一种垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管及制备方法

本发明专利涉及一种可精准调控阈值的垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管及制备方法，属于信息材料与器件。

背景技术：

1、氧化物半导体因其合适的迁移率(10～100cm2/v·s)、极低的泄漏电流(<10-22a/μm)和后道兼容的热预算等优点，在高保持特性和高密度三维集成动态存储器(dram)应用中展现出巨大潜力。其中，基于氧化物半导体的垂直沟道场效应晶体管(vertical-channelfield effect transistor)不仅可以将沟道长度缩减至10纳米以内，而且可以减小存储单元特征尺寸，极大提升存储阵列的密度。

2、由于氧化物半导体的阈值电压与迁移率随着载流子浓度的变化呈现相反的变化趋势，使增强型氧化物晶体管通常表现出低迁移率和高接触电阻，从而导致开态电流明显降低，极大地影响了存储单元的工作速度。采用高载流子浓度沟道虽然可以有效提升开态性能，但是同时会降低器件的稳定性，并且关断时较大的负偏置栅压也会导致栅极漏电的增加从而使dram的保持特性退化。在垂直沟道结构中，源漏区域接触面积更小，接触电阻的退化会更加明显。并且随着沟道厚度的增加，栅极对于中心区域沟道的栅控能力降低，导致器件开关特性变差。因此，一般采用氧化硅、氮化硅等绝缘材料填充沟道内孔洞，以提升栅控能力，但这些填充材料的沉积过程往往会对氧化物半导体沟道层造成界面损伤和非必要掺杂，影响晶体管器件电学性能及可靠性等。

技术实现思路

1、为了解决现有常规填充层对器件性能调控有限等问题，本发明提出一种可精准调控阈值的垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管及制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、源端金属电极层、栅金属电极层、氧化物半导体沟道层和漏端金属电极层，所述栅金属电极层位于所述源端金属电极层和氧化物半导体沟道层中间，所述栅金属电极层与所述源端金属电极层和氧化物半导体沟道层之间设有绝缘层，所述氧化物半导体沟道层为沟槽状，所述氧化物半导体沟道层的沟槽底部与所述源端金属电极层接触，所述氧化物半导体沟道层的沟槽外设有栅介质层，该栅介质层位于所述栅金属电极层与所述氧化物半导体沟道层之间，在所述氧化物半导体沟道层的沟槽内设有氧化物半导体填充层，该氧化物半导体填充层材料的氧空位浓度比氧化物半导体沟道层材料的氧空位浓度小。

4、进一步，所述衬底包括但不限于玻璃衬底、蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底、类金刚石碳膜衬底或者pi、pet等柔性衬底。

5、进一步，所述源/漏电极层由导电金属等组成，金属电极材料包括但不限于ti、ni、au、pt、pd、w、al、y、sc、mo等及其合金、tin、金属性氧化物ito、izo等，制备时采用电子束蒸镀、磁控溅射、离子束溅射、热蒸发或原子层沉积等工艺方法，所述源/漏电极层的建议厚度为3～300纳米。

6、进一步，所述绝缘层包括但不限于sio2、sinx、sionx等及其多元掺杂的低介电常数介质等，制备时采用等离子体增强型化学气相沉积、电感耦合等离子体化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、脉冲气相沉积或原子层沉积等工艺，绝缘层的厚度为3～500纳米。

7、进一步，所述栅金属电极层由导电金属形成，金属电极材料包括但不限于ti、ni、au、pt、pd、al、w、y、sc、mo及其合金、tin、金属性氧化物ito、izo等，制备时采用电子束蒸镀、磁控溅射、离子束溅射、热蒸发或原子层沉积等工艺方法，所述栅金属电极层的厚度为5～300纳米。

8、进一步，所述栅介质材料包括但不限于sio2、sinx、al2o3、hfo2、hfsiox、hflaox、hfalox、hfzrox及其多元掺杂组合介质等，制备时采用热学氧化、等离子体增强型化学气相沉积、电感耦合等离子体化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、脉冲气相沉积或原子层沉积等工艺，所述栅介质层厚度为2～300纳米。

9、进一步，所述氧化物半导体沟道层包括但不限于in2o3、sno2、ga2o3、zno、ito、igo、izo、igzo、iazo、itzo、iwo、itwo等以及各种掺杂组分和比例的所有氧化物半导体薄膜及多层氧化物薄膜堆叠的复合材料，制备时采用磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延或原子层沉积等工艺，氧化物半导体沟道层的厚度为0.5～50纳米。

10、进一步，所述氧化物半导体填充层为低载流子浓度的氧化物半导体材料。包括但不限于低载流子浓度的ga2o3、zno、sno2、igzo、iazo、itzo、iwo、itwo等以及各种合适掺杂组分和比例的氧化物半导体薄膜及多层氧化物薄膜堆叠的复合材料，制备时采用磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延或原子层沉积等工艺，可根据沟道条件调控填充层组分以形成最佳填充，氧化物半导体填充层的厚度为0.5～500纳米。

11、本发明进一步提供一种垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管的制备方法，包括以下工艺步骤：

12、步骤1.1，清洗衬底；

13、步骤1.2，采用电子束蒸镀、磁控溅射、离子束溅射、热蒸发或原子层沉积等工艺方法制备源端金属电极层；

14、步骤1.3，采用等离子体增强型化学气相沉积、电感耦合等离子体化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、脉冲气相沉积或原子层沉积等工艺制备绝缘层；

15、步骤1.4，采用电子束蒸镀、磁控溅射、热蒸发或原子层沉积工艺等制备栅金属电极层；

16、步骤1.5，采用与步骤1.3中相同方法制备绝缘层；

17、步骤1.6，采用光学光刻、电子束光刻工艺或激光直写工艺定义沟道区域，采用干法或湿法刻蚀工艺完成沟道区域的沟槽；

18、步骤1.7，采用等离子体增强型化学气相沉积、电感耦合等离子体化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、脉冲气相沉积或原子层沉积等工艺在沟槽周围制备栅介质层；

19、步骤1.8，采用磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延或原子层沉积等工艺制备氧化物半导体沟道层，所述氧化物半导体沟道层为沟槽状，所述氧化物半导体沟道层的沟槽底部与所述源端金属电极层接触；

20、步骤1.9，采用磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延或原子层沉积等工艺在沟槽内填充氧化物半导体材料，该氧化物半导体填充层材料的氧空位浓度比氧化物半导体沟道层材料的氧空位浓度小；

21、步骤1.10，采用电子束蒸镀、磁控溅射、离子束溅射、热蒸发或原子层沉积等工艺方法制备漏端金属电极层。

22、本发明技术效果如下：

23、本发明提出了一种可精准调控阈值的垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管的方法。本发明采用沟槽状的氧化物半导体沟道层，在沟槽内再填充氧化物半导体材料，氧化物半导体填充层材料的氧空位浓度比氧化物半导体沟道层材料的氧空位浓度小；通过采用低载流子浓度的氧化物半导体作为内部填充材料，可以有效提升垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管的阈值调控能力，并避免界面损伤和非必要掺杂的影响，实现可精准调控阈值的垂直沟道氧化物半导体场效应晶体管。