一种拓扑晶体管的制作方法及拓扑晶体管

1.本发明涉及晶体管制造技术领域，尤其涉及一种拓扑晶体管的制作方法及拓扑晶体管。


背景技术：

2.随着集成电路工艺制程的发展，如何在实现器件高性能的同时，降低功耗，是集成电路发展过程中一直追求的目标。对于提高器件性能，可以通过提高器件集成度，并缩小器件的特征尺寸来实现。其中，晶体管是器件的基础组成部分。
3.现有技术中，晶体管的导通和关断主要通过对晶体管表面的栅电极施加电场来控制。基于电荷输运机制，电荷输运过程中会受到晶格中的声子散射，从而产生热耗散。
4.在对传统的硅基晶体管栅电极施加电场时，电荷输运过程中会存在载流子散射，导致较多的能量损耗，进而增加器件的功耗。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种拓扑晶体管的制作方法及拓扑晶体管，用于解决在对传统的硅基晶体管栅电极施加电场时，会导致较多的能量损耗，进而增加器件的功耗的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种拓扑晶体管的制作方法，包括：
8.提供一衬底；
9.在衬底上形成二氧化硅层；
10.在二氧化硅层上形成第一拓扑绝缘体层；
11.在第一拓扑绝缘体层上形成堆叠结构；
12.对第一拓扑绝缘体层进行电场诱导处理，得到包括产生拓扑相变的第二拓扑绝缘体层的拓扑晶体管。
13.与现有技术相比，本发明提供的拓扑晶体管的制作方法中，提供衬底后，在衬底上形成二氧化硅层，在二氧化硅层上形成第一拓扑绝缘体层，在第一拓扑绝缘体层上形成堆叠结构，完成晶体管的制作，并在晶体管制作完成后，对第一拓扑绝缘体层进行电场诱导处理，使得第一拓扑绝缘体层发生拓扑相变，得到第二拓扑绝缘体层，最终得到包括第二拓扑绝缘体层的拓扑晶体管。相比于传统晶体管的制作，本发明利用第一拓扑绝缘体层作为沟道层，并在之后通过施加电场诱导使其进行拓扑相变，使得第二拓扑绝缘体层能有基于拓扑绝缘体的体态表现，表面态呈现出无带隙的金属特性。由于受到拓扑保护，第二拓扑绝缘体层表面的金属特性几乎不会受到外界干扰，具有独特的自旋和输运性质。当对拓扑晶体管的栅电极施加正栅压或者负栅压时，载流子在第二拓扑绝缘体层表面传输时几乎没有散射和能量损耗，避免了载流子散射导致的能量损耗，当使用拓扑晶体管组成的电子器件时，也能相应的降低电子器件的功耗。
14.由此可知，本发明提供的拓扑晶体管，相较于传统晶体管具有更少的能量损耗，有利于器件实现高性能低功耗的目的。
15.第二方面，本发明还提供一种拓扑晶体管，使用第一方面所述拓扑晶体管的制作方法制作，所述拓扑晶体管包括：
16.衬底，以及依次形成在所述衬底上的二氧化硅层、第二拓扑绝缘体层和堆叠结构；
17.其中，所述第二拓扑绝缘体层为对第一拓扑绝缘体层进行电场诱导处理后得到的拓扑绝缘体层。
18.与现有技术相比，本发明提供的拓扑晶体管的有益效果与上述技术方案所述拓扑晶体管的制作方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明实施例提供的一种拓扑晶体管的制作方法的流程图；
21.图2为本发明实施例提供的堆叠结构的制作方法的流程图；
22.图3为本发明实施例提供的栅极制作方法的流程图；
23.图4-图14为本发明实施例提供的拓扑晶体管的制作过程中各状态的示意图。
24.附图标记：
25.10-衬底，
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20-二氧化硅层；
26.30-第一拓扑绝缘体层，
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40-堆叠结构；
27.41a-源极区，
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41b-漏极区；
28.42-栅极，
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421-栅介质层；
29.422-栅金属层，
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43-绝缘层；
30.44-通孔，
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50-第二拓扑绝缘体层；
31.420-二氧化硅薄膜层。
具体实施方式
32.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
33.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
34.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关
联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
35.如图1所示，本发明实施例提供一种拓扑晶体管的制作方法，包括：
36.s100：提供一衬底10。
37.s200：在衬底10上形成二氧化硅层20。
38.s300：在二氧化硅层20上形成第一拓扑绝缘体层30。
39.s400：在第一拓扑绝缘体层30上形成堆叠结构40。
40.s500：对第一拓扑绝缘体层30进行电场诱导处理，得到包括产生拓扑相变的第二拓扑绝缘体层50的拓扑晶体管。
41.与现有技术相比，本发明实施例提供的拓扑晶体管的制作方法中，提供衬底10后，在衬底10上形成二氧化硅层20，在二氧化硅层20上形成第一拓扑绝缘体层30，在第一拓扑绝缘体层30上形成堆叠结构40，完成晶体管的制作，并在晶体管制作完成后，对第一拓扑绝缘体层30进行电场诱导处理，使得第一拓扑绝缘体层30发生拓扑相变，得到第二拓扑绝缘体层50，最终得到拓扑晶体管。相比于传统晶体管的制作，本发明实施例利用第一拓扑绝缘体层30作为沟道层，并在之后通过施加电场诱导使其进行拓扑相变，使得第二拓扑绝缘体层50能有基于拓扑绝缘体的体态表现，表面态呈现出无带隙的金属特性。由于受到拓扑保护，第二拓扑绝缘体层50表面的金属特性几乎不会受到外界干扰，具有独特的自旋和输运性质。当对拓扑晶体管的栅电极施加正栅压或者负栅压时，载流子在第二拓扑绝缘体层50表面传输时几乎没有散射和能量损耗，避免了载流子散射导致的能量损耗，当使用拓扑晶体管组成的电子器件时，也能相应的低电子器件的功耗。
42.由此可知，本发明实施例提供的拓扑晶体管，相较于传统晶体管具有更少的能量损耗，有利于器件实现高性能低功耗的目的。
43.在实际中，上述衬底10可以为现有技术中的任一种能够满足要求的晶体管衬底10。例如，硅衬底10、锗衬底10、锗硅衬底10、绝缘体上硅(soi)衬底10或绝缘体上锗(goi)衬底10。本发明实施例对此不做具体限定。
44.上述第一拓扑绝缘体层30的材料可以是氧化铪(hfo2)，通过机械或化学剥离、分子束外延(molecular beam epitaxy，mbe)、化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)或物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)的方式在二氧化硅层20上形成第一拓扑绝缘体层30。第一拓扑绝缘体层30的厚度范围为大于等于25埃且小于等于35埃
45.示例性的，当第一拓扑绝缘体层30的材料为氧化铪(hfo2)时，电场诱导处理中施加的电场强度范围为4mv/cm-5mv/cm。应注意，氧化铪(hfo2)的击穿电场强度为5mv/cm-6mv/cm，短时间内达到氧化铪(hfo2)的击穿电场并不会破坏氧化铪(hfo2)的材料特性，但若击穿电场的强度太小，则无法诱导氧化铪(hfo2)发生拓扑相变。可以理解的是，若采取其他材料作为第一拓扑绝缘体层30的材料，击穿电场的强度也需要相应的改变。
46.在一种可能的实现方式中，如图2所示，堆叠结构40的制作方法包括：
47.s410：在第一拓扑绝缘体层30上形成栅极42。
48.s420：对第一拓扑绝缘体层30进行离子注入处理，形成源极区41a和漏极区41b。
49.s430：在形成源极区41a和漏极区41b的第一拓扑绝缘体层30上沉积绝缘层43。
50.s440：自绝缘层43的顶部向下按照多个预设位置进行刻蚀处理，形成通孔44。
51.s450：对通孔44进行金属填充处理，得到堆叠结构40。
52.在具体实施时，在第一拓扑绝缘体层30形成后，需要先在第一拓扑绝缘体层30上形成栅极42，再在第一拓扑绝缘体层30上栅极42的靠近栅极42的两侧进行离子注入处理，形成源极区41a和漏极区41b。
53.可以理解的是，如果需要制备n型晶体管，相应的衬底10应该为p型衬底10，在第一拓扑绝缘体层30上注入的离子为5价离子元素，例如砷(as)、磷(p)等元素；如果需要准备p型晶体管，相应的衬底10应该为n型衬底10，在第一拓扑绝缘体层30上注入的离子为3价离子元素，例如硼(b)、铟(in)、镓(ga)等元素。
54.在源极区41a和漏极区41b形成后，需要在第一拓扑绝缘体层30上沉积绝缘层43，该绝缘层43可以与上述二氧化硅层20采用同种元素制备，在栅极42以及第一拓扑绝缘体层30上覆盖一层二氧化硅层20，之后自绝缘层43的顶部向下按照多个预设位置进行刻蚀处理，形成通孔44，以将栅极42的顶部、源极区41a的顶部以及漏极区41b的顶部裸露出来，也就是说，通孔44的位置应该至少位于栅极42、源极区41a和漏极区41b。在通孔44形成之后，在通孔44内进行金属填充处理，使得栅极42的顶部、源极区41a的顶部以及漏极区41b的顶部能够直接与金属接触，可填充的金属材料包括钨(w)、钴(co)或者镍(ni)。
55.在金属填充之后，示例性的，还可以利用化学机械抛光设备(chemical mechanical polishing，cmp)将多余的金属去除，以完成堆叠结构40的制备。
56.在一些实施例中，如图3所示，栅极42的制作方法包括：
57.s411：在第一拓扑绝缘体层30上沉积栅介质层421。
58.具体的，栅介质层421的材料包括氮氧化硅(sion)、氮化硅(si3n4)、铪硅氧化物(hfsio)或氮氧化铪硅(hfsion)。
59.s412：在栅介质层421上沉积栅金属层422。
60.具体的，栅金属层422的材料包括氮化钛(tin)、多晶硅或铝(al)。
61.s413：对栅金属层422和栅介质层421进行刻蚀处理，得到栅极42。
62.在具体实施中，通过涂光刻胶、曝光、显影等操作对栅金属层422和栅介质层421进行刻蚀处理，得到的栅极42凸出于第一拓扑绝缘体层30，使得栅极42在第一拓扑绝缘体层30上所占的面积小于第一拓扑绝缘体层30的面积，为后续在第一拓扑绝缘体层30上靠近栅极42的两侧形成源极区41a和漏极区41b预留位置。
63.下面将结合附图4至图14，以n型晶体管为例，详细说明本发明实施例提供的拓扑晶体管的制作方法。
64.如图4所示，在p型硅衬底10上通过臭氧氧化生长一层二氧化硅层20，用来绝缘衬底10和后续生长的第一拓扑绝缘体层30。
65.如图5所示，通过范德华外延在二氧化硅层20上生长厚度为30埃即3纳米(nm)的第一拓扑绝缘体层30，第一拓扑绝缘体层的材料为氧化铪(hfo2)。
66.如图6所示，通过原子层沉积，在第一拓扑绝缘体层30上生长一层二氧化硅薄膜层
420，二氧化硅薄膜层420的厚度范围可以是7埃至14埃例如，该二氧化硅薄膜层420的厚度可以为10埃
67.如图7所示，通过去耦合等离子体氮化(dpn)设备对生长的二氧化硅薄膜层420进行氮化处理，得到的栅介质层421为氮氧化硅(sion)薄膜层。
68.如图8所示，通过物理气相沉积技术(physical vapor deposition，pvd)在栅介质层421上沉积一层栅金属层422，该栅金属层422的材料可以是氮化钛(tin)。该栅金属层422的厚度可以是100埃
69.如图9所示，通过涂光刻胶、曝光、显影等操作对栅金属层422和栅介质层421进行刻蚀处理，得到栅极42。
70.如图10所示，对第一拓扑绝缘体层30进行离子注入，在栅极42的两侧分别形成源极区41a和漏极区41b，并进行退火处理。示例性的，可以向第一拓扑绝缘体层30注入砷(as)离子，形成n 型的源极区41a和漏极区41b，砷(as)离子注入能量为40kev，剂量为4
×
10
15
cm-2
，然后在1050℃、氮气(n2)氛围中退火5秒(s)。
71.如图11所示，在形成源极区41a和漏极区41b的第一拓扑绝缘体层30上通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)的方式伸长一层绝缘层43，该绝缘层可以是二氧化硅(sio2)，该绝缘层43的厚度可以是3000埃
72.如图12所示，自绝缘层43的顶部向下按照多个预设位置进行刻蚀处理，形成通孔44。应注意，通孔44的位置应至少漏出栅金属层422的顶部、源极区41a的顶部以及漏极区41b的顶部。
73.如图13所示，通过物理气相沉积的方式向通孔44中填充金属。具体的，例如向通孔44中填充金属钨(w)，钨的厚度可以是750埃
74.如图14所示。通过化学机械抛光设备(chemical mechanical polishing，cmp)将多余的金属去除，完成晶体管的制作。
75.最后，对第一拓扑绝缘体层30进行电场诱导处理，得到包括产生拓扑相变的第二拓扑绝缘体层50的拓扑晶体管。具体的，电场诱导处理中施加的电场强度可以是5mv/cm。
76.第二方面，本发明实施例还提供一种拓扑晶体管，使用第一方面实施例所述的拓扑晶体管的制作方法制作，参见图14，所述拓扑晶体管包括：
77.衬底10，以及依次形成在所述衬底10上的二氧化硅层20、第二拓扑绝缘体层50和堆叠结构40；
78.其中，所述第二拓扑绝缘体层50为对第一拓扑绝缘体层30进行电场诱导处理后得到的拓扑绝缘体层。
79.与现有技术相比，本发明提供的拓扑晶体管的有益效果与上述技术方案所述拓扑晶体管的制作方法的有益效果相同，此处不做赘述。
80.在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术于段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利
地结合使用。
81.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。