CN107564958A - 基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管及其制备方法，其中制备方法包括：选取Si衬底；在Si衬底表面连续生长Ge外延层和保护层；采用激光再晶化工艺晶化Ge外延层并刻蚀保护层；在Ge外延层表面生长GeSn外延层；在GeSn外延层表面连续生长栅介质层与栅极材料层并光刻栅介质层与栅极材料层；制备P型掺杂的源区和N型掺杂的漏区；激活源区和漏区完成隧穿场效应晶体管的制备；本发明提供的基于LRC工艺的GeSn隧穿晶体管，较于传统MOS器件，该结构亚阈效应小，可以解决短沟效应；从而提高了TFET器件的电流驱动与频率特性。

Description

基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属半导体器件技术领域，特别涉及一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

随着半导体器件特征尺寸的不断减小，尤其是进入纳米尺寸之后，器件中的短沟效应等负面效应对器件泄露电流、亚阈特性、开态/关态电流等性能的影响越来越突出，电路速度和功耗的矛盾也将愈加严重。

针对这一问题，目前已提出较为有效的办法是可以通过采用低亚阈值摆幅的新型器件隧穿场效应晶体管(Tunneling Field-Effect Transistor,TFET)取代传统的金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)来减小短沟道效应的影响。TFET是一种PIN结构的晶体管，它基于载流子的量子隧穿效应工作，并且可以通过器件优化，使得隧穿晶体管的亚阈值摆幅在室温里降到60mV/dec以下。但是由于隧穿晶体管的开态电流较小，使其电路性能不足，应用受限。

因此选择何种材料及工艺制备高质量的TFET变的尤为重要。

发明内容

为了提高现有TFET的性能，本发明提供了一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管及其制备方法；本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的实施例提供了一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管的制备方法，包括：

(a)选取Si衬底；

(b)在所述Si衬底表面连续生长Ge外延层和保护层；

(c)采用激光再晶化工艺晶化所述Ge外延层形成Ge虚衬底，刻蚀所述保护层；

(d)在所述Ge虚衬底表面生长GeSn外延层；

(e)在所述GeSn外延层表面连续生长栅介质层与栅极材料层并光刻所述栅介质层与栅极材料层；

(f)制备P型掺杂的源区和N型掺杂的漏区；

(g)激活所述源区和所述漏区以完成所述隧穿场效应晶体管的制备。

其中，激光再晶化工艺(LRC工艺)是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使Si衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的Ge外延层，还可以克服常规两步法工艺存在的问题。

在本发明的一个实施例中，所述Si衬底为掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的P型单晶Si。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)工艺在所述Si衬底表面生长P型掺杂的所述Ge外延层，所述Ge外延层厚度为200～300nm；

(b2)采用CVD工艺在所述Ge外延层表面生长所述保护层，所述保护层为厚度100～150nm的SiO₂。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：

(c1)将包括所述Si衬底、所述Ge外延层及所述保护层的整个衬底材料加热至700℃，采用激光再晶化工艺晶化所述整个衬底材料；

(c2)自然冷却所述整个衬底材料；

(c3)采用干法刻蚀工艺刻蚀所述保护层，形成所述Ge虚衬底。

其中，所述激光再晶化工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm²，激光移动速度为25mm/s。

在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：

(d1)在H₂氛围中350℃以下，利用SnCl₄和GeH₄分别作为Sn和Ge源，GeH₄/SnCl₄气体流量比为6.14～6.18，在所述Ge虚衬底表面生长厚度为146nm厚的无掺杂的GeSn区域；

(d2)采用离子注入工艺，对所述GeSn区域注入8×10¹⁶cm^-3的BF₂ ⁺，形成P型掺杂的所述GeSn外延层。

在本发明的一个实施例中，步骤(e)包括：

(e1)在所述GeSn外延层表面依次生长厚度为0.7nm的高k栅介质层与栅极材料层；

(e2)利用光刻工艺，刻蚀掉指定区域的所述栅介质层与栅极材料层。

在本发明的一个实施例中，步骤(f)包括：

(f1)在所述GeSn外延层和所述栅极材料层表面淀积光刻胶并光刻出源区图形；

(f2)采用离子注入工艺，对所述GeSn外延层注入BF₂ ⁺形成P型掺杂的所述源区；并去除光刻胶；

(f3)在所述P型掺杂的GeSn外延层和所述栅极材料层表面淀积光刻胶并光刻出漏区图形；

(f4)采用离子注入工艺，对所述P型掺杂的GeSn外延层注入P+形成N型掺杂的所述漏区；并去除光刻胶。

其中，注入BF₂ ⁺的能量为35keV，剂量为1×10¹⁹cm^-2；注入P+的能量为8KeV，剂量为2×10¹⁸cm^-2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用的激光晶化工艺，具有Ge外延层晶体质量高，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；

2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge外延层，可有效降低Ge虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge虚衬底的质量从而得到更高质量的GeSn外延层，为高性能TFET的制备提供物质基础；

3)本发明提供基于LRC工艺的GeSn隧穿晶体管，较于传统MOS器件，该结构亚阈效应小，可以解决短沟效应；相对于传统Si材料，GeSn材料的载流子迁移率提高了数倍，而且通过对Sn组分的调节使间接带隙材料转化为直接带隙材料，增加载流子隧穿几率，从而提高了TFET器件的电流驱动与频率特性。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管制备方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种LRC工艺方法示意图；

图3a-图3k为本发明实施例的一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管制备方法示意图；

图4为本发明实施例的一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管制备方法流程图，其中，制备方法包括：

(a)选取Si衬底；

(b)在Si衬底表面连续生长Ge外延层和保护层；

(c)采用激光再晶化工艺晶化Ge外延层形成Ge虚衬底，刻蚀保护层；

(d)在Ge虚衬底表面生长GeSn外延层；

(e)在GeSn外延层表面连续生长栅介质层与栅极材料层并光刻栅介质层与栅极材料层；

(f)制备P型掺杂的源区和N型掺杂的漏区；

(g)激活源区和漏区以完成隧穿场效应晶体管的制备。

图2为本发明实施例提供的一种LRC工艺方法示意图，LRC工艺是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使Si衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的Ge外延层，还可以克服常规两步法工艺存在的问题。

其中，步骤(b)可以包括：

(b1)采用CVD工艺在Si衬底表面生长P型掺杂的Ge外延层，Ge外延层厚度为200～300nm；

(b2)采用CVD工艺在Ge外延层表面生长保护层，保护层为厚度100～150nm的SiO₂。

优选地，步骤(c)可以包括：

(c1)将包括Si衬底、Ge外延层及保护层的整个衬底材料加热至700℃，采用激光再晶化工艺晶化整个衬底材料；

(c2)自然冷却整个衬底材料；

(c3)采用干法刻蚀工艺刻蚀保护层，形成Ge虚衬底。

其中，激光再晶化工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm²，激光移动速度为25mm/s。

优选地，步骤(d)可以包括：

(d1)在H₂氛围中350℃以下，利用SnCl₄和GeH₄分别作为Sn和Ge源，GeH₄/SnCl₄气体流量比为6.14～6.18，在Ge虚衬底表面生长厚度为146nm厚的无掺杂的GeSn区域；

(d2)采用离子注入的方式，对GeSn区域注入8×10¹⁶cm^-3的BF₂ ⁺，形成P型掺杂的GeSn外延层。

优选地，步骤(e)可以包括：

(e1)在GeSn外延层表面依次生长厚度为0.7nm的高k栅介质层与栅极材料层；

(e2)利用光刻工艺，刻蚀掉指定区域的所述栅介质层与栅极材料层。

优选地，步骤(f)可以包括：

(f1)在GeSn外延层和栅极材料层表面淀积光刻胶并光刻出源区图形；

(f2)采用离子注入工艺，对GeSn外延层注入BF₂ ⁺形成P型掺杂的源区；并去除光刻胶；

(f3)在P型掺杂的GeSn外延层和栅极材料层表面淀积光刻胶并光刻出漏区图形；

(f4)采用离子注入的方式，对P型掺杂的GeSn外延层注入P+形成N型掺杂的漏区；并去除光刻胶。

其中，对GeSn外延层离子注入BF₂ ⁺的能量为35keV，剂量为1×10¹⁹cm^-3；对GeSn外延层离子注入P+的能量为8KeV，剂量为2×10¹⁸cm^-3。

本实施例通过激光热处理，使Si衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的Ge外延层，还可以克服常规两步法工艺存在的问题，从而可以制备高质量的GeSn TFET。

实施例二

请参照图3a-图3k，图3a-图3k为本发明实施例的一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管制备方法示意图，该制备方法包括如下步骤：

S10、GeSn区域的制备；

S101、衬底选取。选取掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的P型单晶硅(Si)衬底片(001)为初始材料001；

S102、Ge外延层生长。如图3a所示，在500℃～600℃温度下，采用CVD工艺在Si衬底材料001表面生长200～300nm P型掺杂的Ge外延层002；

S103、保护层的制备。如图3b所示，采用CVD工艺在Ge外延层表面上生长100～150nm SiO₂层003；

S104、Ge外延层的晶化及保护层刻蚀。将包括单晶Si衬底、Ge外延层及SiO₂层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光再晶化工艺晶化整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，自然冷却整个衬底材料，采用干法刻蚀工艺刻蚀SiO₂层003，得到由直接外延的Ge材料002再晶化后形成的高质量Ge虚衬底材料004如图3c所示；

S105、GeSn区域的制备。如图3d所示：在H₂氛围中将温度降到350℃以下，SnCl₄和GeH₄分别作为Sn和Ge源。GeH₄/SnCl₄气体流量比为6.14～6.18(由Ge/Sn组分决定，此处我们生长的是x＝0.86的Ge_xSn_1-x的锗锡材料)。生长厚度为146nm的无掺杂的GeSn区域005；

S20、隧穿场效应晶体管的制备；

S201、GeSn区域掺杂。如图3e所示，对GeSn区域用离子注入的方式，注入8×10¹⁶cm^-2的BF₂ ⁺，形成P型轻掺杂的GeSn外延层006。

S202、淀积绝缘层与导电层。如图3f所示，淀积等效氧化层厚度(EOT，equivalentoxide thickness)为0.7nm的高k栅介质层与栅极材料层007、008。

S203、栅叠层光刻。如图3g、图3h所示：

S2031、淀积形成第一层光刻胶009，掩膜曝光光刻出栅叠层区的图形。

S2032、分别刻蚀掉导电层与绝缘层，直到露出半导体。

S2033、去除第一层光刻胶009。

S204、源区定义。如图3i所示：

S2041、淀积形成第二层光刻胶010，光刻出源区的注入图形。

S2042、离子注入能量35keV，剂量为1×10¹⁹cm^-2的BF₂ ⁺形成P型掺杂的源区011。

S2043、去除第二层光刻胶010。

S205、漏区定义。如图3j、图3k所示：

S2051、淀积形成第三层光刻胶012，光刻出源区的注入图形。

S2052、离子注入能量为8KeV，剂量为2×10¹⁸cm^-2的P⁺形成N型掺杂的漏区013。

S2053、去除第三层光刻胶012

S206、源漏区的活化。源漏区在400℃的温度下快速退火5min激活杂质。

实施例三

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管结构示意图。该隧穿场效应晶体管采用上述如图3a-图3k所示的制备方法制成。具体地，隧穿场效应晶体管包括：Si衬底401、Ge虚衬底402、GeSn外延层403、高k栅介质层404、栅极材料层405、源区406以及漏区407。

其中，Ge虚衬底402由LRC工艺晶化整个衬底材料制得。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：

(a)选取Si衬底；

(b)在所述Si衬底表面连续生长Ge外延层和保护层；

(c)采用激光再晶化工艺晶化所述Ge外延层形成Ge虚衬底，刻蚀所述保护层；

(d)在所述Ge虚衬底表面生长GeSn外延层；

(e)在所述GeSn外延层表面连续生长栅介质层与栅极材料层并光刻所述栅介质层与栅极材料层；

(f)制备P型掺杂的源区和N型掺杂的漏区；

(g)激活所述源区和所述漏区以完成所述隧穿场效应晶体管的制备。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si衬底为掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的P型单晶Si。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)包括：

(b1)采用CVD工艺在所述Si衬底表面生长P型掺杂的所述Ge外延层，所述Ge外延层厚度为200～300nm；

(b2)采用CVD工艺在所述Ge外延层表面生长所述保护层，所述保护层为厚度100～150nm的SiO₂。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)包括：

(c1)将包括所述Si衬底、所述Ge外延层及所述保护层的整个衬底材料加热至700℃，采用激光再晶化工艺晶化所述整个衬底材料；

(c2)自然冷却所述整个衬底材料；

(c3)采用干法刻蚀工艺刻蚀所述保护层，形成所述Ge虚衬底。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述激光再晶化工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm²，激光移动速度为25mm/s。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(d)包括：

(d1)在H₂氛围中350℃以下，利用SnCl₄和GeH₄分别作为Sn和Ge源，GeH₄/SnCl₄气体流量比为6.14～6.18，在所述Ge虚衬底表面生长厚度为146nm的无掺杂的GeSn区域；

(d2)采用离子注入的方式，对所述GeSn区域注入8×10¹⁶cm^-3的BF₂ ⁺，形成P型掺杂的所述GeSn外延层。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(e)包括：

(e1)在所述GeSn外延层表面依次生长厚度为0.7nm的高k栅介质层与栅极材料层；

(e2)利用光刻工艺，刻蚀掉指定区域的所述栅介质层与栅极材料层。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(f)包括：

(f1)在所述GeSn外延层和所述栅极材料层表面淀积光刻胶并光刻出源区图形；

(f2)采用离子注入工艺，对所述GeSn外延层注入BF₂ ⁺形成P型掺杂的所述源区，并去除光刻胶；

(f3)在所述P型掺杂的GeSn外延层和所述栅极材料层表面淀积光刻胶并光刻出漏区图形；

(f4)采用离子注入工艺，对所述P型掺杂的GeSn外延层注入P+形成N型掺杂的所述漏区，并去除光刻胶。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，注入BF₂ ⁺的能量为35keV，剂量为1×10¹⁹cm^-2；注入P+的能量为8KeV，剂量为2×10¹⁸cm^-2。

10.一种基于LRC的GeSn隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述隧穿场效应晶体管由权利要求1～9任一项所述的方法制备形成。