[发明专利]III‑V族化合物横向纳米线结构，纳米线晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件制作技术领域，涉及一种III-V族化合物横向纳米线结构及包含III-V族化合物横向纳米线结构的晶体管以及制备该种纳米线与晶体管的方法。

背景技术

在半导体器件制作技术领域，传统的平面MOSFET通过缩小尺寸来提高器件性能，而在22nm以上随着制程的减小一些问题凸显出来，尽管利用诸如High-k介质、应变沟道等新工艺可以规避因制程减小而引发的问题，但是却无法满足节点缩减的要求；随后被intel、台积电和三星等半导体厂商广泛采用的FinFET因其结构抑制了恶化的短沟道效应，且具有较高的栅控能力而受到好评，不过仍存在制备工艺苛刻的问题：为避免阈值波动，必须保证鳍的宽度和高度必须保持一致。随着IMEC发布了基于水平纳米线的围栅晶体管的制程工艺，在FinFET技术上进行自然延伸的水平纳米线围栅晶体管成为将来可量产的潜力股。此外，由于环栅结构可以进一步提升栅控能力，加之III-V族化合物具有较高迁移率，因此以III-V族化合物为代表的纳米线晶体管逐渐受到青睐。

纳米线晶体管可分为垂直结构与横向结构。垂直纳米线的密度高且直径可控，具有很好的一致性，但不利于栅极的逻辑布线，与平面CMOS工艺不兼容；目前大多数的纳米线晶体管主要采用横向生长纳米线的方式。而目前横向生长纳米线的技术还未成熟，常见的有采用Au等催化剂辅助纳米线生长的技术，不过对应生长出来的纳米线晶向杂乱，并且催化剂的引入带来了不必要的麻烦，故无催化剂横向纳米线选区生长更适用于逐渐进入瓶颈区的大规模集成电路；而在无催化剂诱导纳米线生长领域，已有的报道提出横向III-V族化合物纳米线多是在III-V族化合物衬底上获得，成本高昂，因此选用硅衬底进行III-V族化合物纳米线的外延生长这一思路一方面可以降低纯粹III-V族化合物材料引起的高昂成本，且凭借III-V族化合物的高迁移率，其性能远高于同等工艺制程的体硅器件，可以满足低成本、低功耗和高性能器件的发展趋势；另外通过在硅衬底生长III-V族化合物纳米线，可以减小与硅的接触面积，可以从纳米线的上表面和侧面两个维度释放晶格失配的应力和热失配，具有较好的前景。

不过对于目前在硅衬底上横向生长III-V族化合物纳米线的技术来说，仍存在制备出来的纳米线密度稀疏、晶向杂乱等关键问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种密度与晶向可控的III-V族化合物横向纳米线结构与制备方法，同时也提供了一种包含该III-V族化合物横向纳米线结构的晶体管及制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种III-V族化合物横向纳米线结构，包括：p型SOI衬底，p型SOI衬底的最上层为顶层硅，该顶层硅形成的多级平行的硅亚微米线；以及桥连在相邻两硅亚微米线之间的III-V族化合物纳米线。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制备如上所述III-V族化合物横向纳米线结构的方法，包括如下步骤：采用光刻技术在p型SOI衬底最上方的顶层硅上面形成多级平行的硅亚微米线；在多级平行的硅亚微米线之间采用MOCVD技术外延生长III-V族化合物纳米线。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种晶体管，包括：如上的III-V族化合物横向纳米线结构；源区，在多级平行的硅亚微米线的一侧，上方对应有源电极窗口与源电极；漏区，在多级平行的硅亚微米线的另一侧，上方对应有漏电极窗口与漏电极；III-V族化合物纳米线连接了源区与漏区，且多级平行的硅亚微米线与源区和漏区的内侧边缘平行；绝缘介质层，分布于源区和漏区上方，在绝缘介质层中间分布源电极窗口及漏电极窗口，保证其上方的源电极与源区直接接触，漏电极与漏区直接接触；栅介质层，覆盖于III-V族化合物纳米线上方，在栅介质层的上方完全覆盖有栅电极。