[發(fā)明專(zhuān)利]具有局域底柵的晶體管及其制作方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110793111.2
• 申請(qǐng)日: 2021-07-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113690300A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許海濤;高寧飛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京華碳元芯電子科技有限責(zé)任公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01L29/40
• 分類(lèi)號(hào): H01L29/40;H01L29/78;H01L21/02;H01L21/8238
• 代理公司: 北京秉文同創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11859
• 代理人: 趙星

本發(fā)明涉及一種局域底柵的晶體管及其制作方法，該晶體管包括襯底、低維半導(dǎo)體層、源極、漏極和局部底柵，局部底柵位于上述襯底上，局部底柵上具有一柵介質(zhì)層，低維半導(dǎo)體層位于上述柵介質(zhì)層上作為晶體管器件的溝道，源極和漏極位于低維半導(dǎo)體溝道的相對(duì)兩側(cè)，并分別與上述低維半導(dǎo)體層一個(gè)或多個(gè)部分接觸；在上述源極、上述漏極以及所述溝道層上具有一過(guò)渡層和一靜電摻雜層，該靜電摻雜層中具有固定電荷，從而對(duì)其對(duì)應(yīng)的低維半導(dǎo)體溝道層進(jìn)行靜電摻雜從而形成NMOS器件，同時(shí)還提出了上述晶體管的制作方法。本發(fā)明的晶體管具有熱穩(wěn)定性好、閾值電壓精確可控，同時(shí)工藝具有兼容性，能夠滿足大規(guī)模碳基集成電路生產(chǎn)的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體地，涉及一種具有局部底柵的晶體管及制備方法。

背景技術(shù)

低維半導(dǎo)體材料，例如碳納米管、石墨烯、黑磷或二維材料，由于具備厚度較薄、高遷移率、高物理和化學(xué)穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異的性能，因此被廣泛應(yīng)用于晶體管中作為溝道材料使用。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝類(lèi)似地，低維材料作為溝道的晶體管也可以通過(guò)對(duì)低維材料進(jìn)行摻雜，改變半導(dǎo)體溝道材料中載流子的分布，從而改變其電學(xué)性能，并分別形成p型區(qū)和n型區(qū)，進(jìn)而形成具有各種結(jié)構(gòu)功能的半導(dǎo)體器件，例如二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。但是上述低維半導(dǎo)體禁帶寬度普遍比硅小，其中碳納米管典型帶隙約為0.5eV，對(duì)應(yīng)硅帶隙約為1.12eV。由于帶隙較窄，關(guān)態(tài)下漏端帶間隧穿勢(shì)壘寬度被大幅度壓縮，產(chǎn)生了較大的隧穿電流，影響靜態(tài)能耗。對(duì)應(yīng)晶體管的關(guān)態(tài)隧穿效應(yīng)比硅基晶體管顯著,而且目前對(duì)于這種無(wú)摻雜MOS的結(jié)構(gòu)，均存在漏端電場(chǎng)過(guò)于集中和過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致溝道偏漏端附近存在的肖特基勢(shì)壘過(guò)薄，導(dǎo)致肖特基隧穿嚴(yán)重。

由于低維半導(dǎo)體材料的特殊性，采用傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散和離子注入的方式對(duì)溝道材料進(jìn)行摻雜容易導(dǎo)致多種問(wèn)題。例如，低維材料更容易受到環(huán)境的影響，因而熱擴(kuò)散或離子注入很難形成均勻且可靠的摻雜，并且在摻雜過(guò)程中容易對(duì)低維材料造成破壞。同時(shí)低維材料的溝道厚度極薄，一般為單原子層或幾個(gè)原子層，通過(guò)傳統(tǒng)的雜質(zhì)離子摻雜方法很難實(shí)現(xiàn)在溝道中的有效摻雜，雜質(zhì)離子更可能分布在絕緣基底中。并且部分低維材料，如碳納米管和石墨烯，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，原子間化學(xué)鍵鍵能很強(qiáng)且表面不存在懸掛鍵，摻雜的雜質(zhì)離子很難與碳原子成鍵形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而是更傾向于以不穩(wěn)定的弱相互作用方式存在(如表面吸附)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)诫s效應(yīng)很不穩(wěn)定。此外，傳統(tǒng)的摻雜方式通常需要1000℃以上的高溫下退火，修復(fù)摻雜過(guò)程帶來(lái)的晶格損傷。而大部分低維材料無(wú)法承受上述溫度，且高溫退火工藝也限制了器件制備工藝的兼容性。因此，低維半導(dǎo)體材料晶體管無(wú)法實(shí)現(xiàn)硅基晶體管的輕摻雜源漏(LDD)來(lái)精細(xì)調(diào)控漏端摻雜濃度在空間上的分布，從而降低短溝道效應(yīng)、結(jié)漏電流和寄生電流等負(fù)面效應(yīng)。但是，低維半導(dǎo)體材料由于其超薄溝道的特性和有限的載流子濃度(相較于塊體半導(dǎo)體材料)，較塊體半導(dǎo)體材料更加易于實(shí)現(xiàn)靜電調(diào)控，并且低維半導(dǎo)體材料與金屬半導(dǎo)體接觸特性與傳統(tǒng)半導(dǎo)體也有所不同，例如碳納米管與某些金屬的接觸沒(méi)有觀察到明顯的費(fèi)米釘扎效應(yīng)。

目前可通過(guò)選擇與溝道材料功函數(shù)匹配的金屬材料作為源漏極替代對(duì)溝道材料的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)PMOS或NMOS，或者采用底柵的器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)在溝道表面沉積具有固定電荷的材料層，對(duì)溝道進(jìn)行靜電摻雜來(lái)解決上述問(wèn)題。選擇與溝道材料功函數(shù)匹配的金屬材料形成源漏極，可在開(kāi)態(tài)時(shí)進(jìn)行電子(NMOS)或空穴(PMOS)的有效注入，并通過(guò)柵極調(diào)控溝道中的能帶彎曲控制晶體管的開(kāi)和關(guān)，通過(guò)在溝道表面沉積具有固定電荷的材料層對(duì)溝道進(jìn)行靜電摻雜可對(duì)整個(gè)溝道進(jìn)行靜電摻雜，進(jìn)而調(diào)整源漏極和柵極之間的能帶彎曲，實(shí)現(xiàn)載流子的無(wú)勢(shì)壘注入或隧穿注入。但是，上述兩種方式制備的低維材料晶體管仍存在較多問(wèn)題，以碳納米管晶體管為例，采用金屬功函數(shù)匹配的金屬材料形成源漏極制備的高k介質(zhì)晶體管，閾值電壓無(wú)法有效調(diào)控，關(guān)斷狀態(tài)下漏端容易發(fā)生反向隧穿，造成開(kāi)關(guān)比下降等問(wèn)題。采用局域底柵結(jié)合溝道表面靜電摻雜，或頂柵結(jié)構(gòu)利用柵介質(zhì)氧化物靜電摻雜的方式制備的晶體管，目前實(shí)現(xiàn)靜電摻雜通常使用配比不完全的金屬氧化物(即存在較多的氧空位或懸掛鍵等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，界面不穩(wěn)定，存在很多缺陷態(tài)和界面態(tài)，進(jìn)而會(huì)降低溝道遷移率，不利于柵控，器件均一性受影響，工藝重復(fù)性也較差。