[发明专利]一种垂直硅纳米线晶体管的制造工艺方法

说明书

本发明提出一种垂直硅纳米线晶体管的制造工艺方法，通过改进原有的垂直硅纳米线晶体管的工艺制造技术，避免了原有技术中垂直硅纳米线晶体管在对源漏进行离子注入时其围栅的阻挡效应，而这种阻挡效应会造成源漏掺杂的不均匀导致器件性能的不对称性，使电路设计及器件可靠性遇到问题。本发明采用了新的工艺步骤，解决了垂直硅纳米线晶体管围栅阻挡了一部分源端离子注入带来的器件结构和特性不对称问题，使垂直硅纳米线晶体管结构和性能能够对称，不依赖于源漏的选择，这样电路设计将大为受益。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，且特别涉及一种垂直硅纳米线晶体管的制造工艺方法。

背景技术

为了提高集成电路的集成度以及芯片的性能，随着集成电路MOS器件工艺的发展，器件关键尺寸越来越小。对于传统的单栅平面工艺，器件的栅长不能无限制的缩小，随着器件尺寸缩小出现一系列的二级效应统称短沟道效应。在长沟道器件情况下传统的电学特性在短沟道情况下往往变得很差。为了克服短沟道效应对小尺寸MOS器件性能及可靠性的影响，一些新型的器件结构出现了，比如硅纳米线晶体管，其栅极包围导电沟道的面积远大于传统平面工艺MOSFET，即使在短沟道情况下栅极也能极好的控制沟道导电，抑制短沟道效应，减小器件静态功耗，得到很好的亚阈值摆幅特性以及很高的载流子迁移率。

硅纳米线晶体管是一种新型器件结构，它是集成电路发展路线图22纳米技术节点下最有希望的竞争者之一。目前国内外初步报道的硅纳米线结构晶体管拥有优异的亚阈值特性、载流子迁移率以及关态特性，能够很好的抑制短沟道效应。较之传统的体硅平面器件，一维准弹道输运的纳米线MOSFET表现出很强的缩小尺寸优势，如果其现有的一些制造技术中的问题得到逐步解决，纳米线晶体管对实现半导体路线图的既定目标将表现出极大的潜力。

硅纳米线的制备技术按其导电沟道平行或垂直于衬底分为平面和垂直两种。垂直型的一个主要的优势在于其沟道长度不是靠光刻来定义，而是使用像外延生长技术或者层沉积技术(layer deposition)这样的能够在纳米级尺度很好的控制膜厚的技术来定义，而使用光刻来定义沟道长度(栅的长度)的水平式硅纳米线晶体管在尺寸非常小的时候受制于光刻技术的尺寸限制。垂直型的另一个主要优势是容易批量制造硅纳米线并且容易精确控制硅纳米线的直径，水平式的硅纳米线受制于刻蚀技术其硅纳米线底部难以刻蚀，并且其硅纳米线的直径难以控制，批量生产时其直径会有很大的工艺波动，这种情况下水平式的硅纳米线是无法量产的。垂直型硅纳米线相对于水平式硅纳米线在芯片层面最大的优势就是其版图面积小，这从图1和图2可以很直观的看出，沟道垂直之后，单个器件占用的版图面积只有水平式硅纳米线的几分之一。版图面积的减小将给芯片的集成度带来大幅的增加，这是一个极大的优势。

传统的垂直型硅纳米线晶体管的工艺流程的致命缺陷在于在离子注入时会发生向源端注入的离子被围栅挡住一部分的问题，如图3和图4所示。源端的离子注入被挡住一部分会造成器件工作时的沟道反型层与源端无法相连导致器件无法工作，虽然原有的文献称能够通过退火时离子的热扩散来解决这个问题，此时虽然源端与器件的沟道反型层能够相连，但是器件的源漏结构就造成了不对称，源端的离子注入被挡掉一部分，导致其向围栅方向的扩散距离较漏端的离子向围栅方向的扩散距离短，且源端与栅交叠区的掺杂离子浓度也比漏端与栅交叠区的掺杂离子浓度低，这就造成了器件结构上的不对称。

器件这种源漏的离子浓度分布的不对称就会使器件源漏扩展区长度的不一致，导致源和漏的寄生电阻、寄生电容不一致。器件的电学特性和可靠性，包括驱动电流、跨导、截止频率和热载流子退化都具有不对称性，这些特性取决于选择器件的上部还是下部作为源或者漏。这样的垂直硅纳米线晶体管组成电路时RC延迟由具体使用器件上部还是下部用作源或漏决定，这样器件的上下部作为源漏端不能互相对调使用，电路设计时会受到限制。

而在3D-NAND闪存领域，垂直硅纳米线也可以成为3D-NAND闪存的存储单元器件，利用其本身沟道垂直的优势，多层堆叠，形成三维的闪存结构，大大提升闪存的存储容量。