專利名稱：無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的制作方法
無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分裂環(huán)柵無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管。
技術(shù)背景
集成電路的發(fā)展一直按照摩爾定律的指引，使得集成電路密度更高、功耗更小、能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越多，而這一切都離不開器件尺寸縮小和性能的提高。但是隨著器件尺寸的不斷縮小，特別是器件進(jìn)入深納米尺度，器件的各種二級(jí)效應(yīng)，例如短溝道效應(yīng)、漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)等，導(dǎo)致器件性能下降。因此為了抑制短溝道等不良效應(yīng)，提高器件性能，許多新型的器件結(jié)構(gòu)被不斷提出，例如雙柵器件、三柵器件、魚鰭式場效應(yīng)晶體管、環(huán)柵納米線器件等。而其中納米線場效應(yīng)晶體管因?yàn)閮?yōu)良的柵控能力，使得短溝道效應(yīng)和漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)影響降低。但是，同時(shí)器件的縮小導(dǎo)致很難形成明顯源漏與溝道的勢(shì)壘結(jié)，并且在低濃度的溝道摻雜濃度下，摻雜的變化對(duì)器件性能的影響很大，因此無結(jié)的納米線場效應(yīng)晶體管應(yīng)運(yùn)而生，并備受關(guān)注。
現(xiàn)有的無結(jié)型納米線場效應(yīng)晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力和跨導(dǎo)性能已經(jīng)不能滿足日益提高的需求，有必要做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以提高器件的電流的驅(qū)動(dòng)能力。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的主要技術(shù)問題是提供一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，提高了電流的驅(qū)動(dòng)能力。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，包括溝道、源區(qū)和漏區(qū)，所述源區(qū)設(shè)置在溝道的一端，所述漏區(qū)設(shè)置在溝道的另一端，所述溝道的外表面覆蓋有柵氧化層，所述柵氧化層的表面覆蓋有柵電極層，所述柵電極層包括接近源區(qū)的第一柵電極層和接近漏區(qū)的第二柵電極層。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述第一柵電極層的功函數(shù)大于第二柵電極層的功函數(shù)。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述溝道、源區(qū)和漏區(qū)三者的摻雜材料、摻雜濃度和摻雜類型相同。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述溝道、源區(qū)和漏區(qū)三者的摻雜類型均為N型或者均為P型。
優(yōu)選一實(shí)施例中，摻雜類型為N型時(shí)，摻雜材料為磷或砷。
優(yōu)選一實(shí)施例中，摻雜類型為P型時(shí)，摻雜材料為硼。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述源區(qū)和溝道接觸處的截面兩者之間相同，所述漏區(qū)和溝道連接處的截面兩者之間相同。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述柵氧化層為厚度為1-2納米的氧化硅。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述溝道的形狀為圓柱，所述源區(qū)、漏區(qū)的形狀為圓柱或者圓臺(tái)。
優(yōu)選一實(shí)施例中，所述溝道、源區(qū)以及漏區(qū)的形狀為棱柱。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例引入分裂柵結(jié)構(gòu)，使得無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的載流子在溝道中速度提高，從而使得開態(tài)電流增大，不考慮閾值電壓的影響，同時(shí)也使得器件的關(guān)態(tài)電流變小，并且屏蔽了漏極對(duì)器件的影響，使得漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)明顯減弱，提高了電流的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，分裂柵的引入使得無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在低壓時(shí)的跨導(dǎo)特性明顯提高。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管截面示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管截面示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管截面示意圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管截面示意圖5為溝道長度為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)對(duì)晶體管溝道區(qū)電勢(shì)分布的影響的曲線圖6為溝道長度為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)對(duì)晶體管溝道區(qū)電場分布的影響的曲線圖7為柵長度不同時(shí)，分裂柵結(jié)構(gòu)對(duì)器件電流特性的影響曲線圖8為溝道長度固定為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)中兩個(gè)柵長度變化對(duì)器件漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)和亞閾值斜率特性的影響曲線圖9為溝道長度固定為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)中兩個(gè)柵的功函數(shù)差變化對(duì)器件電流特性的影響曲線圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
請(qǐng)一并參閱圖1至圖4所示，圖1至圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管截面示意圖，圖中無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管包括溝道1、源區(qū)2和漏區(qū)3，源區(qū) 2設(shè)置在溝道1的一端，漏區(qū)3設(shè)置在溝道1的另一端，溝道1的外表面覆蓋有柵氧化層4， 柵氧化層4的表面覆蓋有柵電極層5。本實(shí)施例中弓I入分裂柵結(jié)構(gòu)，柵電極層5包括接近源區(qū)2的第一柵電極層51和接近漏區(qū)3的第二柵電極層52。
本實(shí)施例中，為了保證靠近源端的電場比較大，提高電流驅(qū)動(dòng)能力，第一柵電極層 51的功函數(shù)大于第二柵電極層52的功函數(shù)。比如第一柵電極層51的功函數(shù)為4. 97eV，第二柵電極層52的功函數(shù)為4. 27eV。
本實(shí)施例中，溝道1、源區(qū)2和漏區(qū)3三者的摻雜材料、摻雜濃度和摻雜類型都相同。比如對(duì)于硅材料無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管來說，摻雜類型均為N型或者均為P型。當(dāng)摻雜類型為N型時(shí)，摻雜材料可以為磷、砷等。當(dāng)摻雜類型為P型時(shí)，摻雜材料可以為硼。摻雜濃度可以均為2X1Q19Cm_3。
本實(shí)施例中，柵氧化層為厚度為1-2納米的氧化硅。
為了使源區(qū)2和溝道1不形成勢(shì)壘結(jié)，所述源區(qū)2和溝道1接觸處的截面兩者之間相同。為了使漏區(qū)3和溝道1不形成勢(shì)壘結(jié)，所述漏區(qū)3和溝道1連接處的截面兩者之間也相同。
圖I中溝道I、源區(qū)2和漏區(qū)3的形狀均為圓柱，三者之間的直徑大小一樣。當(dāng)然， 溝道I的形狀可以為圓柱，源區(qū)、漏區(qū)的形狀可以為圓臺(tái)，如圖2、3和4所示。當(dāng)然也并不局限于此，溝道I、源區(qū)2以及漏區(qū)3的形狀也可以為棱柱，比如溝道I、源區(qū)2以及漏區(qū)3 的截面為矩形。
本實(shí)施例中，分裂環(huán)柵無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的眾多參數(shù)可調(diào)
(I)、其厚度的半徑(直徑)可調(diào)；(2)、其溝道的總長度可調(diào)；(3)、其源區(qū)的摻雜材料、摻雜濃度、摻雜類型可調(diào)；(4)、其溝道的摻雜材料、摻雜濃度、摻雜類型可調(diào)；(5)、其漏區(qū)的摻雜材料、摻雜濃度、摻雜類型可調(diào)；(6)、其柵氧化層的材料可調(diào)；(7)、其柵氧化層的厚度可調(diào)；(8)、在總柵長一定時(shí)，第一柵電極層51和第二柵電極層52的柵長可調(diào)；(9)、 第一柵電極層51和第二柵電極層52的功函數(shù)可調(diào)。
本發(fā)明實(shí)施例分裂柵的引入使得無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的載流子在溝道中速度提高，從而使得開態(tài)電流增大，不考慮閾值電壓的影響，同時(shí)也使得器件的關(guān)態(tài)電流變小。并且屏蔽了漏極對(duì)器件的影響，使得漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)明顯減弱，提高了電流的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，分裂柵的引入使得無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在低壓時(shí)的跨導(dǎo)特性明顯提高。
下面以溝道I、源區(qū)2和漏區(qū)3的形狀均為圓柱時(shí)的情況作詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖5所示，圖5為溝道長度為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)對(duì)晶體管溝道區(qū)電勢(shì)分布的影響的曲線圖。分裂柵使得電勢(shì)在不同功函數(shù)柵邊界周圍下方產(chǎn)生電勢(shì)的臺(tái)階。雖然本圖是在源漏電壓為2伏特，柵電壓減去閾值電壓為0.2伏特條件下得到的，但這個(gè)現(xiàn)象在其他的電壓條件下依然存在，具有普適性。電勢(shì)臺(tái)階的存在使得器件電場分布發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，以致影響器件的特性。
請(qǐng)參閱圖6所示，圖6為溝道長度為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)對(duì)晶體管溝道區(qū)電場分布的影響的曲線圖。傳統(tǒng)的無結(jié)器件電場只有一個(gè)峰值，而分裂柵的引入使得器件在靠近源端又產(chǎn)生了一個(gè)電場峰?？拷炊穗妶鍪沟幂d流子在該區(qū)域加速得更加充分，從而使得載流子的平均速度得到提升，宏觀上看就是增加了器件的開態(tài)電流。而靠近漏端的電場被減小使得器件載流子的過沖效應(yīng)、熱效應(yīng)都減弱。并且靠近漏端的柵屏蔽了器件漏極對(duì)源極的影響，從而改善器件的性能。
請(qǐng)參閱圖7所示，圖7為柵長度不同時(shí)，分裂柵結(jié)構(gòu)對(duì)器件電流特性的影響曲線圖。可以看出，當(dāng)分裂環(huán)柵無結(jié)納米線器件和傳統(tǒng)環(huán)柵無結(jié)納米線器件的柵電壓減去閾值電壓為零伏特時(shí)，將此時(shí)電流固定為le-7安培，而當(dāng)柵電壓減去閾值電壓為I伏特并與源漏電壓相同時(shí)，分裂柵結(jié)構(gòu)在不同的柵長度時(shí)都增加了器件的飽和電流。因此，分裂柵結(jié)構(gòu)也增加了器件的驅(qū)動(dòng)能力。分裂環(huán)柵無結(jié)納米線器件和傳統(tǒng)環(huán)柵無結(jié)納米線器件因?yàn)楣瘮?shù)的不同，會(huì)造成器件閾值電壓不同，因此在本發(fā)明中，柵電壓將會(huì)減去閾值電壓以消除功函數(shù)不同帶來的影響，從而達(dá)到公平的比較。
請(qǐng)參閱圖8所示，圖8為溝道長度固定為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)中兩個(gè)柵長度變化對(duì)器件漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)和亞閾值斜率特性的影響曲線圖?？梢钥闯?，隨著靠近漏端的柵長增加，漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)明顯減小，靠近漏端的柵長大于15nm以后，分裂柵結(jié)構(gòu)的器件較之傳統(tǒng)的無結(jié)器件漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)明顯得到抑制。這個(gè)對(duì)漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)的抑制作用來源于分裂柵結(jié)構(gòu)中靠近漏端柵的屏蔽作用。分裂柵結(jié)構(gòu)的亞閾值斜率也隨著靠近漏端的柵長增加而逐漸減小，雖然分裂柵的亞閾值斜率值比傳統(tǒng)無結(jié)器件的值略大，但是分裂5柵的亞閾值斜率值都小于70mV/dec，并且在靠近漏端的柵長大于20nm以后，其亞閾值斜率值已經(jīng)很接近傳統(tǒng)的無結(jié)器件，能夠滿足小尺寸器件的性能需要。
請(qǐng)參閱圖9所示，圖9為溝道長度固定為40納米，分裂柵結(jié)構(gòu)中兩個(gè)柵的功函數(shù)差變化對(duì)器件電流特性的影響曲線圖。從圖中可以看出，隨著兩個(gè)柵的功函數(shù)差逐漸增大， 器件的飽和電流不斷增大。在柵電壓與閾值電壓相同時(shí)，分裂柵結(jié)構(gòu)器件的電流較之傳統(tǒng)無結(jié)器件也迅速減小，并且隨著兩個(gè)柵的功函數(shù)差逐漸增大，分裂柵結(jié)構(gòu)器件的電流沒有明顯的增加。這是由于分裂柵結(jié)構(gòu)中，靠近源端的柵在功函數(shù)差增加時(shí)，對(duì)電流的增加作用更加明顯，并且靠近漏端柵的屏蔽作用沒有明顯被削弱。
從上述的圖5至圖9可以看出，本發(fā)明實(shí)施例公開的柱狀分裂環(huán)柵無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)提高器件工作速度；(2)增強(qiáng)環(huán)柵無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)能力；C3)同時(shí)該器件還可以更有效地抑制漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)，并且保持良好的亞閾值斜率，從而改善器件在尺寸縮小過程中的性能惡化情況。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，包括溝道、源區(qū)和漏區(qū)，所述源區(qū)設(shè)置在溝道的一端，所述漏區(qū)設(shè)置在溝道的另一端，其特征在于，所述溝道的外表面覆蓋有柵氧化層，所述柵氧化層的表面覆蓋有柵電極層，所述柵電極層包括接近源區(qū)的第一柵電極層和接近漏區(qū)的第二柵電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第一柵電極層的功函數(shù)大于第二柵電極層的功函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道、源區(qū)和漏區(qū)三者的摻雜材料、摻雜濃度和摻雜類型相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道、源區(qū)和漏區(qū)三者的摻雜類型均為N型或者均為P型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，摻雜類型為N型時(shí)， 摻雜材料為磷或砷。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，摻雜類型為P型時(shí)， 摻雜材料為硼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)和溝道接觸處的截面兩者之間相同，所述漏區(qū)和溝道連接處的截面兩者之間相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵氧化層為厚度為1-2納米的氧化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道的形狀為圓柱，所述源區(qū)、漏區(qū)的形狀為圓柱或者圓臺(tái)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道、源區(qū)以及漏區(qū)的形狀為棱柱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管，包括溝道、源區(qū)和漏區(qū)，所述源區(qū)設(shè)置在溝道的一端，所述漏區(qū)設(shè)置在溝道的另一端，所述溝道的外表面覆蓋有柵氧化層，所述柵氧化層的表面覆蓋有柵電極層，所述柵電極層包括接近源區(qū)的第一柵電極層和接近漏區(qū)的第二柵電極層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例引入分裂柵結(jié)構(gòu)，使得無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管的載流子在溝道中速度提高，從而使得開態(tài)電流增大，不考慮閾值電壓的影響，同時(shí)也使得器件的關(guān)態(tài)電流變小，并且屏蔽了漏極對(duì)器件的影響，使得漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)明顯減弱，提高了電流的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，分裂柵的引入使得無結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管在低壓時(shí)的跨導(dǎo)特性明顯提高。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102544073SQ201110424189
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者何進(jìn), 林信南, 樓海君 申請(qǐng)人:北京大學(xué)深圳研究生院, 深港產(chǎn)學(xué)研基地