[发明专利]一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法；该纳米片晶体管包括：衬底、源区、漏区、栅极材料以及多个纳米片沟道层；其中，栅极材料包覆纳米片沟道层形成围栅结构；源区、围栅结构以及漏区沿沟道方向依次设置于衬底之上；沟道方向为从源区指向漏区的方向；栅极材料与纳米片沟道层的相邻面之间、与衬底的相邻面之间均设置有异质栅介质层；异质栅介质层包括沿沟道方向连续设置的多种栅介质材料，多种栅介质材料的相对介电常数随沟道方向逐渐降低；源区通过第一隔离介质与栅区实现隔离；漏区通过第一隔离介质与栅区实现隔离。本发明减轻了小尺寸场效应晶体管的短沟道效应，降低了关态电流泄漏，提升了小尺寸半导体器件的电学性能。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法。

背景技术

随着半导体器件的尺寸逐渐减小，对大尺寸器件影响不大的短沟效应逐渐对小尺寸器件的性能形成了威胁。短沟效应指的是在外加电压的情况下，源漏PN结处所形成的耗尽区会变相的缩短沟道长度。对于小尺寸器件而言，短沟效应所带来的影响开始变得难以忽略。并且，由于沟道缩短导致漏端电场强度增加，使得载流子极易通过隧穿到达漏端，造成关态电流泄漏；这一现象从效果上看仿佛漏端势垒降低，被称为漏感应势垒降低效应。在小尺寸器件中，短沟道效应降低了器件的阈值电压，使得器件在关闭状态下的漏电流增大；由此带来的功耗增加以及电学性能损失对于大规模集成电路而言是无法接受的。因此，有必要对器件进行优化，使其在性能不恶化的前提下能够适应工艺尺寸的缩小。

相关技术中，为降低短沟道效应对器件的影响，提出了鳍式场效应晶体管、堆叠纳米线场效应晶体管、堆叠纳米片场效应晶体管等特殊结构的场效应晶体管。其中，在鳍式场效应晶体管中，沟道被制作成类似鱼鳍一样的立体竖直结构，栅极则覆盖在沟道周围；纳米线场效应晶体管则是在鳍式场效应晶体管的基础上做出了改进，将鳍分开为纳米线，并用栅材料将纳米线的四周完全包围；纳米片场效应晶体管在纳米线的基础上增大了沟道宽度，使得导电沟道呈薄片状。

然而，即使是栅控能力最好的纳米场效应晶体管，在小尺寸时，由于漏端较高的电场强度，其性能依旧会受到短沟效应的抑制；而如果使用高介电常数材料作为栅介质以提高开态特性，短沟道效应以及关态时的电流泄漏效应将表现的更为明显，极大的增加了器件的静态功耗。

发明内容

为了减轻小尺寸场效应晶体管的短沟道效应以及关态电流泄漏，提升小尺寸场效应晶体管的电学性能，本发明提供了一种具有异质栅介质的纳米片晶体管及制备方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种具有异质栅介质的纳米片晶体管，包括：衬底、源区、漏区、栅极材料以及平行设置的多个纳米片沟道层；其中，

所述栅极材料包覆所述多个纳米片沟道层形成围栅结构；

所述源区、所述围栅结构以及所述漏区沿沟道方向依次设置于所述衬底之上，且三者分别设有电极；所述沟道方向为从所述源区指向所述漏区的方向；

所述栅极材料与所述纳米片沟道层的相邻面之间、与所述衬底的相邻面之间均设置有异质栅介质层；所述异质栅介质层包括沿所述沟道方向连续设置的多种栅介质材料，所述多种栅介质材料的相对介电常数随所述沟道方向逐渐降低；

所述源区通过第一隔离介质与栅区实现隔离；所述漏区通过所述第一隔离介质与所述栅区实现隔离；所述栅区包括所述栅极材料和所述异质栅介质层。

在一个实施例中，所述源区和所述漏区均包括：外延体硅和第二隔离介质；

所述外延体硅的内侧表面与所述纳米片沟道层、所述第一隔离介质相接触；

所述第二隔离介质附着于所述外延体硅的剩余表面。