線4。
接著執行步驟S3：如第12-14圖所示，蝕刻掉位於所述Si奈米線4下方的至少一部分絕緣埋層，以釋放所述Si奈米線4。其中，第12圖顯示為本步驟所得結構的俯視圖，第13圖顯示為第12圖所示結構的A-A’向剖面圖，第14圖顯示為第12圖所示結構的B-B’向剖面圖。
具體的，採用濕式蝕刻製程去除所述絕緣埋層以釋放所述Si奈米線。所述濕式蝕刻製程所採用的蝕刻液包括氫氟酸溶液。
具體的，在蝕刻位於所述Si奈米線下方的絕緣埋層使所述Si奈米線釋放時，可以保留預設厚度的絕緣埋層，也可以暴露出所述Si基板，並在暴露出的Si基板表面形成預設厚度的絕緣層5。所述絕緣層5可通過熱氧化所述Si基板所得。
本步驟還可以進一步包括氧化所述Si奈米線表面、去除所述Si奈米線表面的氧化層的步驟，並重複氧化與去除氧化層步驟至少一次，以得到圓柱體Si奈米線。其中，第15圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法氧化所述Si奈米線表面的示意圖。第16圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法去除所述Si奈米線表面的氧化層得到圓柱體Si奈米線的示意圖。
作為示例，所述圓柱體Si奈米線的直徑為50-90nm。圓柱體奈米線結構更為對稱，有利於獲得更好的閘極控制效果。
然後再執行步驟S4：如第17-20圖以及第5-6圖所示，於所述
Si奈米線4表面依次形成環繞的高K介電層6、鐵電材料層7及金屬閘極層8；所述高K介電層6、鐵電材料層7及金屬閘極層8構成電晶體的閘極結構；所述鐵電材料層7具有負電容。其中，第17圖-第18圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法形成環繞所述Si奈米線4表面的高K介電層6的示意圖。第19圖-第20圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法形成環繞所述高K介電層6表面的鐵電材料層7的示意圖。第5-6圖顯示為本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法形成環繞所述鐵電材料層7表面的金屬閘極層8的示意圖。
具體的，採用原子層沉積法(ALD)、化學氣相沉積法(CVD)或物理氣相沉積法(PVD)形成所述高K介電層(介電常數K高於二氧化矽的介電常數3.9)。所述高K介電層的材質包括但不限於金屬氧化物、氮化物等。本實施例中，所述高K介電層6優選採用HfO2，所述高K介電層6的厚度範圍是10-20nm。
具體的，所述鐵電材料層7的材質包括HfZrO2(鋯鉿氧化物)、PZT(鋯鈦酸鉛，化學式為Pb(Zr,Ti)O3)、SBT(鉭酸鍶鉍，化學式為SrBi2TaO9)、BRT(稀土元素R如La、Nd等摻雜得到的(Bi,R)4Ti3O12))、NBT(鈦酸鉍鈉，化學式為(NaBi)TiO)中的一種或多種。所述鐵電材料層的厚度範圍是5-10nm。
本實施例中，所述鐵電材料層7的材質優選採用HfZrO2，其製備方法包括原子層沉積法(ALD)、化學氣相沉積法(CVD)或物理氣相沉積法(PVD)中的任意一種。
本發明在高K介電層與金屬閘極層之間形成具有負電容的
鐵電材料層，該具有負電容的鐵電材料層作為內置電壓放大器，可以將元件的次臨界值振幅降低至60mV/decade以下。
進一步的，執行步驟S5：如第5圖所示，於所述閘極結構兩側製作側牆結構9。
進一步的，執行步驟S6：如第5圖所示，於所述閘極結構兩側分別製作源區10與汲區11。
具體的，所述源區10、汲區11及所述金屬閘極層8均優選包括TiN/Al複合層。
至此，製作得到了基於負電容的環閘場效電晶體，該電晶體閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容，可以作為內建電壓放大器，可以將元件的次臨界值振幅降低至60mV/decade以下。且該電晶體採用Si奈米線作為通道材料，高K金屬閘極全包圍Si奈米線，可以獲得更好的閘極控制能力，並避免短通道效應。電晶體源區與汲區均採用TiN/Al複合層，無需形成額外的重摻雜層，結構更為簡潔，製作製程也更為簡單，有利於降低生產成本。
綜上所述，本發明的基於負電容的環閘場效電晶體在環閘場效電晶體閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容。該具有負電容的鐵電材料層作為內置電壓放大器，可以將元件的次臨界值振幅降低至60mV/decade以下。本發明的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法製作製程簡單，有利於降低生產成本。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的請求項所涵蓋。
Claims (16)
- 一種基於負電容的環閘場效電晶體，其特徵在於：所述基於負電容的環閘場效電晶體的閘極結構的高K介電層與金屬閘極層之間形成有鐵電材料層；所述鐵電材料層具有負電容，其中所述環閘場效電晶體包括Si奈米線；所述高K介電層環繞於所述Si奈米線表面；所述鐵電材料層環繞于所述高K介電層表面；所述金屬閘極層環繞於所述鐵電材料層表面，且所述環閘場效電晶體還包括：側牆結構，形成於所述閘極結構兩側；源區與汲區，分別形成於所述閘極結構兩側，且所述源區與汲區均與所述Si奈米線所在Si層接觸。
- 根據請求項1所述的基於負電容的環閘場效電晶體，其中所述鐵電材料層的材質包括HfZrO2、PZT、SBT、BRT、NBT中的一種或多種。
- 根據請求項1所述的基於負電容的環閘場效電晶體，其中所述鐵電材料層的厚度範圍是5-10nm。
- 根據請求項1所述的基於負電容的環閘場效電晶體，其中所述Si奈米線為圓柱體Si奈米線或多邊形柱體Si奈米線，所述圓柱體奈米線的直徑為50-90nm。
- 根據請求項1所述的基於負電容的環閘場效電晶體，其中所述源區與汲區包括TiN/Al複合層。
- 根據請求項1所述的基於負電容的環閘場效電晶體，其中所述金屬閘極層包括TiN/Al複合層。
- 一種基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，包括以下步驟：S1：提供一自下而上依次包括Si基板、絕緣埋層及頂層矽的SOI基板；S2：圖形化所述頂層矽，在所述頂層矽中形成至少一根Si奈米線；S3：蝕刻掉位於所述Si奈米線下方的至少一部分絕緣埋層，以釋放所述Si奈米線；S4：于所述Si奈米線表面依次形成環繞的高K介電層、鐵電材料層及金屬閘極層；所述高K介電層、鐵電材料層及金屬閘極層構成電晶體的閘極結構；所述鐵電材料層具有負電容。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，還包括步驟：S5：于所述閘極結構兩側製作側牆結構；S6：于所述閘極結構兩側分別製作源區與汲區；所述源區與汲區均與所述Si奈米線所在Si層接觸。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中於所述步驟S3中，在蝕刻位於所述Si奈米線下方的絕緣埋層使所述Si奈米線釋放時，保留預設厚度的絕緣埋層。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中於所述步驟S3中，在蝕刻位於所述Si奈米線下方的絕緣埋層使所述Si奈米線釋放時，暴露出所述Si基板，並在暴露出的Si基板表面形成預設厚度的絕緣層。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中於所述步驟S3中，還包括氧化所述Si奈米線表面、去除所述Si奈米線表面的氧化層的步驟，並重複氧化與去除氧化層步驟至少一次，以得到圓柱體Si奈米線。
- 根據請求項11所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中所述圓柱體Si奈米線的直徑為50-90nm。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中所述鐵電材料層的材質包括HfZrO2、PZT、SBT、BRT、NBT中的一種或多種。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中所述鐵電材料層的厚度範圍是5-10nm。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中所述源區與汲區包括TiN/Al複合層。
- 根據請求項7所述的基於負電容的環閘場效電晶體的製作方法，其中所述金屬閘極層包括TiN/Al複合層。
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