本發(fā)明涉及一種高遷移率溝道雙納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法，屬于超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

集成電路產(chǎn)業(yè)一直遵循著摩爾定律不斷前進(jìn)。當(dāng)器件的特征尺寸進(jìn)入納米尺度，受到短溝道效應(yīng)、寄生效應(yīng)等問題的影響，器件性能不再隨尺寸的縮小以預(yù)測(cè)的程度提高。因此，新結(jié)構(gòu)器件成為重要的解決方案。其中，圍柵納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有最強(qiáng)的柵控能力和輸運(yùn)特性，被認(rèn)為是10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后最有潛力的器件結(jié)構(gòu)。首先，圍柵硅納米線器件的溝道完全被柵包裹，使整個(gè)溝道區(qū)的電勢(shì)得到控制，減少泄漏電流。其次，圍柵納米線溝道中的量子限域效應(yīng)使得反型層遠(yuǎn)離溝道表面，散射減少，有利于提高遷移率。

為了進(jìn)一步提高器件的驅(qū)動(dòng)能力，高遷移率溝道材料，如鍺硅、鍺和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，也受到了廣泛關(guān)注。因此，多柵器件與高遷移率溝道材料相結(jié)合是未來的主要趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出了一種高遷移率溝道雙納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。首先在Fin條底部、頂部和側(cè)壁形成鍺擴(kuò)散阻擋層，對(duì)鍺硅Fin條進(jìn)行氧化，利用鍺硅在氧化硅上氧化時(shí)趨于形成納米線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在Fin條頂部和底部分別形成納米線結(jié)構(gòu)；同時(shí)，利用鍺聚集技術(shù)，使鍺向Fin條頂部和底部擴(kuò)散，提高溝道中鍺組分，進(jìn)而提高載流子遷移率，從而提高驅(qū)動(dòng)電流。另外，雙納米線結(jié)構(gòu)可以在提高驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)節(jié)省芯片面積。

本發(fā)明提供的高遷移率溝道雙納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括半導(dǎo)體襯底和半導(dǎo)體襯底上懸空的雙納米線，其特征在于，該雙納米線為鍺硅材料，納米線的中部為溝道，溝道被柵介質(zhì)層和柵電極圍繞形成圍柵結(jié)構(gòu)，溝道長(zhǎng)度小于納米線長(zhǎng)度；源、漏位于溝道兩端；納米線兩端的半導(dǎo)體材料與襯底之間有一層氧化硅絕緣層。

本發(fā)明還提供一種高遷移率溝道雙納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：

1)在半導(dǎo)體襯底上淀積一層氧化硅，在氧化硅上形成單晶鍺硅層，定義器件有源區(qū)；

2)在單晶鍺硅層上淀積硬掩膜，通過光刻定義Fin條圖形，刻蝕硬掩膜，露出Fin條兩側(cè)的單晶鍺硅層表面，然后刻蝕單晶鍺硅層至一定深度，去除光刻膠；

3)淀積側(cè)墻材料并干法刻蝕，在單晶鍺硅Fin條兩側(cè)形成側(cè)墻；

4)繼續(xù)刻蝕單晶鍺硅層和底部的氧化硅，停止在半導(dǎo)體襯底表面；

5)對(duì)Fin條進(jìn)行熱氧化，在Fin條中形成一層氧化層，熱氧化過程中鍺向Fin條頂部和底部擴(kuò)散，聚集形成兩條高鍺組分的鍺硅納米線，兩條鍺硅納米線被氧化硅包裹；

6)濕法腐蝕硬掩膜、側(cè)墻和熱氧化產(chǎn)生的氧化硅，使納米線懸空；

7)進(jìn)行多次犧牲氧化及氧化層腐蝕，使納米線變圓、變細(xì)；

8)圍繞兩條納米線形成圍柵結(jié)構(gòu)，摻雜并退火形成源漏。

上述制備方法中，步驟1)中淀積的氧化硅作為氧化過程中鍺擴(kuò)散的底部阻擋層。所述半導(dǎo)體襯底可以是體硅襯底、體鍺襯底、超薄硅膜SOI襯底等，若為超薄硅膜SOI襯底，可以在襯底上直接外延單晶鍺硅層。

步驟1)中淀積氧化硅可以采用低壓化學(xué)氣相淀積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)等方法，氧化硅阻擋層的厚度優(yōu)選為10～50nm。

步驟1)在氧化硅上生長(zhǎng)多晶或非晶鍺硅層，退火形成單晶鍺硅層。所述單晶鍺硅層可以是鍺硅、鍺硅/鍺疊層等，但不局限于上述材料，厚度優(yōu)選為5～100nm。生長(zhǎng)多晶層或非晶層可以采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法；退火工藝可以采用快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)、激光退火(Laser Annealing，LA)等方法。

步驟2)中所述硬掩膜可以為氧化硅、氮化硅等材料，淀積硬掩膜可以采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法，其厚度可以為10～50nm。光刻采用電子束光刻或193nm浸沒式光刻等能形成納米尺度線條的先進(jìn)光刻技術(shù)?？涛g硬掩膜形成“H”圖形，中間的腰部即為Fin條圖形，F(xiàn)in條寬度可以在100nm以下。

優(yōu)選的，步驟2)刻蝕單晶鍺硅層的深度決定了兩條納米線的直徑，刻蝕深度應(yīng)小于單晶鍺硅層厚度，優(yōu)選為單晶鍺硅層厚度的一半。

步驟3)中所述側(cè)墻材料可以為氧化硅、氮化硅等材料，淀積側(cè)墻材料可以采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法。

在步驟5)熱氧化使得兩條鍺硅納米線之間，以及納米線與硬掩膜、側(cè)墻之間形成氧化硅。所述熱氧化工藝可以采用濕氧氧化、氫氧合成氧化、等離子體氧化等，氧化時(shí)間應(yīng)根據(jù)刻蝕后Fin條寬度、氧化速率以及所需納米線中鍺組分而定，應(yīng)保證形成一個(gè)隔離Fin條頂部與底部的氧化硅層。

步驟8)為常規(guī)的后續(xù)工藝，形成柵介質(zhì)層、柵電極及側(cè)墻，摻雜并退火形成源漏，光刻、刻蝕接觸孔，濺射金屬，光刻、刻蝕形成金屬互連，合金，鈍化。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下：

1)利用鍺聚集技術(shù)，提高溝道中鍺組分，進(jìn)而提高溝道中載流子遷移率，從而提高驅(qū)動(dòng)電流。

2)采用垂直雙納米線結(jié)構(gòu)，在提高驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)節(jié)省了芯片面積。

附圖說明

圖1-圖9為實(shí)施例制備雙鍺硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的關(guān)鍵工藝流程示意圖，各圖中(a)為垂直于溝道方向的剖面圖，(b)為沿溝道方向的剖面圖，(c)為俯視圖(其中AA’為垂直于溝道方向，BB’為平行于溝道方向)。

其中：1-硅襯底；2-底部氧化硅阻擋層；3-單晶鍺硅層；4-作硬掩膜的氧化硅層；5-保護(hù)鍺硅Fin條的氧化硅側(cè)墻；6-鍺硅納米線；7-包裹納米線的氧化硅層；8-柵介質(zhì)；9-柵電極；10-氧化硅側(cè)墻；11-源；12-漏。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明方法首先在Fin條底部、頂部和側(cè)壁形成鍺擴(kuò)散阻擋層，對(duì)鍺硅Fin條進(jìn)行氧化，利用鍺硅在氧化硅上氧化時(shí)趨于形成納米線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在Fin條頂部和底部分別形成納米線結(jié)構(gòu)；同時(shí)，利用鍺聚集技術(shù)，使鍺向Fin條頂部和底部擴(kuò)散，提高納米線中鍺組分，進(jìn)而提高載流子遷移率，從而提高驅(qū)動(dòng)電流。另外，雙納米線結(jié)構(gòu)可以在提高驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)節(jié)省芯片面積。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

根據(jù)下列步驟可以實(shí)現(xiàn)雙鍺硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管：

步驟1.在P型(100)硅襯底1上CVD淀積20nm氧化硅阻擋層2，用LPCVD淀積50nm多晶鍺硅層，退火形成單晶鍺硅層3，如圖1所示；

步驟2.PECVD淀積30nm氧化硅，光刻定義有源區(qū)及Fin條圖形，刻蝕形成作硬掩膜的氧化硅層4，作硬掩膜的氧化硅層4呈“H”形，面積小于單晶鍺硅層3面積，如圖2所示；

步驟3.刻蝕單晶鍺硅層3，刻蝕深度為25nm，去膠，如圖3所示；刻蝕深度為單晶鍺硅層3的一半；

步驟4.PECVD淀積氧化硅，并干法刻蝕形成氧化硅側(cè)墻5，作為氧化時(shí)鍺擴(kuò)散的阻擋層，如圖4所示；

步驟5.進(jìn)一步刻蝕鍺硅和底部氧化硅，露出硅襯底表面，如圖5所示；

步驟6.對(duì)Fin條進(jìn)行熱氧化，在Fin條中間形成一層氧化層，熱氧化過程中鍺向Fin條頂部和底部擴(kuò)散，聚集形成兩條垂直排列的高鍺組分的納米線6，兩條鍺硅納米線6被氧化硅層7包裹，如圖6所示；

步驟7.用稀釋的HF溶液腐蝕氧化硅層7，得到2根懸空的鍺硅納米線6，如圖7所示；

步驟8.進(jìn)行多次犧牲氧化及氧化層腐蝕，使鍺硅納米線6變圓、變細(xì)，如圖8所示；

步驟9.整片淀積高k柵介質(zhì)，淀積60nmTiN，CMP平坦化，形成柵介質(zhì)層8和柵電極9，如圖9所示；

步驟10.形成側(cè)墻10，源漏摻雜P，注入劑量為2E15cm^-2，能量為20keV。采用RTA退火950℃，30s，激活雜質(zhì)，具體退火條件根據(jù)鍺組分改變；

步驟11.進(jìn)行后續(xù)工藝，淀積氧化硅作為層間介質(zhì)，光刻、刻蝕形成柵、源、漏各端的接觸孔，濺射金屬，光刻、刻蝕形成金屬線，合金，鈍化。

綜上所述，這種方法首先在Fin條底部、頂部和側(cè)壁形成鍺擴(kuò)散阻擋層，對(duì)鍺硅Fin條進(jìn)行氧化，利用鍺硅在氧化硅上氧化時(shí)趨于形成納米線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在Fin條頂部和底部分別形成納米線結(jié)構(gòu)；同時(shí)，利用鍺聚集技術(shù)，使鍺向Fin條頂部和底部擴(kuò)散，提高納米線中鍺組分，進(jìn)而提高載流子遷移率，從而提高驅(qū)動(dòng)電流。另外，雙納米線結(jié)構(gòu)可以在提高驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)節(jié)省了芯片面積。