真空沟道晶体管及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种半导体器件结构及其制备方法，特别是涉及一种真空晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.随着集成电路制造技术进入5nm技术节点，半导体器件的特征尺寸持续微缩已经迫近尺寸上的物理极限。受限于基于硅的固态器件中的载流子迁移率本质上受到晶格散射或杂质的影响，基于硅的器件不再能够满足在高频或快速响应方面日益增长的需求。与固态器件中的情况相比，真空条件使电子实现弹道运输而不发生碰撞或散射，这样导致更快的载流子运输。
3.纳米级真空沟道晶体管(nvct)自首次被提出之后，已经用于实现纳米尺度真空沟道晶体管的机制包括场致发射、肖特基(schottky)二极管中的二维电子气发射和低维碳材料热电子发射等。其中，一些低维材料形成的真空晶体管器件，例如spindt型真空晶体管和全环绕栅纳米真空沟道晶体管，由于具有高驱动电流和良好的辐射免疫的特性而获得了广泛关注。
4.然而，以上所述的真空晶体管器件的制备工艺复杂，诸如spindt型的微针结构纳米真空沟道晶体管存在难于大规模集成化、以及工作电压高之类的缺点。因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种新型的真空沟道晶体管及其制备方法。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种真空沟道晶体管及其制备方法，用于解决现有真空沟道晶体管的制备工艺复杂，与现有集成电路制造技术难以完全兼容等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种真空沟道晶体管的制备方法，所述制备方法包括：一种真空沟道晶体管的制备方法，所述制备方法包括：在第一硅衬底上沉积氧化物层；对所述氧化物层进行图形化以形成图形化区域，所述图形化区域包括具有开口的空腔和自所述空腔底部贯穿所述氧化物层的沟槽，所述沟槽的底部暴露出所述第一硅衬底，所述沟槽的宽度小于所述空腔的宽度；在所述沟槽内定位生长纳米线，所述纳米线自所述第一硅衬底朝所述空腔延伸并凸入于所述空腔；在所述空腔的与所述第一硅衬底相对的一侧使所述氧化物层与第二硅衬底键合以形成内含所述空腔的soi衬底；对所述第一硅衬底及所述氧化物层进行图形化；和分别在图形化的所述第一硅衬底上形成漏极接触，在所述第二硅衬底上形成源极接触，以及在图形化的所述氧化物层上形成栅极。
7.可选地，所述纳米线是自所述第一硅衬底外延生长的硅纳米线、锗纳米线或硅锗纳米线。
8.可选地，所述氧化物层是氧化硅层，在真空条件下使所述第二硅衬底与所述氧化硅层直接键合。
9.可选地，所述沟槽的宽度为5nm
‑
100nm。
10.可选地，所述空腔的高度为20nm
‑
500nm。
11.可选地，所述纳米线的顶端与所述第二硅衬底之间的距离小于100nm。
12.可选地，所述制备方法进一步包括：在使所述氧化物层与所述第二硅衬底键合之后执行退火工艺，所述退火工艺的温度为900℃
‑
1200℃，时间为5
‑
15小时。
13.可选地，在对所述第一硅衬底进行图形化之前，还包括对所述第一硅衬底进行减薄，减薄后的所述第一硅衬底的厚度为20nm
‑
2μm。
14.另一方面，本发明还提供了一种真空沟道晶体管，所述真空沟道晶体管包括：硅衬底，所述硅衬底中形成有源极，所述源极上形成有源极接触；所述硅衬底上还形成有内含真空空腔的氧化物层，所述真空空腔由氧化物侧壁、顶部和所述硅衬底的底部一同界定；顶层硅，形成于所述氧化物层之上，所述顶层硅中形成有漏极，所述漏极上形成有漏极接触，所述漏极还包括穿过所述氧化物层的顶部而进入所述真空空腔的纳米线，所述纳米线的顶端与所述源极之间形成真空沟道；和栅极，形成在所述氧化物层上且位于所述真空沟道的一侧，通过对所述栅极的电压进行调制来调控所述纳米线中的电子密度和电子发射的势垒。
15.可选地，所述真空沟道的长度小于100nm。
16.可选地，所述纳米线包括硅纳米线、锗纳米线或硅锗纳米线。
17.可选地，所述纳米线的线宽为5nm
‑
100nm。
18.如上所述，本发明的真空沟道晶体管的制备方法，具有以下有益效果：采用纳米线的定位生长，自硅衬底选择性地生长纳米线，从而通过外延技术可以精确控制纳米线生长的高度；利用键合技术使内含所述纳米线的氧化物层与第二硅衬底键合，进而通过所述制备方法实现对最终器件的源极与漏极之间距离的精确控制；同时，所述制备方法能够与现有的集成电路制造技术完全兼容，具有大规模量产的前景。另一方面，本发明提供的真空沟道晶体管具有类似于纵向型mos晶体管的结构，其具有优于目前的半导体晶体管的电子运输速度，同时对辐射完全免疫，在航空航天和国防等领域具有显著优势。
附图说明
19.图1显示为根据本发明的真空沟道晶体管的制备方法的工艺流程图。
20.图2至图5显示为根据本发明的制造真空沟道晶体管各阶段的结构示意图。
21.图6显示为根据本发明的真空沟道晶体管的结构示意图。
22.元件标号说明
23.110
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第一硅衬底
24.112
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纳米线
25.114
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图形化的第一硅衬底
26.120
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氧化物层
27.130
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图形化区域
28.132
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空腔
29.134
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沟槽
30.140
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第二硅衬底
31.210
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顶层硅
32.232
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真空空腔
33.240
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硅衬底
34.250
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源极
35.260
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漏极
36.270
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栅电极
37.s1～s6
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步骤
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
39.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“之上”、“之下”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
40.与常规的固态晶体管的载流子迁移受漂移
‑
扩散机制制约相比，本发明的真空晶体管中所包含的沟道处于真空状态，通过热发射、场发射或光发射可以使真空发射极表面的势垒大大降低。在外加强电场的情况下，发射极表面的势垒高度和宽度均减小，使电子有可能跃入真空。
41.平面型纳米真空沟道晶体管(nvcts)的制备工艺中，典型地采用电子束光刻技术形成微针结构发射极和/或集电极。本发明提供的真空沟道晶体管的制备方法采用纳米线代替微针结构，自硅衬底定位生长高度可调的纳米线，可以实现所制备的真空沟道晶体管中的源极与漏极之间距离的精确控制。
42.本发明的真空沟道晶体管具有类似于场效应晶体管(mosfet)的结构，其依赖于场发射和/或f
‑
n隧穿的机制实现真空条件下的电子发射。在源极与漏极之间设置一电势差，而且栅极设置有变化范围可控的栅极电压；当栅极电压增加至高于导通电压，真空能量曲线向下弯曲以使得电子隧穿过窄的势垒，这样导致器件的开启状态。此外，在真空晶体管中，从发射极发出的电子就移至集电极，而没有沿着沟道表面的阻碍，因此电子的输运速度大大提高，且栅极
‑
源极之间的电容减小。
43.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
44.图1显示根据本发明的一实施方式的真空沟道晶体管的制备方法的工艺流程图。
45.在步骤s1，提供第一硅衬底110，所述第一硅衬底上形成有氧化物层120。作为示
例，所述氧化物层120可以是氧化硅层。可以根据待形成的氧化物层的材料和/或成分来确定其沉积工艺，其包括但不限于：化学气相沉积工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺、原子层沉积或类似工艺。
46.步骤s1之后，在步骤s2，可以对所述氧化物层120进行图形化，以得到图形化区域130。参见图2，所述图形化区域130可以形成为贯穿所述氧化物层120，并且包括上下堆叠的空腔132和沟槽134。作为示例，所述图形化工艺可以是本领域的常规工艺，至少包括：在所述氧化物层表面旋转涂布光刻胶层；利用掩膜版对涂布的光刻胶层进行曝光；随后对曝光后的光刻胶层进行显影。在光刻工艺之后，可以根据光刻胶层中定义出的图形对所述氧化物层120进行刻蚀以形成空腔132。所述刻蚀工艺可以是干法刻蚀或湿法刻蚀。在所述刻蚀工艺之后，于形成沟槽134之前，先将残留的光刻胶从图形化的氧化物层表面剥离。可以通过重复以上的光刻、刻蚀和剥离步骤来形成沟槽134，使得可以从所述沟槽134的底部暴露出第一硅衬底，如图2所示。较佳地，所述沟槽134的中心线可以与所述空腔132的中心线相重合。作为示例，所述空腔132可以大体上具有10
‑
1000nm的宽度及20
‑
500nm的高度，所述沟槽134可以大体上具有5
‑
100nm的宽度及10
‑
100nm的高度。
47.在步骤s3，可以在所述沟槽134内定位生长一纳米线112，如图3所示，所述纳米线可以自所述沟槽的底部生长而延伸进入所述空腔132。作为示例，可以采用外延工艺在所述沟槽134内定位生长纳米线112，所述纳米线可以包括硅纳米线、锗纳米线、硅锗纳米线。可以用于外延生长所述纳米线的工艺可以包括但不限于化学气相沉积工艺、分子束外延工艺或类似工艺。如前所述，所述纳米线在所述沟槽内的定位生长，其采用的制备方法与现有的固态半导体器件的制造工艺类似，因此可以与集成电路制造工艺相兼容。根据所期望的真空晶体管的性能，可以通过改变外延工艺的反应时间和/或反应前驱物的流率，控制所生长的纳米线的高度。
48.在步骤s4，参见图4，可以使第二硅衬底140与图形化的氧化物层表面键合，以形成内含纳米线112的soi衬底。可选地，在第二硅衬底140和图形化的氧化物层在经过表面清洗之后，可以在真空条件下使第二硅衬底140与图形化的氧化物层键合。作为示例，所述氧化物层120可以是氧化硅层，在常温条件下将所述氧化硅层与第二硅衬底进行直接键合。可选地，所述键合工艺还可以包括，在键合工艺之后对形成的soi衬底执行退火工艺以减少界面处的缺陷和增强界面化学键合的强度。作为示例，所述退火工艺一般地可以在惰性气氛的条件下、900
‑
1200℃的温度下执行达5
‑
15小时。所述惰性气氛可以是氮气或氩气中的一或多种。作为示例，由于生长的所述纳米线112具有可控的高度，所述纳米线的顶端与所述第二硅衬底140之间的距离可以被精确地调整。作为示例，所述纳米线112的顶端与所述第二硅衬底140之间的距离可以小于100nm。
49.随后，将所形成的soi衬底上下翻转以得到所述第一硅衬底110位于所述空腔132之上的结构，其中所述空腔132由所述第二硅衬底140与氧化物的侧壁一同界定。在步骤s5，对内含所述空腔132的所述第一硅衬底110进行图形化，以部分地暴露出氧化物层120，如图5所示。可以采用关于步骤s2所描述的光刻、刻蚀和剥离步骤，以得到图形化的第一硅衬底和氧化物层。作为示例，所述第一硅衬底110具有在20nm
‑
2μm的范围内的厚度。可选地，在进行图形化之前，可以采用如下工艺对所述第一硅衬底110进行减薄：背面研磨法、离子注入剥离法或类似工艺。作为示例，所述离子注入剥离工艺至少可以包括：向第一硅衬底110中
注入氢离子和/或稀有气体离子，形成离子注入层，随后沿所述离子注入层进行剥离以实现所述第一硅衬底110的减薄。
50.步骤s5之后，在步骤s6，可以依次在图形化的第一硅衬底114上形成漏极接触，在所述第二硅衬底140上形成源极接触，以及在图形化的所述氧化物层上形成栅极，以制备出真空沟道晶体管。如前所述，所述漏极包括自第一硅衬底110穿过所述氧化物层120的顶部而进入所述空腔132的纳米线112。通过所述的真空晶体管的制备方法，可以对所制备的漏极与源极之间的距离进行精确地调整。
51.本发明还提供了一种新型真空沟道晶体管，以下参照图6所示的本发明的真空沟道晶体管的结构示意图来具体描述。所述真空沟道晶体管至少可以包括：顶层硅210、硅衬底240和栅极270，所述硅衬底240中形成有源极250，所述源极上形成有源极接触；所述硅衬底240上还形成有内含真空空腔232的氧化物层120，所述真空空腔由氧化物的侧壁、顶部和所述硅衬底的底部一同界定。所述顶层硅210形成于所述氧化物层120之上，所述顶层硅中形成有漏极260，所述漏极上形成有漏极接触。所述漏极260还包括穿过所述氧化物层120的顶部而进入所述真空空腔232的纳米线112，所述纳米线的顶端与所述源极之间形成真空沟道。所述栅极形成于所述氧化物层120上且位于所述真空沟道的一侧。作为示例，所述纳米线可以包括硅纳米线、锗纳米线和硅锗纳米线。在所示的真空沟道晶体管中，真空电子的发射是通过如下方式经由场致发射来实现：当一偏压施加到所述栅极时会改变源极250与漏极260之间的电场强度，由此可以调控纳米线112中的电子浓度及电子发射的势垒，从而使得栅极起到电子发射的开关作用，进而可以通过所述栅极的电压来实现对真空沟道的电流密度的调控。
52.综上所述，本发明提供了一种真空沟道晶体管的制备方法，具有以下有益效果：采用纳米线的定位生长，自硅衬底选择性地生长纳米线，从而通过外延技术可以精确控制纳米线生长的高度；利用键合技术使内含所述纳米线的氧化物层与第二硅衬底键合，可以在所述第二硅衬底上形成源极接触，进而可以通过控制纳米线的生长高度，实现对最终器件的源极与漏极之间距离的精确控制；同时，所述制备方法能够与现有的集成电路制造技术完全兼容，便于大规模的应用于实际工艺生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
53.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。