一种三维互补场效应晶体管及其制备方法

摘要

本发明属于半导体器件技术领域，具体为一种三维互补场效应晶体管及其制备方法。本发明将两种不同极性的场效应晶体管进行三维堆叠，通过同一个共栅极同时控制两个晶体管的导通状态，经互连金属连接两个晶体管的漏电极端，构建成三维互补场效应晶体管；制备步骤包括：在SOI顶层硅上形成有源区硅；在有源区硅上形成源漏接触金属；沉积一下介质层；形成共栅极；沉积一上介质层；在上介质层上形成二维半导体材料；在二维半导体材料上形成源漏接触金属；进行互连通孔的光刻、刻蚀和金属淀积，形成互连金属。本发明提供的三维互补场效应晶体管，能够提高集成电路单位集成密度，在工艺上易于实现，在逻辑电路、光电集成系统中具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种三维互补场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

自集成电路发明以来，以半导体硅为载体的器件的特征尺寸按照“摩尔定律”逐渐缩小，以达到单位面积上最大化的器件数量，在降低芯片生产成本的同时，提高器件的性能。然而当器件的特征尺寸缩小到亚10纳米以下时，短沟道效应、量子效应、热载流子注入效应等问题变得越来越严重。解决这一问题可采用新材料和新器件的创新。材料方面，二维半导体材料具有原子层厚度，可有效抑制短沟道效应；器件方面，采用环栅结构和三维的多桥沟道场效应晶体管可以进一步增加器件的栅控能力、提高器件的集成密度。

现有的器件结构多采用平面式结构，不利于器件集成密度的进一步提高。目前基于全硅基的三维垂直器件在工艺上难以实现。因此结合新材料、新器件并且工艺兼容的方法实现三维垂直的新型器件，在1纳米及以下节点中尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维互补场效应晶体管及其制备方法，以解决背景技术中提到的现有的晶体管集成度不高、工艺上难以实现等问题。

本发提供的三维互补场效应晶体管的制备方法，将两种不同极性的场效应晶体管进行三维堆叠，通过同一个共栅极同时控制上下两个晶体管的导通状态，经互连金属连接上下两个晶体管的漏电极端，构建成三维互补的场效应晶体管；制备的具体步骤为：

（1）提供一SOI衬底；

（2）在SOI顶层硅上形成有源区硅；

（3）在有源区硅上形成第一源漏接触金属；

（4）沉积一下介质层；

（5）形成共栅极；

（7）沉积一上介质层；

（7）在上介质层上形成二维半导体材料；

（8）在二维半导体材料上形成第二源漏接触金属；

（9）进行互连通孔的光刻、刻蚀和金属淀积，形成互连金属。

其中，所述SOI顶层硅、第一源漏接触金属、下介质层和下栅极组成下场效应晶体管，二维半导体材料、第二源漏接触金属、上介质层和上栅极组成上场效应晶体管；若下场效应晶体管为p型场效应晶体管，则二维半导体材料为n型半导体；若下场效应晶体管为n型场效应晶体管，则二维半导体材料为p型半导体。

优选地，所述上场效应晶体管的源电极、漏电极和沟道位于对应的下场效应晶体管的源电极、漏电极和沟道的垂直方向的正上方。

优选地，所述上场效应晶体管的漏电极比下场效应晶体管的漏电极短1 μm至10 μm。

优选地，所述互连金属通过金属连接上场效应晶体管的漏电极端和下场效应晶体管的漏电极端。

优选地，SOI衬底的顶层硅为轻掺杂的p型或n型硅中的任一种，厚度为1nm至100nm。

优选地，所述形成有源区硅的步骤如下：

以图案化的光刻胶为掩蔽层，采用干法或湿法刻蚀工艺选择性地去除掉有源区硅和沟道硅区域以外的顶层硅；

以图案化的光刻胶为掩蔽层，采用离子注入的方法在有源区硅中形成重掺杂的p型或n型硅；

900℃至1100℃快速热退火修复离子注入损伤。

优选地，所述第一源漏接触金属为金属或金属硅化物中的任一种。

优选地，所述共栅极由下栅极和上栅极的叠层结构组成，下栅极和上栅极均为金属材质。

优选地，所述下介质层和所述上介质层均为高介电常数的电介质材料，厚度均为1nm至50nm。

优选地，所述二维半导体材料为1至10层的二维过渡金属硫族化合物材料。

优选地，所述二维半导体材料采用薄膜真空转移法或直接生长法中的任一种形成。

优选地，所述第二源漏接触金属和互连金属均为金属材质。

优选地，形成第一源漏接触金属和第二源漏接触金属后，均采用高温热退火处理提升器件的接触性能。

优选地，互连通孔的刻蚀采用干法刻蚀工艺。

综上所述，本发明制备的三维互补场效应晶体管，是将两种不同极性的场效应晶体管进行三维堆叠，通过同一个共栅极同时控制上下两个晶体管的导通状态，经互连金属连接上下两个晶体管的漏电极端，构建成三维互补的场效应晶体管。该三维互补场效应晶体管能够提高集成电路的单位集成密度，在工艺上易于实现。此外，该三维互补场效应晶体管还可以直接用作逻辑反相器，通过分别改变上栅极和下栅极的金属的功函数，可以分别调控上下两个晶体管的阈值电压。本发明提供的三维互补的场效应晶体管在逻辑电路、光电集成系统中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明涉及的三维互补场效应晶体管的制备方法流程图。

图2至图12是本发明涉及的三维互补场效应晶体管的制备方法每一步骤对应的结构图，其中，图11和图12分别为本发明涉及的三维互补场效应晶体管的截面图和三维示意图。

图中标号：1为硅衬底，2为二氧化硅，3为顶层硅，31为有源区硅，32为沟道硅，4为第一源漏接触金属，5为下介质层，6为共栅极，61为下栅极，62为上栅极，7为上介质层，8为二维半导体材料，9为第二源漏接触金属，10为互连通孔，11为互连金属。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的材料或具有相同或类似功能的方法。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明所述的一种三维互补场效应晶体管的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、提供一SOI衬底；

具体地，如图2所示，SOI衬底包括硅衬底1、二氧化硅2BOX层和顶层硅3。

优选地，SOI衬底的顶层硅3为轻掺杂的p型或n型硅中的任一种，厚度为1nm至100nm。

S2、如图2所示，在SOI顶层硅3上形成有源区硅31；

具体地，形成有源区硅31的步骤如下：

以图案化的光刻胶为掩蔽层，采用干法或湿法刻蚀工艺选择性地去除掉有源区硅31和沟道硅32区域以外的顶层硅3；

以图案化的光刻胶为掩蔽层，采用离子注入的方法在有源区硅31中形成重掺杂的p型或n型硅；

900℃至1100 ℃快速热退火修复离子注入损伤。

示例地，SOI衬底的顶层硅3采用轻掺杂的p型硅，在图案化的光刻胶为掩蔽层下，采用反应离子刻蚀选择性地刻蚀掉有源区硅31和沟道硅32以外的顶层硅3。在光刻胶的选择性掩蔽作用下，对有源区硅31进行p型离子注入，注入离子为二氟化硼，能量为10 KeV，注入剂量为10

S3、如图3所示，在有源区硅31上形成第一源漏接触金属4；

具体地，第一源漏接触金属4为金属或金属硅化物中的任一种。形成第一源漏接触金属4后，采用高温热退火处理提升器件的接触性能。

示例地，第一源漏接触金属4采用金，采用光刻胶将第一源漏接触金属4区域图形化后，用电子束蒸发设备蒸镀60 nm的金形成第一源漏接触金属4。随后放入快速热退火炉中在氮气气氛下320 ℃退火10分钟以提升器件的接触性能。

S4、如图4所示，沉积一下介质层5；

具体地，下介质层5为高介电常数的电介质材料，厚度为1nm至50nm。

示例地，下介质层5采用二氧化铪，采用原子层沉积的方法制备，厚度为25 nm。

S5、如图5和图6所示，形成共栅极6；

具体地，共栅极6由下栅极61和上栅极62的叠层结构组成，下栅极61和上栅极62均为金属材质。

示例地，采用光刻胶将共栅极6区域图形化后，用电子束蒸发设备先后蒸镀20 nm钛和30 nm金，形成钛与金的叠层结构。其中，先蒸镀的位于下方的钛为下栅极61，后蒸镀的位于上方的金为上栅极62；当然，下栅极61和上栅极62也可以为同一种金属材料。

需要说明的是，至此，SOI顶层硅3、第一源漏接触金属4、下介质层5和下栅极61组成的下场效应晶体管已经形成。

S6、如图7所示，沉积一上介质层7；

具体地，上介质层7为高介电常数的电介质材料，厚度为1nm至50nm。

示例地，上介质层7采用二氧化铝，采用原子层沉积的方法制备，厚度为20nm。

S7、如图8所示，在上介质层7上形成二维半导体材料8；

具体地，二维半导体材料8为1至10层的二维过渡金属硫族化合物材料。二维半导体材料8采用薄膜真空转移法或直接生长法中的任一种形成。

示例地，二维半导体材料8为5层的二硫化钼。采用真空转移的方法，将二维半导体材料8从其他衬底转移到上介质层7上。

S8、如图9所示，在二维半导体材料8上形成第二源漏接触金属9；

具体地，第二源漏接触金属9为金属材质。形成第二源漏接触金属9后，采用高温热退火处理提升器件的接触性能。

示例地，第二源漏接触金属9采用金，采用光刻胶将第二源漏接触金属9区域图形化后，用电子束蒸发设备蒸镀50 nm的金形成第二源漏接触金属9。然后采用光刻和刻蚀工艺定义出二维半导体材料沟道区域，随后放入退火炉中在氮气气氛下250℃退火8分钟以提升器件的接触性能。

需要说明的是，至此，二维半导体材料8、第二源漏接触金属9、上介质层7和上栅极62组成的上场效应晶体管已经形成。

具体地，若下场效应晶体管为p型场效应晶体管，则二维半导体材料8为n型半导体；若下场效应晶体管为n型场效应晶体管，则二维半导体材料为p型半导体。

示例地，若SOI顶层硅3为轻掺杂的p型硅，有源区硅31为二氟化硼p型离子注入，形成的下场效应晶体管为p型场效应晶体管，则二维半导体材料8为n型半导体，优选地，二维半导体材料8采用二硫化钼，形成的上场效应晶体管为n型场效应晶体管。

具体地，上场效应晶体管的源电极、漏电极和沟道位于对应的下场效应晶体管的源电极、漏电极和沟道的垂直方向的正上方。上场效应晶体管的漏电极比下场效应晶体管的漏电极短1 μm至10 μm。

示例地，如图9所示，左侧和右侧的第一源漏接触金属4分别为下场效应晶体管的漏电极和源电极，左侧和右侧的第二源漏接触金属9分别为上场效应晶体管的漏电极和源电极，上场效应晶体管的源电极、漏电极和沟道位于对应的下场效应晶体管的源电极、漏电极和沟道的垂直方向的正上方。优选地，上场效应晶体管的漏电极比下场效应晶体管的漏电极短5 μm。

S9、如图10至图12所示，进行互连通孔10的光刻、刻蚀和金属淀积，形成互连金属11。

具体地，互连通孔10的刻蚀采用干法刻蚀工艺；互连金属11为金属材质；互连金属11通过金属连接上场效应晶体管的漏电极端和下场效应晶体管的漏电极端。

示例地，如图10至图12所示，采用光刻胶将互连通孔10区域图形化后，用电感耦合等离子体刻蚀设备刻蚀掉上下场效应晶体管的漏电极端之间的二维半导体材料8、上介质层7和下介质层5。然后，用电子束蒸发设备蒸镀100 nm的金形成互连金属11。

综上所述，本发明提供的一种三维互补场效应晶体管及其制备方法，将两种不同极性的场效应晶体管进行三维堆叠，通过同一个共栅极6同时控制上下两个晶体管的导通状态，经互连金属11连接上下两个晶体管的漏电极端，构建成三维互补的场效应晶体管。该三维互补场效应晶体管能够提高集成电路的单位集成密度，在工艺上易于实现。此外，该三维互补场效应晶体管还可以直接用作逻辑反相器，以下场效应晶体管为p型场效应晶体管，上场效应晶体管为n型场效应晶体管为例，将共栅极6作为电压输入端，互连金属11连通的上下场效应晶体管的漏电极端为电压输出端，下场效应晶体管的源电极端为电源电压端，上场效应晶体管的源电极端接地。通过分别改变上栅极62和下栅极61的金属的功函数，可以分别调控上下两个晶体管的阈值电压。本发明提供的三维互补的场效应晶体管在逻辑电路、光电集成系统中具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。