專利名稱：一種獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路用器件，尤其涉及一種獨立柵控制的無結(jié)納米線場效
應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
集成電路工業(yè)在摩爾定律的指引下，器件尺寸越來越小，電路越來越復(fù)雜；近年來，人們不斷研究出基于新結(jié)構(gòu)的器件，以緩解尺寸縮小過程中所遇到的諸如短溝效應(yīng)、漏致勢壘降低、柵極漏電流等負面效應(yīng)。同時，隨著器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化及尺寸的縮小，源漏溝道突變結(jié)為半導(dǎo)體工藝帶來了巨大的工藝上的挑戰(zhàn)。在過去的幾年里，納米線因為其優(yōu)秀的柵控能力，有效降低了短溝效應(yīng)和漏致勢壘降低的影響，提高了器件性能，被認為很有可能在未來低功耗集成電路中得到應(yīng)用。在尺寸縮小過程中，無結(jié)結(jié)構(gòu)的引入大大減小了納米線工藝上的復(fù)雜性，大幅降低了納米線工藝制造的成本。另一方面，受柵材料功函數(shù)、摻雜濃度等限制，無結(jié)器件存在閾值電壓漂移、亞閾值斜率退化等影響器件性能的問題。我們在現(xiàn)有無結(jié)型納米線場效應(yīng)晶體管的基礎(chǔ)上做進一步改進，使得器件性能綜合提高并擁有更高的電路適用性。因此本發(fā)明對改善尺寸縮小中的器件性能具有積極作用，為集成電路工業(yè)發(fā)展爭取了更大的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，如何提供一種獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，能夠動態(tài)調(diào)節(jié)閾值電壓，同時具有更高驅(qū)動能力和更低工藝要求。本發(fā)明的技術(shù)問題這樣解決構(gòu)建一種獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，由控制柵電極、調(diào)節(jié)柵電極、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)、控制柵介質(zhì)層和調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層組成，成軸對稱，其中所述調(diào)節(jié)柵電極位于中心；所述溝道區(qū)及其兩側(cè)的所述源區(qū)和漏區(qū)與所述調(diào)節(jié)柵電極通過所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層電隔離，并同軸全套入所述調(diào)節(jié)柵電極；所述溝道區(qū)、所述源區(qū)和漏區(qū)的總長度與所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層和調(diào)節(jié)柵電極的長度都相等；所述控制柵電極與所述溝道區(qū)通過所述控制柵介質(zhì)電隔離，并同軸全套入所述溝道區(qū)；所述控制柵電極、控制柵介質(zhì)和溝道區(qū)的長度都相等。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)是統(tǒng)一摻雜的半導(dǎo)體材料。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述半導(dǎo)體材料的摻雜濃度是
IX IO19CnT3至I X IO20Cm-3的重摻雜，摻雜類型是P型或N型。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)的厚度均衡一致。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述源區(qū)和漏區(qū)從中間向外厚度遞增，所述源區(qū)和漏區(qū)與所述溝道區(qū)交界處的厚度與所述溝道區(qū)的交界處厚度一致，這樣遠離溝道區(qū)的厚度增大，即抬升源漏區(qū)。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層和控制柵介質(zhì)區(qū)為氧化娃絕緣層或high-K材料(鉿hafnium元素為基礎(chǔ)的物質(zhì))。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述調(diào)節(jié)柵電極的直徑為2 5納米；如2、3·5、4、5 ；所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層的厚度為I. 2 2納米；如1. 2,1. 5、2 ；所述控制柵電極的厚度為2 5納米；如2,3. 5、4、5 ；所述控制柵介質(zhì)層的厚度為I. 2 2納米；如1. 2、I. 5、2 ；所述溝道區(qū)的厚度為3 6納米，如3、4、5、6。按照本發(fā)明提供的納米線場效應(yīng)晶體管，所述調(diào)節(jié)柵電極的長度為所述溝道區(qū)、源區(qū)和漏區(qū)的長度總和；所述溝道區(qū)的長度為30 60納米，如30、32、40、60 ；所述源區(qū)的長度為10 30納米，如:10、15、20、25 ；所述漏區(qū)的長度為10 30納米，如10、15、20、25。本發(fā)明提供的獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，具有兩個電學(xué)上不連通的柵電極調(diào)節(jié)柵電極和控制柵電極。與普通的器件相比，該結(jié)構(gòu)器件允許在調(diào)節(jié)柵電極和控制柵電極上施加不同的工作電壓，從而可以使器件工作在獨立柵控的條件下，為器件的電路應(yīng)用提供方便。當該獨立柵控的納米線器件工作在獨立柵控條件下時，不改變器件摻雜和尺寸參數(shù)，改變調(diào)節(jié)柵電極的偏壓將改變器件的電流電壓特性。比如降低調(diào)節(jié)柵電極的電壓將提高控制柵的閾值電壓，降低整個器件的驅(qū)動電流。這個結(jié)果為低功耗的電路設(shè)計如存儲器單元電路設(shè)計提供一種選擇方案。當該獨立柵控制的納米線器件工作在共柵條件下時，與具有相同溝道厚度的普通無結(jié)納米線器件相比，能保持相近的開態(tài)電流，大幅降低關(guān)態(tài)泄漏電流，提高器件的電流開關(guān)比。本發(fā)明為納米線器件在尺寸縮小中提高器件綜合性能，并適用于低功耗集成電路提供了一種低工藝成本的備選方案。


下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步對本發(fā)明進行詳細說明圖I為本發(fā)明提供的獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的截面示意圖；圖2為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管調(diào)節(jié)柵電極對器件電流特性的影響；圖3為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管控制柵閾值電壓和亞閾值斜率受調(diào)節(jié)柵電極的調(diào)節(jié)關(guān)系；圖4為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在共柵操作下與普通納米線晶體管電流特性比較；圖5為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管調(diào)節(jié)柵電極對器件開關(guān)電流及其比值的影響；圖6為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在共柵操作下閾值電壓及亞閾值斜率隨溝道長度的變化關(guān)系，同時提供了其與普通無結(jié)納米線及雙柵無結(jié)器件的對比；圖7為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在共柵操作下開態(tài)漏端電流和開關(guān)電流比隨溝道長度的變化關(guān)系，同時提供了其與普通無結(jié)納米線及雙柵無結(jié)器件的對比；圖8為圖I所示無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在共柵操作下漏致勢壘降低效應(yīng)隨溝道長度的變化關(guān)系，同時提供了其與普通無結(jié)納米線及雙柵無結(jié)器件的對比。
具體實施方式
首先，說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)本發(fā)明提供的獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，是由源區(qū)1，溝道區(qū)2，漏區(qū)3，調(diào)節(jié)柵介質(zhì)區(qū)4，調(diào)節(jié)柵電極5，控制柵介質(zhì)區(qū)6和控制柵電極7組成。整個器件結(jié)構(gòu)各區(qū)共軸，晶體管結(jié)構(gòu)以軸心呈現(xiàn)對稱性。調(diào)節(jié)柵電極位于晶體管中心，與溝道區(qū)通過調(diào)節(jié)柵電極介質(zhì)層隔離，溝道區(qū)同軸全包圍調(diào)節(jié)柵電極，控制柵電極與溝道通過控制柵介質(zhì)層隔離，并同軸全包圍溝道區(qū)；溝道兩端為同一材料的源漏區(qū)，該器件的源漏區(qū)與溝道摻雜濃度、類型一致，并同軸包圍所述區(qū)域的調(diào)節(jié)柵電極。調(diào)節(jié)柵電極通過源漏區(qū)引出。第二，結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述，以下實例中獨立柵控制無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管性能表現(xiàn)及參數(shù)是基于三維Sentaurus TCAD軟件仿真研究得到的。本發(fā)明并不限于以下實施例。如圖I所示，實例中器件結(jié)構(gòu)同前所述，其源區(qū)I和漏區(qū)3的厚度等于溝道區(qū)厚度，圖中虛線為對稱中心軸。其中固定的參數(shù)如下源區(qū)1，溝道區(qū)2，漏區(qū)3摻雜類型為N型，摻雜濃度為IXlO19cnT3的硅材料，調(diào)節(jié)柵電極5的半徑為3納米，調(diào)節(jié)柵介質(zhì)區(qū)4和控制柵介質(zhì)區(qū)6為氧化硅絕緣層，又稱調(diào)節(jié)柵氧化層和控制柵氧化層，厚度均為I. 5納米，控制柵電極厚度2納米，溝道厚度5納米，源區(qū)I和漏區(qū)3長度均為20納米。實例一溝道長度為40納米，獨立柵結(jié)構(gòu)在不同調(diào)節(jié)柵壓下轉(zhuǎn)移特性曲線族如圖2所示，獨立柵結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移曲線因調(diào)節(jié)柵電壓的變化而有序變化，獨立柵結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)柵電壓的存在使得無結(jié)納米線溝道在施加控制柵電壓之前溝道區(qū)的耗盡程度隨著所施加調(diào)節(jié)電壓的大小而變化。施加?xùn)艍涸叫?越負)耗盡越徹底，關(guān)態(tài)泄漏電流越小，而一定調(diào)節(jié)偏壓范圍內(nèi)，開態(tài)電流的變化卻是可以忽略的。實例二 溝道長度為40納米，獨立柵結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)柵偏壓對晶體管閾值電壓及亞閾值斜率的影響如圖3所示，閾值電壓和亞閾值斜率隨著調(diào)節(jié)柵偏壓產(chǎn)生一定規(guī)律的變化，從物理基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)柵偏壓越小，溝道關(guān)態(tài)耗盡程度越大，相應(yīng)開啟所需閾值電壓應(yīng)當變大，圖3基本符合該趨勢。亞閾值斜率則在O. 8V -O. 4V范圍內(nèi)隨著調(diào)節(jié)柵電壓的減小而減小，器件開關(guān)性能得到提高，反應(yīng)能力增強。實例三溝道長度為40納米，獨立柵結(jié)構(gòu)共柵操作下的轉(zhuǎn)移特性曲線與普通無結(jié)納米線對比如圖4所示，獨立柵結(jié)構(gòu)在共柵操作下可以保持器件開態(tài)漏端電流不變的情況下關(guān)態(tài)泄漏電流減小大約三個數(shù)量級，亞閾值斜率得到優(yōu)化。實例四溝道長度固定為40納米，獨立柵結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)柵電壓變化對開關(guān)電流的影響如圖5所示，隨著調(diào)節(jié)柵電壓的增加，開態(tài)漏端電流和關(guān)態(tài)泄漏電流都呈增大趨勢，但增大的速率不同。圖中顯示在-O. 4 O. 4V的調(diào)節(jié)電壓下能夠得到最優(yōu)的開關(guān)電流t匕。施加調(diào)節(jié)柵電壓主要能夠改變溝道區(qū)準費米能級及載流子濃度，本實例基于TCAD仿真得到結(jié)果，仿真過程中，我們選用N溝道無結(jié)納米線，電子為多數(shù)載流子，在實例給定的調(diào)節(jié)柵范圍中，空穴濃度相對于電子濃度可以忽略，但是隨著調(diào)節(jié)偏壓超出相應(yīng)范圍，將導(dǎo)致該忽略不再合理，引起仿真結(jié)果的偏差，對其他參數(shù)(如柵材料功函數(shù)、溝道厚度、摻雜濃度等)進行對應(yīng)設(shè)置配合調(diào)節(jié)柵壓能夠達到不同的適用范圍，提高器件適用性。實例五共柵操作的獨立柵無結(jié)納米線、雙柵無結(jié)器件和普通無結(jié)納米線的閾值電壓和亞閾值斜率受溝道長度變化的 影響情況如圖6所示，共柵操作的獨立柵無結(jié)納米線受到短溝效應(yīng)的影響最小，其閾值電壓漂移和亞閾值斜率退化最小，能夠在器件尺寸縮小的過程中較好的保持器件性能，擁有更大的尺寸縮小空間。實例六共柵操作的獨立柵無結(jié)納米線、雙柵無結(jié)器件和普通無結(jié)納米線的開關(guān)電流比及開態(tài)漏端電流受溝道長度變化的影響情況如圖7所示，在尺寸縮小的過程中，共柵操作的獨立柵無結(jié)納米線始終保持了最大的開關(guān)電流比及最好的尺寸縮小性能，隨著器件尺寸進入深納米量級，其表現(xiàn)特性依舊能夠滿足電路要求，相比之下，雙柵無結(jié)器件和普通無結(jié)納米線的器件特性則發(fā)生惡化。實例七共柵操作的獨立柵無結(jié)納米線、雙柵無結(jié)器件和普通無結(jié)納米線漏致勢壘降低受溝道長度變化的影響情況如圖8所示，當器件尺寸達到60納米以下時，我們提出的器件將表現(xiàn)出優(yōu)于雙柵無結(jié)器件和普通無結(jié)納米線的漏致勢壘降低特性，當器件尺寸達到20納米時，獨立柵的漏致勢壘降低只有20毫伏，而雙柵無結(jié)器件和普通無結(jié)納米線分別接近這個數(shù)值的2倍和3倍。由上述實例可知，本發(fā)明提出的獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管可以在尺寸縮小過程中保持良好器件性能；減小器件靜態(tài)功率損耗；并具有動態(tài)閾值電壓的特性，擁有更強的電路適用性；同時其無結(jié)特征極大降低了更小尺寸工藝下的器件制造成本，因此在未來集成電路發(fā)展的過程中有較大競爭力。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，由控制柵電極(7)、調(diào)節(jié)柵電極(5)、源區(qū)(I)、漏區(qū)(3)、溝道區(qū)(2)、控制柵介質(zhì)層(6)和調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層(4)組成，成軸對稱，其中 所述調(diào)節(jié)柵電極(5)位于中心；所述溝道區(qū)(2)及其兩側(cè)的所述源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)與所述調(diào)節(jié)柵電極(5)通過所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層(4)電隔離，并同軸全套入所述調(diào)節(jié)柵電極(5);所述溝道區(qū)(2)、所述源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)的總長度與所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層(4)和所述調(diào)節(jié)柵電極(5)的長度都相等；所述控制柵電極(7)與所述溝道區(qū)(2)通過所述控制柵介質(zhì)￠)電隔離，并同軸全套入所述溝道區(qū)(2);所述控制柵電極(7)、控制柵介質(zhì)層(6)和溝道區(qū)(2)的長度都相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)(I)、漏區(qū)(3)和溝道區(qū)(2)是統(tǒng)一摻雜的半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料的摻雜濃度是I X IO19CnT3至I X IO20CnT3的重摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)(I)、漏區(qū)(3)和溝道區(qū)(2)的厚度均衡一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)從中間向外厚度遞增，所述源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)與所述溝道區(qū)(2)交界處的厚度與所述溝道區(qū)(2)的交界處厚度一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)(I)、漏區(qū)(3)和溝道區(qū)(2)的厚度均衡一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)從中間向外厚度遞增，所述源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)與所述溝道區(qū)(2)交界處的厚度與所述溝道區(qū)(2)的交界處厚度一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層(4)和控制柵介質(zhì)區(qū)(6)為氧化硅絕緣層或high-K材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述調(diào)節(jié)柵電極(5)的直徑為2 5納米； 所述調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層(4)的厚度為I. 2 2納米； 所述控制柵電極(7)的厚度為2 5納米； 所述控制柵介質(zhì)層(6)的厚度為I. 2 2納米； 所述溝道區(qū)(2)的厚度為3 6納米。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述調(diào)節(jié)柵電極(5)的長度為所述溝道區(qū)(2)、源區(qū)(I)和漏區(qū)(3)的長度總和； 所述溝道區(qū)⑵的長度為30 60納米； 所述源區(qū)(I)的長度為10 30納米； 所述漏區(qū)⑶的長度為10 30納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種獨立柵控制的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，由控制柵電極(7)、調(diào)節(jié)柵電極(5)、源區(qū)(1)、漏區(qū)(3)、溝道區(qū)(2)、控制柵介質(zhì)層(6)和調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層(4)組成，成軸對稱調(diào)節(jié)柵電極位于中心；溝道區(qū)及其兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)與調(diào)節(jié)柵電極通過調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層電隔離，并同軸全套入調(diào)節(jié)柵電極；溝道區(qū)、源區(qū)和漏區(qū)的總長度與調(diào)節(jié)柵電極和調(diào)節(jié)柵介質(zhì)層的長度都相等；控制柵電極與溝道區(qū)通過控制柵介質(zhì)電隔離，并同軸全套入溝道區(qū)；控制柵電極、控制柵介質(zhì)層和溝道區(qū)的長度都相等。這種場效應(yīng)晶體管，具有兩個電學(xué)上不連通的柵電極，在尺寸縮小中提高了器件綜合性能，為低功耗集成電路提供了一種低工藝成本的備選方案。
文檔編號B82Y10/00GK102983170SQ20121053143
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者何進, 梅金河, 張愛喜, 朱小安, 杜彩霞 申請人:北京大學(xué)深圳研究院