專利名稱：一種隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法，該隧穿場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)能力與金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管相當(dāng)。
背景技術(shù)：
在集成電路器件技術(shù)發(fā)展中，器件的尺寸按摩爾(Moore)定律不斷縮??；由按比例縮小理論，當(dāng)溝道長度不斷縮小時(shí)，短溝道效應(yīng)愈加明顯。這會(huì)使得器件泄漏嚴(yán)重，難以滿足實(shí)際應(yīng)用要求，甚至不能正常工作。因此，有必要尋求新器件方案來滿足未來新一代器件的性能要求。而隧穿場效應(yīng)晶體管是一種新型工作機(jī)制的器件，可以突破亞閾斜率60mV/ dec的局限，同時(shí)它可以抑制短溝效應(yīng)，有效減小泄漏電流。然而，平面工藝下的硅隧穿場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)電流小，其驅(qū)動(dòng)電流較MOSFET的低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得其應(yīng)用的電路性能不足。針對隧穿場效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)電流小的這一問題，領(lǐng)域內(nèi)提出了一些解決方案采用高K 值的柵絕緣介質(zhì)材料，采用雙柵結(jié)構(gòu)，采用非硅材料的半導(dǎo)體，采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等。但這些方案在有限地提高器件的驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其泄漏電流上升，犧牲了器件的性能。圖1 (a)是平面的隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)剖面圖；圖1 (b)是傳統(tǒng)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)剖面圖。兩者的結(jié)構(gòu)相似，其中101為TFET的源區(qū)，102 是TFET的漏區(qū)以及103是TFET的柵絕緣介質(zhì)層；105和106分別為MOSFET的源區(qū)和漏區(qū)， 具有對稱性并可互換，107為MOSFET的柵絕緣介質(zhì)層。對于N型溝道的TFET和M0SFET，漏端正電壓偏置；而當(dāng)柵電壓增加時(shí)，器件的漏端電流均會(huì)隨之增加而增加，且TFET的電流為隧穿電流，MOSFET為多子注入電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種在降低泄漏電流的同時(shí)還能提高其驅(qū)動(dòng)電流的隧穿場效應(yīng)晶體管，這種器件結(jié)合了隧穿場效應(yīng)晶體管的亞閾斜率可突破60mv/dec的亞閾區(qū)特性優(yōu)勢和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的大驅(qū)動(dòng)電流的優(yōu)勢。本發(fā)明提出的隧穿場晶體管，具有兩個(gè)溝道區(qū)，一個(gè)溝道區(qū)用于通過隧穿電流，稱為第一溝道區(qū)，另一個(gè)溝道用于通過多子注入電流，稱為第二溝道區(qū)。本發(fā)明的器件是采用叉指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，從而減少了器件的制造面積。本發(fā)明提出的晶體管需要調(diào)整兩個(gè)溝道區(qū)的閾值電壓，使得通過隧穿電流的第一溝道區(qū)的閾值電壓小于通過多子注入電流的第二溝道區(qū)的閾值電壓，以確保隧穿電流的產(chǎn)生是在多子注入電流之前。本發(fā)明提出的溝道閾值電壓調(diào)整的方案有采用不同功函數(shù)柵材料調(diào)閾值、采用溝道摻雜調(diào)閾值、采用不同的等效氧化層厚度(EOT)調(diào)閾值。本發(fā)明提出的隧穿場效應(yīng)晶體管(參圖21)包括具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上形成的與第一柵疊層區(qū)對應(yīng)的第一溝道區(qū)和與第二柵疊層區(qū)對應(yīng)的第二溝道區(qū)；
在第一溝道區(qū)上形成的覆蓋整個(gè)溝道區(qū)的第一柵疊層區(qū)，所述第一柵疊層區(qū)至少包含第一絕緣層和一個(gè)導(dǎo)電層；所述第一柵疊層區(qū)還可以包括第二個(gè)導(dǎo)電層(如圖36中的 206b)；在第二溝道區(qū)上形成的覆蓋整個(gè)溝道區(qū)的第二柵疊層區(qū)，所述第二柵疊層區(qū)至少包含第二絕緣層和第二導(dǎo)電層；在半導(dǎo)體襯底上，在第一溝道區(qū)的非漏區(qū)的一側(cè)形成的具有第一種摻雜類型且為重?fù)诫s的第一源區(qū)；在半導(dǎo)體襯底上，在第一溝道區(qū)和第二溝道區(qū)之間形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)；在第二溝道區(qū)的非漏區(qū)的一側(cè)形成的具有第二種摻雜類型的第二源區(qū)；第一柵疊層區(qū)中的導(dǎo)電層和第二柵疊層區(qū)中的導(dǎo)電層(第二導(dǎo)電層)在溝道區(qū)外相連接，構(gòu)成叉指柵；覆蓋在第一源區(qū)、第二源區(qū)、漏區(qū)、第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)上的第三絕緣層；在第三絕緣層中形成第一源區(qū)和第二源區(qū)上的電極，漏區(qū)上的漏電極D和叉指柵上的柵電極G ；用電極互連層互連的第一源區(qū)和第二源區(qū)的電極形成最終的源電極S ；其中，半導(dǎo)體襯底可以是單晶硅、多晶硅或絕緣材料上的硅以及其他半導(dǎo)體材料； 第一絕緣層和第二絕緣層的絕緣材料可以是氧化硅、氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭、氧化氟等高K 柵材料；第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料可以是摻雜的多晶硅、氮化鈦或氮化鉭或金屬等材料；第三絕緣層的絕緣材料可以是氧化硅或氮化硅；電極的導(dǎo)電材料可以是鋁、銅和鎢等金屬；電極互連層的導(dǎo)電材料可以是鋁、銅、鎢等金屬。本發(fā)明提供的隧穿場效應(yīng)晶體管的第一種制備方法包括1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)淀積形成第一層光刻膠；3)掩膜曝光光刻出第二溝道區(qū)(或包含第二溝道區(qū)的阱區(qū))的圖形；4)離子注入形成第一種摻雜類型的雜質(zhì)的第二溝道區(qū)(或包含第二溝道區(qū)的阱區(qū))，實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整；5)第一層光刻膠剝離；6)氧化或淀積形成第一層絕緣薄膜；7)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；8)淀積形成第二層光刻膠；9)掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)，并形成叉指柵；；10)淀積形成第三層光刻膠；11)掩膜曝光光刻出對漏區(qū)和第二源區(qū)進(jìn)行離子注入所需的圖形；12)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)和第二源區(qū)；13)第三層光刻膠剝離；14)淀積形成第四層光刻膠；15)掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)離子注入所需的圖形；
16)離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)；17)第四層光刻膠剝離；18)淀積形成第二層絕緣薄膜；在第二層絕緣薄膜上，先掩膜曝光刻蝕出兩個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和叉指柵上的通孔，再淀積電極的導(dǎo)電材料以填充通孔，并形成電極互連層；19)掩膜曝光刻蝕形成各個(gè)電極，并實(shí)現(xiàn)源電極的互連；其中，半導(dǎo)體襯底可以是單晶硅、多晶硅或絕緣材料上的硅以及其他半導(dǎo)體材料； 第一層絕緣薄膜的絕緣薄膜材料可以是氧化硅或氧化氟等高K柵材料；第一種導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電材料可以是摻雜的多晶硅、氮化鈦或氮化鉭或金屬等材料；第二層絕緣薄膜的絕緣薄膜材料可以是氧化硅或氮化硅；電極的導(dǎo)電材料和電極互連層可以是摻雜的多晶硅、金屬鋁或金屬鎢等。本發(fā)明提供的隧穿場效應(yīng)晶體管的第二種制備方法包括1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)淀積形成第一層絕緣薄膜；3)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；4)淀積形成第一層硬質(zhì)掩膜；5)淀積形成第一層光刻膠；6)掩膜曝光后刻蝕硬質(zhì)掩膜、第一種導(dǎo)電薄膜和第一層絕緣薄膜，直到硅襯底，露出第二溝道區(qū)；7)剝離第一層光刻膠；8)氧化或淀積形成第二層絕緣薄膜，且形成的薄膜厚度需使得其等效氧化層厚度 (EOT)大于第一層絕緣薄膜的等效氧化層厚度(EOT)，從而實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整；9)剝離第一層硬質(zhì)掩膜；10)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；11)淀積形成第二層光刻膠；12)掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)，并形成叉指柵；13)淀積形成第三層光刻膠；14)掩膜曝光光刻出對漏區(qū)和第二源進(jìn)行離子注入所需的圖形；15)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)和第二源區(qū)；16)第三層光刻膠剝離；17)淀積形成第四層光刻膠；18)掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)離子注入所需的圖形；19)離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)；20)第四層光刻膠剝離；21)淀積形成第三層絕緣薄膜；22)在第三層絕緣薄膜上，先掩膜曝光刻蝕出兩個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和叉指柵上的通孔， 再淀積電極的導(dǎo)電材料以填充通孔，并形成電極互連層；23)掩膜曝光刻蝕形成各個(gè)電極，并實(shí)現(xiàn)源電極的互連。其中，半導(dǎo)體襯底可以是單晶硅、多晶硅或絕緣材料上的硅以及其他半導(dǎo)體材料； 第一層絕緣薄膜的絕緣薄膜材料為氧化鉿、氧化鉭、氧化氟等高K柵材料；第二層絕緣薄膜的絕緣薄膜材料可以是氧化硅或氧化氟等高K柵材料，要求其厚度需滿足其等效氧化層厚度(EOT)大于第一層絕緣薄膜的等效氧化層厚度(EOT)，以實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整；第一層硬質(zhì)掩膜為氮化硅；第一種導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電材料可以是摻雜的多晶硅、氮化鈦或氮化鉭或金屬等材料；電極的導(dǎo)電材料和電極互連層可以是摻雜的多晶硅、金屬鋁或金屬鎢等。本發(fā)明提供的隧穿場效應(yīng)晶體管的第三種制備方法包括1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)氧化或淀積形成第一層絕緣薄膜；3)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；4)淀積形成第一層硬質(zhì)掩膜；5)淀積形成第一層光刻膠；6)掩膜曝光后刻蝕硬質(zhì)掩膜、第一種導(dǎo)電薄膜，露出第二溝道區(qū)上第一層絕緣薄膜；7)第一層硬質(zhì)掩膜和第一層光刻膠剝離；8)淀積第二種導(dǎo)電薄膜；9)淀積形成第二層光刻膠；10)掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)，并形成叉指柵；11)淀積形成第三層光刻膠；12)掩膜曝光光刻出對漏區(qū)和第二源進(jìn)行離子注入所需的圖形；13)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)和第二源區(qū)；14)第三層光刻膠剝離；15)淀積形成第四層光刻膠；16)掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)離子注入所需的圖形；17)離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)；18)第四層光刻膠剝離；19)淀積形成第二層絕緣薄膜；在第二層絕緣薄膜上，先掩膜曝光刻蝕出兩個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和叉指柵上的通孔，再淀積電極導(dǎo)電材料層以填充通孔，形成電極導(dǎo)電層；20)掩膜曝光刻蝕形成各個(gè)電極，并且實(shí)現(xiàn)源電極的互連；其中，半導(dǎo)體襯底可以是單晶硅、多晶硅或絕緣材料上的硅以及其他半導(dǎo)體材料； 第一層絕緣薄膜的絕緣薄膜材料為氧化鉿、氧化鉭、氧化氟等高K柵材料；第一層硬質(zhì)掩膜為氮化硅；第一種導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電材料可以是摻雜的多晶硅、氮化鈦或氮化鉭或金屬等材料；第二種導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電材料可以是鎢、鋁、鉬、鉻等金屬，材料選取要求需滿足其功函數(shù)大于第一層導(dǎo)電薄膜的功函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整；電極的導(dǎo)電材料和電極互連層可以是摻雜的多晶硅、金屬鋁或金屬鎢等。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的隧穿場效應(yīng)器件的工作電流在亞閾區(qū)時(shí)是隧穿電流，在線性區(qū)時(shí)為MOS場效應(yīng)管的電流，所以其驅(qū)動(dòng)電流得到很大的提高，同時(shí)又保持了隧穿場效應(yīng)晶體管亞閾可以小于60mV/dec的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，晶體管制造工藝與傳統(tǒng)工藝兼容；由于采用叉指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，第一源區(qū)起到了襯底引出的作用，節(jié)約了面積。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明圖1 (a)、(b)分別是現(xiàn)有的平面隧穿場效應(yīng)晶體管和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的剖面圖；圖2(a)、(b)分別是本發(fā)明的晶體管第一種制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例的沿著溝道長度方向的剖視圖和俯視圖；圖3至圖20是制造圖2所示的晶體管的工藝剖面示意圖和部分俯視圖；圖21 (a)、(b)分別是本發(fā)明的晶體管第二種制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例的沿著溝道長度方向的剖視圖和俯視圖；圖22至圖35是制造圖21所示的晶體管的工藝剖面示意圖和部分俯視圖；圖36(a)、(b)分別是本發(fā)明的晶體管第二種制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例的沿著溝道長度方向的剖視圖和俯視圖；圖37至圖50是制造圖36所示的晶體管的工藝剖面示意圖和部分俯視圖；圖51是本發(fā)明的晶體管的技術(shù)效果展示。
具體實(shí)施例方式圖2是本發(fā)明所公開的隧穿場效應(yīng)晶體管的第一種制造方法的一個(gè)實(shí)施例，其中圖2(a)為器件沿溝道長度方向的剖面圖，圖2(b)為器件的俯視圖。該器件共有三個(gè)電極 漏電極D、柵電極G和源電極S，為三端器件。器件包括由第一柵疊層區(qū)、第二柵疊層區(qū)、第一源區(qū)201、第二源區(qū)203、漏區(qū)202和襯底區(qū)210。其中，第一柵疊層區(qū)包括第一絕緣層204 和第一導(dǎo)電層206，第二柵疊層區(qū)包括第二絕緣層205和第二導(dǎo)電層207。第一絕緣層204 和第二絕緣層205采用的絕緣薄膜材料為熱氧化生長得到的或淀積得到的二氧化硅，也可以為高K柵材料。柵導(dǎo)電層206和207為重?fù)诫s的多晶硅，且在溝道區(qū)外通過柵電層材料互連在一起而形成叉指柵；并且在叉指柵上引出電極作為器件的柵電極G，其中電極材料是金屬鋁或其它金屬材料。在第一源區(qū)和第二源區(qū)上引出電極，再通過電極互連層實(shí)現(xiàn)互連，作為器件的源電極，其中電極材料是金屬鋁或其它金屬材料。在漏上引出電極作為器件的漏電極D，其中電極材料是金屬鋁或其它金屬材料。第一源區(qū)201的摻雜類型與漏區(qū)202 和第二源區(qū)203的摻雜類型相反，通常與襯底210摻雜類型相同。第一源區(qū)201的摻雜濃度要重?fù)诫s，第二源區(qū)203和漏區(qū)202的摻雜濃度非重?fù)诫s。第一溝道區(qū)208連接第一源區(qū)201和漏區(qū)202，第二溝道區(qū)209連接第二源區(qū)203和漏區(qū)202。選擇與漏區(qū)摻雜類型相反的雜質(zhì)對第二溝道區(qū)摻雜，調(diào)整溝道的閾值電壓，以確保器件的隧穿電流產(chǎn)生在多子注入電流之前。圖3 20描述的是采用第一種制造方法的一個(gè)實(shí)施例的制造工序。首先，在硅襯底上淀積第一層光刻膠301，通過掩膜、曝光、光刻形成第二溝道區(qū)對應(yīng)的窗口 302，形成如圖3所示的剖面結(jié)構(gòu)；接下來，離子注入、退火形成摻雜區(qū)域，作為第二溝道區(qū)209，以實(shí)現(xiàn)閾值調(diào)整，工藝工序及結(jié)果如圖4所示，其中401為含硼的離子束；接下來，去除第一層光刻膠，如圖5剖視圖所示；接下來，在硅襯底上熱氧化生長二氧化硅薄膜601，如圖6剖視圖所示；接下來，淀積摻雜的多晶硅薄膜701，如圖7剖視圖所示；
接下來，淀積第二層光刻膠801，如圖8剖視圖所示；接下來，掩膜、曝光、刻蝕形成第一柵疊層(204，206)和第二柵疊層Q05，207)，并形成了叉指結(jié)構(gòu)的柵，然后剝離第二層光刻膠，工藝結(jié)果如圖9所示，其中圖9(a)為剖視圖，圖9(b)為俯視圖；接下來，淀積第三層光刻膠1001，如圖10剖視圖所示；接下來，掩膜、曝光光刻形成漏區(qū)和第二源區(qū)離子注入所需的圖形，如圖11所示；接下來，離子注入形成漏區(qū)202和第二源區(qū)203，其中離子束1201為含磷或砷的離子束，如圖12所示；接下來，剝第三層光刻膠，如圖13所示接下來，淀積一層光刻膠1401，如圖14所示；接下來，掩膜、曝光光刻形成第一源區(qū)注入所需的圖形，如圖15所示；接下來，離子注入形成第一源區(qū)201，，其中摻雜濃度為重?fù)剑渲须x子束1601為含硼的離子，如圖16 所示；接下來，剝除第四層光刻膠，結(jié)果如圖17所示；接下來，淀積二氧化硅層1801，如圖18所示；接下來，刻蝕二氧化硅層1801，在各個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)上刻蝕形成通孔，再淀積電極材料金屬鋁，以填充通孔并形成電極互連層1901，其中的電極材料還可以是鎢、銅等金屬，如圖19所示；最后，刻蝕電極互連層1901，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)源區(qū)的互連，形成源電極S、漏電極D和柵電極G?；ミB情況和形成的最終的器件結(jié)構(gòu)如圖20所示，其中圖20(a)剖視圖和圖20(b)為俯視圖。圖21是本發(fā)明所公開的隧穿場效應(yīng)晶體管的第二種制造方法的一個(gè)實(shí)施例，其中圖21(a)為器件沿溝道長度方向的剖面圖，圖21(b)為器件的俯視圖。該器件共有三個(gè)電極漏電極D、柵電極G和源電極S，為三端器件。器件包括由第一柵疊層區(qū)、第二柵疊層區(qū)、第一源區(qū)201、第二源區(qū)203、漏區(qū)202和襯底區(qū)210。其中，第一柵疊層區(qū)包括第一絕緣層204和第一導(dǎo)電層206，第二柵疊層區(qū)包括第二絕緣層205和第二導(dǎo)電層207。第一絕緣層204采用的絕緣薄膜材料為氧化鉿、氧化鉭、氧化氟等高K柵材料，第二絕緣層205采用的絕緣薄膜材料為熱氧化生長得到的或淀積得到的二氧化硅，也可以為氧化鉿、氧化鉭、 氧化氟等高K柵材料。柵導(dǎo)電層206和207為重?fù)诫s的多晶硅，也可以為其它導(dǎo)電材料，且在溝道區(qū)外通過柵電層材料互連在一起而形成叉指柵；并且在叉指柵上引出電極作為器件的柵電極G，其中電極材料是金屬鋁。在第一源區(qū)和第二源區(qū)上引出電極，再通過電極互連層實(shí)現(xiàn)互連，作為器件的源電極，其中電極材料是金屬鋁，也可以是其它金屬材料。在漏上引出電極作為器件的漏電極D，其中電極材料是金屬鋁(也可以是其它金屬材料)。第一源區(qū)201的摻雜類型與漏區(qū)202和第二源區(qū)203的摻雜類型相反，通常與襯底210摻雜類型相同。第一源區(qū)201的摻雜濃度要重?fù)诫s，第二源區(qū)203和漏區(qū)202的摻雜濃度非重?fù)诫s。 第一溝道區(qū)208連接第一源區(qū)201和漏區(qū)202，第二溝道區(qū)209連接第二源區(qū)203和漏區(qū) 202。淀積生長的第一絕緣層的厚度和氧化或淀積生長的第二層絕緣層的厚度，要求滿足第一絕緣層的等效氧化層厚度(EOT)小于第二層絕緣層的等效氧化層厚度(EOT)，實(shí)現(xiàn)溝道的閾值電壓調(diào)整，以確保器件的隧穿電流產(chǎn)生在多子注入電流之前。圖22 35描述的是圖21所示的采用第二種制造方法的一個(gè)實(shí)施例的制造工序。
首先，在硅襯底上淀積一層高介電常數(shù)絕緣薄膜2201，再淀積摻雜的多晶硅薄膜 2202，接著淀積一層氮化硅的硬質(zhì)掩膜2203，然后再淀積形成第一層光刻膠2204，如圖22 剖視圖所示；接下來，掩膜曝光后刻蝕氮化硅硬質(zhì)掩膜2203、多晶硅薄膜2202和高介電常數(shù)絕緣薄膜2201，直到硅襯底，露出第二溝道區(qū)，如圖23所示；接下來，第一層光刻膠2204剝離，接著氧化或淀積形成二氧化硅絕緣薄膜M01， 且形成的薄膜厚度需使得其等效氧化層厚度(EOT)大于高介電常數(shù)絕緣薄膜的等效氧化層厚度(EOT)，從而實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整，如圖M所示；接下來，先剝離氮化硅硬質(zhì)掩膜2203和其上面的二氧化硅薄膜M01，再淀積摻雜的多晶硅薄膜2501，接著淀積形成第二層光刻膠2502，如圖25所示；接下來，掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)(204，206)和第二柵疊層區(qū)Q05，207)， 并形成叉指結(jié)構(gòu)的柵213，然后剝離第二層光刻膠2502，工藝結(jié)果如圖沈所示，其中圖 26(a)為剖視圖，圖^(b)為俯視圖；接下來，淀積形成第三層光刻膠2701，如圖27所示；接下來，掩膜曝光光刻出對漏區(qū)和第二源進(jìn)行離子注入所需的圖形，如圖觀所示；接下來，離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)202和第二源區(qū)203，其中離子束 2901為含磷或砷的離子束，如圖四所示；接下來，剝離第三層光刻膠2701，再淀積形成第四層光刻膠3001，如圖30所示；接下來，掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)離子注入所需的圖形，如圖31所示；接下來，離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)，其中離子束3201為含硼的離子，如圖32所示；接下來，剝離第四層光刻膠3001，再淀積二氧化硅層3301，如圖33所示；接下來，在二氧化硅層3301中，在各個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)上刻蝕形成通孔，再淀積電極材料金屬鋁，以填充通孔并形成電極互連層3401，其中的電極材料還可以是鎢、銅等金屬，如圖34所示；最后，刻蝕電極互連層3401，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)源區(qū)的互連，形成源電極S、漏電極D和柵電極G?；ミB情況和形成的最終的器件結(jié)構(gòu)如圖35所示，其中圖35(a)剖視圖和圖35(b)為俯視圖。圖36是本發(fā)明所公開的隧穿場效應(yīng)晶體管的第三種制造方法的一個(gè)實(shí)施例，其中圖36(a)為器件沿溝道長度方向的剖面圖，圖36(b)為器件的俯視圖。該器件共有三個(gè)電極漏電極D、柵電極G和源電極S，為三端器件。器件包括由第一柵疊層區(qū)、第二柵疊層區(qū)、第一源區(qū)201、第二源區(qū)203、漏區(qū)202和襯底區(qū)210。其中，第一柵疊層區(qū)包括第一絕緣層204、第一導(dǎo)電層206a和導(dǎo)電層206b ；第二柵疊層區(qū)包括第二絕緣層205和第二導(dǎo)電層207。第一絕緣層204和第二絕緣層205采用的絕緣薄膜材料為熱氧化生長得到的或淀積得到的二氧化硅，也可是氧化鉿、氧化鉭、氧化氟等高K柵材料。作為柵導(dǎo)電層的206a、 206b和作為柵導(dǎo)電層的207在溝道區(qū)外通過柵導(dǎo)電層材料互連在一起而形成叉指柵；并且在叉指柵上引出電極作為器件的柵電極G，其中電極材料是金屬鋁。在第一源區(qū)和第二源區(qū)上引出電極，再通過電極互連層實(shí)現(xiàn)互連，作為器件的源電極，其中電極材料是金屬鋁。在漏上引出電極作為器件的漏電極D，其中電極材料是金屬鋁(也可以是其他金屬)。第一源區(qū)201的摻雜類型與漏區(qū)202和第二源區(qū)203的摻雜類型相反，通常與襯底210摻雜類型相同。第一源區(qū)201的摻雜濃度要重?fù)诫s，第二源區(qū)203和漏區(qū)202的摻雜濃度非重?fù)诫s。 第一溝道區(qū)208連接第一源區(qū)201和漏區(qū)202，第二溝道區(qū)209連接第二源區(qū)203和漏區(qū) 202。淀積生長的第一導(dǎo)電層和第二層導(dǎo)電層使用的材料不同，可以是摻雜的多晶硅，也可以是TiN、Al、TaN、Cu、Ni、Pt等金屬；選擇材料時(shí)需滿足第一導(dǎo)電層的功函數(shù)小于第二導(dǎo)電層的功函數(shù)，實(shí)現(xiàn)溝道的閾值電壓調(diào)整，以確保器件的隧穿電流產(chǎn)生在多子注入電流之前。圖37 50描述的是圖2所示的采用第三種制造方法的一個(gè)實(shí)施例的制造工序。首先，在硅襯底上氧化或淀積一層二氧化硅緣薄膜3701，再淀積一層金屬薄膜 3702，如TiN、Al、TaN等，接著淀積一層氮化硅的硬質(zhì)掩膜3703，然后再淀積形成第一層光刻膠3704，如圖37的剖視圖所示；接下來，掩膜曝光后刻蝕氮化硅硬質(zhì)掩膜3703、導(dǎo)電薄膜3702，直到二氧化薄膜， 露出第二溝道區(qū)上二氧化硅薄膜3701，如圖38所示；接下來，剝離第一層光刻膠3704和氮化硅硬質(zhì)掩膜3703，如圖39所示；接下來，淀積一層摻雜的多晶硅薄膜4001，也可以是Cu、Ni、Pt等金屬，然后再淀積第二層光刻膠4002，如圖40所示；接下來，掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)(204，206a，206b)和第二柵疊層區(qū) (205，207)，并形成叉指結(jié)構(gòu)的柵213，然后剝離第二層光刻膠4002，工藝結(jié)果如圖41所示， 其中圖41(a)為剖視圖，圖41(b)為俯視圖；接下來，淀積形成第三層光刻膠4201，如圖42所示；接下來，掩膜曝光光刻出對漏區(qū)和第二源進(jìn)行離子注入所需的圖形，如圖43所示；接下來，離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)202和第二源區(qū)203，其中離子束 4401為含磷或砷的離子束，如圖44所示；接下來，剝離第三層光刻膠4201，再淀積形成第四層光刻膠4501，如圖45所示；接下來，掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)離子注入所需的圖形，如圖46所示；接下來，離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)，其中離子束4701為含硼的離子，如圖47所示；接下來，剝離第四層光刻膠4501，再淀積二氧化硅層4801，如圖48所示；接下來，在二氧化硅層4801中，在各個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)上刻蝕形成通孔，再淀積電極材料金屬鋁，以填充通孔并形成電極互連層4901，其中的電極材料還可以是鎢、銅等金屬，如圖49所示；最后，刻蝕電極互連層4901，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)源區(qū)的互連，形成源電極S、漏電極D和柵電極G?；ミB情況和形成的最終的器件結(jié)構(gòu)如圖50所示，其中圖50(a)剖視圖和圖50(b)為俯視圖。圖51是本發(fā)明的晶體管的技術(shù)效果展示。
權(quán)利要求
1.一種隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，包括1)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底O10)；2)在半導(dǎo)體襯底上形成的與第一柵疊層區(qū)對應(yīng)的第一溝道區(qū)(208)和與第二柵疊層區(qū)對應(yīng)的第二溝道區(qū)(209)；3)在第一溝道區(qū)(208)上形成的覆蓋整個(gè)溝道區(qū)的第一柵疊層區(qū)，所述第一柵疊層區(qū)至少包含第一絕緣層(204)和一個(gè)導(dǎo)電層Q06)；4)在第二溝道區(qū)(209)上形成的覆蓋整個(gè)溝道區(qū)的第二柵疊層區(qū)，所述第二柵疊層區(qū)至少包含第二絕緣層(20 和第二導(dǎo)電層O07)；5)在半導(dǎo)體襯底上，在第一溝道區(qū)O08)的非漏區(qū)的一側(cè)形成的具有第一種摻雜類型且為重?fù)诫s的第一源區(qū)O01)；6)在半導(dǎo)體襯底上，在第一溝道區(qū)(208)和第二溝道區(qū)(209)之間形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)(202)；7)在第二溝道區(qū)O09)的非漏區(qū)的一側(cè)形成的具有第二種摻雜類型的第二源區(qū) (203)；8)第一柵疊層區(qū)中的導(dǎo)電層(206)和第二柵疊層區(qū)中的第二導(dǎo)電層(207)在溝道區(qū)外相連接，構(gòu)成叉指柵；9)覆蓋在第一源區(qū)001)、第二源區(qū)003)、漏區(qū)002)、第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)上的第三絕緣層；10)在第三絕緣層中形成第一源區(qū)(201)和第二源區(qū)(20 上的電極，漏區(qū)(20 上的漏電極D和叉指柵上的柵電極G ；11)用電極互連層互連的第一源區(qū)(201)和第二源區(qū)(20 的電極形成最終的源電極S。
2.如權(quán)利要求1所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底是單晶硅、多晶硅、絕緣材料上的硅、或其他半導(dǎo)體材料。
3.如權(quán)利要求1所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，第一絕緣層(204)和第二絕緣層O05)的絕緣材料是氧化硅、氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭、氧化氟。
4.如權(quán)利要求1所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，第一導(dǎo)電層(206)和第二導(dǎo)電層O07)的導(dǎo)電材料是摻雜的多晶硅、氮化鈦、氮化鉭、鋁、銅、鎳或鉬。
5.如權(quán)利要求1所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，第三絕緣層的絕緣材料是氧化硅或氮化硅。
6.如權(quán)利要求1所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，電極的導(dǎo)電材料是鋁、銅或鎢。
7.如權(quán)利要求1所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，3)中所述第一柵疊層區(qū)還包括第二個(gè)導(dǎo)電層O06b)。
8.—種權(quán)利要求1所述隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)淀積形成第一層光刻膠；3)掩膜曝光光刻出第二溝道區(qū)O09)(或包含第二溝道區(qū)(209)的阱區(qū))的圖形；4)離子注入形成第一種摻雜類型的雜質(zhì)的第二溝道區(qū)009)(或包含第二溝道區(qū)(209)的阱區(qū))，實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整；5)第一層光刻膠剝離；6)氧化或淀積形成第一層絕緣薄膜；7)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；8)淀積形成第二層光刻膠；9)掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)，并形成叉指柵；；10)淀積形成第三層光刻膠；11)掩膜曝光光刻出對漏區(qū)(20 和第二源區(qū)(20 進(jìn)行離子注入所需的圖形；12)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)(20 和第二源區(qū)(203)；13)第三層光刻膠剝離；14)淀積形成第四層光刻膠；15)掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)O01)離子注入所需的圖形；16)離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)O01)；17)第四層光刻膠剝離；18)淀積形成第二層絕緣薄膜；在第二層絕緣薄膜上，先掩膜曝光刻蝕出兩個(gè)源區(qū)、漏區(qū)(20 和叉指柵上的通孔，再淀積電極的導(dǎo)電材料以填充通孔，并形成電極互連層；19)掩膜曝光刻蝕形成各個(gè)電極，并實(shí)現(xiàn)源電極的互連。
9. 一種權(quán)利要求1所述隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)淀積形成第一層絕緣薄膜；3)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；4)淀積形成第一層硬質(zhì)掩膜；5)淀積形成第一層光刻膠；6)掩膜曝光后刻蝕硬質(zhì)掩膜、第一種導(dǎo)電薄膜和第一層絕緣薄膜，直到硅襯底，露出第二溝道區(qū)(209)；7)剝離第一層光刻膠；8)氧化或淀積形成第二層絕緣薄膜，且形成的薄膜厚度需使得其等效氧化層厚度大于第一層絕緣薄膜的等效氧化層厚度，從而實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)整；9)剝離第一層硬質(zhì)掩膜；10)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；11)淀積形成第二層光刻膠；12)掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)，并形成叉指柵；；13)淀積形成第三層光刻膠；14)掩膜曝光光刻出對漏區(qū)(20 和第二源進(jìn)行離子注入所需的圖形；15)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)(20 和第二源區(qū)(203)；16)第三層光刻膠剝離；17)淀積形成第四層光刻膠；18)掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)O01)離子注入所需的圖形；19)離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)O01)；20)第四層光刻膠剝離；21)淀積形成第三層絕緣薄膜；22)在第三層絕緣薄膜上，先掩膜曝光刻蝕出兩個(gè)源區(qū)、漏區(qū)(20 和叉指柵上的通孔，再淀積電極的導(dǎo)電材料以填充通孔，并形成電極互連層；23)掩膜曝光刻蝕形成各個(gè)電極，并實(shí)現(xiàn)源電極的互連。
10. 一種權(quán)利要求1所述隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)氧化或淀積形成第一層絕緣薄膜；3)淀積第一種導(dǎo)電薄膜；4)淀積形成第一層硬質(zhì)掩膜；5)淀積形成第一層光刻膠；6)掩膜曝光后刻蝕硬質(zhì)掩膜、第一種導(dǎo)電薄膜，露出第二溝道區(qū)(209)上第一層絕緣薄膜；7)第一層硬質(zhì)掩膜和第一層光刻膠剝離；8)淀積第二種導(dǎo)電薄膜；9)淀積形成第二層光刻膠；10)掩膜曝光刻蝕形成第一柵疊層區(qū)和第二柵疊層區(qū)，并形成叉指柵；11)淀積形成第三層光刻膠；12)掩膜曝光光刻出對漏區(qū)(20 和第二源進(jìn)行離子注入所需的圖形；13)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)(20 和第二源區(qū)(203)；14)第三層光刻膠剝離；15)淀積形成第四層光刻膠；16)掩膜曝光光刻出對第一源區(qū)O01)離子注入所需的圖形；17)離子注入形成第一種摻雜類型的第一源區(qū)O01)；18)第四層光刻膠剝離；19)淀積形成第二層絕緣薄膜；在第二層絕緣薄膜上，先掩膜曝光刻蝕出兩個(gè)源區(qū)、漏區(qū)(20 和叉指柵上的通孔，再淀積電極導(dǎo)電材料層以填充通孔，形成電極導(dǎo)電層；20)掩膜曝光刻蝕形成各個(gè)電極，并且實(shí)現(xiàn)源電極的互連。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法。所述晶體管包括半導(dǎo)體襯底；第一溝道區(qū)和第二溝道區(qū)；第一柵疊層區(qū)；第二柵疊層區(qū)；第一源區(qū)；漏區(qū)；第二源區(qū)；第一柵疊層區(qū)中的第一導(dǎo)電層和第二柵疊層區(qū)中的第二導(dǎo)電層在溝道區(qū)外相連接，構(gòu)成叉指柵；第三絕緣層；在第三絕緣層中形成第一源區(qū)和第二源區(qū)上的電極，漏區(qū)上的漏電極D和叉指柵上的柵電極G；源電極S。本發(fā)明提出的隧穿場效應(yīng)器件的工作電流在亞閾區(qū)時(shí)是隧穿電流，在線性區(qū)時(shí)為MOS場效應(yīng)管的電流，驅(qū)動(dòng)電流得到很大的提高。同時(shí)，制造工藝與傳統(tǒng)工藝兼容；由于采用叉指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)第一源區(qū)起到了襯底引出的作用，節(jié)約了面積。
文檔編號(hào)H01L29/10GK102201450SQ20111014433
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者毛翔, 詹瞻, 邱穎鑫, 黃如, 黃芊芊 申請人:北京大學(xué)