專利名稱：一種多摻雜口袋結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)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，具體涉及一種多摻雜口袋結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。該隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)電流大、亞閾斜率小，適合低電壓低功耗應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，它是一種新型的低功耗器件，與MOSFET相比較，其優(yōu)勢(shì)在于可以減少亞閾泄漏，且亞閾斜率可以突破kT/q的限制，在低功耗應(yīng)用上表現(xiàn)出巨大的潛力。然而，目前平面工藝下的硅隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)電流小，其驅(qū)動(dòng)電流較MOSFET低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得其應(yīng)用的電路性能不足；另外，隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的亞閾斜率仍可以繼續(xù)減少，以便于在更低電壓下的應(yīng)用。針對(duì)這些存在的問題，提出了很多優(yōu)化和提升隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方案，如采用非硅材料的半導(dǎo)體，采用PNPN結(jié)構(gòu)，采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等。圖I (a)是平面的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)剖面圖，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。圖I (b)是進(jìn)行性能優(yōu)化的PNPN結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中104是源區(qū)，105是漏區(qū)，106是柵絕緣介質(zhì)層以及107是在源端未處插入的一個(gè)很薄的摻雜口袋107，其摻雜類型與漏的摻雜類型相同、與源的摻雜類型相反。因?yàn)閾诫s口袋要求很薄，這增加了器件的實(shí)現(xiàn)難度，給工藝提出了挑戰(zhàn)。對(duì)于N型TFET，漏端正電壓偏置；當(dāng)柵電壓增加時(shí)，源與溝道處的隧穿電流隨之增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可以提升驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)減少亞閾斜率的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明還給出了該器件的制造方法。本發(fā)明提出的隧穿場(chǎng)晶體管具有三個(gè)摻雜口袋(pocket)，其中第一和第二摻雜口袋與源區(qū)摻雜類型相同，第三摻雜口袋則與源區(qū)摻雜類型相反并位于所述的兩個(gè)摻雜口袋與源區(qū)之間。這三個(gè)摻雜口袋的目的在于夾在第一、第二摻雜口袋與源區(qū)之間的第三摻雜口袋將被耗盡，這會(huì)使得源端隧穿結(jié)處的電場(chǎng)增加，隧穿寬度減少，從而提升驅(qū)動(dòng)電流且減少亞閾斜率，最終晶體管的性能得到提升；另外由于第一、第二摻雜口袋與源區(qū)共同耗盡的增強(qiáng)作用，使得對(duì)第三個(gè)摻雜口袋的摻雜工藝要求放寬，從而降低了工藝難度。通過控制這三個(gè)摻雜口袋的摻雜特性還可以繼續(xù)優(yōu)化器件性能。本發(fā)明提出的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(參圖2)包括具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底201 在半導(dǎo)體襯底201上形成的具有第一種摻雜類型的源區(qū)203 ；在半導(dǎo)體襯底201上形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)208 ；在半導(dǎo)體襯底201上形成的具有第二種摻雜類型并且毗鄰源區(qū)203的第三摻雜口袋 202 ；
在半導(dǎo)體襯底201上形成的具有第一種摻雜類型的并且毗鄰第三摻雜口袋202的第一摻雜口袋204和第二摻雜口袋205 ；
在半導(dǎo)體襯底201上，在源區(qū)203和漏區(qū)208之間、去除第一摻雜口袋204和第二摻雜口袋205外的區(qū)域所形成的溝道區(qū)213 ；形成覆蓋溝道區(qū)的第一絕緣層206 ；在第一絕緣絕緣層206上形成的第一導(dǎo)電層207 ；覆蓋源區(qū)203、漏區(qū)208、第一導(dǎo)電層207上的第二絕緣層209 ；在第二絕緣層209中形成源區(qū)203上的源電極212，漏區(qū)208上的漏電極210和由第一絕緣層206和第一導(dǎo)電層207組成的柵疊層區(qū)上的柵電極211 ；其中，半導(dǎo)體襯底201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206的絕緣材料可以是氧化硅、氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭、氧化氟等高介電常數(shù)的柵材料；第一導(dǎo)電層207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；第二絕緣層209的絕緣材料可以是氧化硅或氮化硅；所述源、漏、柵電極的導(dǎo)電材料可以是鋁、銅和鎢等金屬；第一種摻雜類型與第二種摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)類型相反，可以是硼與磷、硼與砷等。本發(fā)明提供的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種制備方法包括I)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；2)在所述半導(dǎo)體襯底上淀積形成第一層光刻膠；3)掩膜曝光光刻出第一摻雜口袋的圖形；4)離子注入形成第二種摻雜類型的雜質(zhì)的第三摻雜口袋；5)第一層光刻膠剝離；6)氧化或淀積形成第一絕緣層、第一導(dǎo)電層和第一層硬質(zhì)掩膜；7)淀積形成第二層光刻膠；8)掩膜曝光刻蝕形成源區(qū)、第一摻雜口袋和第二摻雜口袋的圖形，然后分別刻蝕第一層硬質(zhì)掩膜、第一導(dǎo)電層和第一絕緣層，直到露出半導(dǎo)體；9)離子注入形成第一種摻雜類型的源區(qū)、第一摻雜口袋和第二摻雜口袋；10)第二層光刻膠剝離，淀積形成第三層光刻膠；11)掩膜曝光光刻出漏區(qū)圖形，然后分別刻蝕第一層硬質(zhì)掩膜、第一導(dǎo)電層和第一絕緣層，直到露出半導(dǎo)體；12)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)；13)去除第三層光刻膠和剝離第一層硬質(zhì)掩膜；14)淀積形成第二絕緣層；在第二絕緣層中，先掩膜曝光刻蝕出源區(qū)、漏區(qū)和柵上的通孔，再淀積電極的導(dǎo)電材料以填充通孔，形成電極；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；第二絕緣層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(chǎng)效應(yīng)晶體管可以在提升驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)降低亞閾斜率。通過第一、第二摻雜口袋和源區(qū)間的增強(qiáng)的耗盡作用，可以在降低工藝難度的條件下極大提聞隧穿結(jié)的電場(chǎng)，降低隧穿勢(shì)壘 ，最終提聞晶體管的驅(qū)動(dòng)電流和并減少亞閾斜率，而通過改變摻雜特性可以繼續(xù)優(yōu)化器件性能。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明圖1(a)是現(xiàn)有的平面隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的剖面圖，圖1(b)是進(jìn)行性能優(yōu)化的PNPN結(jié)構(gòu)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的剖面圖；圖2(a)、(b)、(C)分別是本發(fā)明的晶體管制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例的沿著溝道長(zhǎng)度方向的剖視圖、俯視圖和沿AA’方向的剖面圖；圖3至圖13(c)是制造圖2所示的晶體管的工藝剖面示意圖和部分俯視具體實(shí)施例方式圖2是本發(fā)明所公開的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法的一個(gè)實(shí)施例，其中圖2(a)為器件沿溝道長(zhǎng)度方向的剖面圖，圖2(b)為器件的俯視圖，圖2(c)是器件沿圖2(b)中AA’方向的剖面圖。該器件共有三個(gè)電極漏電極210、柵電極211和源電極212，為三端器件。器件包括源區(qū)203、漏區(qū)208、柵疊層區(qū)、第一摻雜口袋204、第二摻雜口袋205、第三摻雜口袋202和襯底201，以及第二絕緣層209，在半導(dǎo)體襯底201上，在源區(qū)203和漏區(qū)208之間、去除第一摻雜口袋204和第二摻雜口袋205外的區(qū)域所形成的溝道區(qū)213。其中，柵疊層區(qū)包括第一絕緣層206和第一導(dǎo)電層207。第一絕緣層采用的絕緣薄膜材料為熱氧化生長(zhǎng)得到的或淀積得到的二氧化硅，也可以為高K柵材料；第一導(dǎo)電層為重?fù)诫s的多晶硅或金屬材料。在柵疊層區(qū)上引出電極作為器件的柵電極211，其中電極材料是金屬鋁或鎢等其它金屬材料。在源區(qū)上和漏區(qū)分別引出的電極作為器件的源電極212和漏電極210，其中電極材料是金屬鋁或其它金屬材料。源區(qū)203、第一摻雜口袋204和第二摻雜口袋205均使用第一種摻雜類型，漏區(qū)208和第三摻雜口袋202均使用第二種摻雜類型，且第一種摻雜類型與第二種摻雜類型相反，如硼與磷等。源區(qū)203的摻雜濃度要求重?fù)诫s，通常要求大于lel9Cm_3以保證器件的性能；漏區(qū)202的摻雜濃度非重?fù)诫s，約lelScnT3，以抑制雙極效應(yīng)。值得注意的是，這里第三摻雜口袋須被第一、第二摻雜口袋和源區(qū)完全耗盡了，因此需要設(shè)計(jì)該器件中第三摻雜口袋的尺寸大小與摻雜濃度，但與PNPN結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比(參照?qǐng)D1(b))，因?yàn)榈谝?、第二摻雜口袋和源區(qū)的增加的耗盡作用，對(duì)第三摻雜口袋的工藝要求可以放寬，降低工藝難度。半導(dǎo)體襯底201為具有第一種摻雜類型的輕摻雜的半導(dǎo)體。圖3 13描述的是采用制造方法的一個(gè)實(shí)施例的制造工序。首先，準(zhǔn)備一個(gè)輕摻雜硼的硅襯底201，如圖3所示；接下來，在硅襯底上淀積第一層光刻膠401，通過掩膜、曝光、光刻形成第三摻雜口袋對(duì)應(yīng)的窗口 402，然后離子注入、退火形成第三摻雜口袋202，其中離子為含磷或砷的離子，最終結(jié)果如圖4剖面結(jié)構(gòu)所示；接下來，去除第一層光刻膠，再分別淀積或生長(zhǎng)二氧化硅的絕緣層206、重?fù)诫s多 晶娃的導(dǎo)電層207和氮化娃的硬質(zhì)掩膜層501,如圖5的剖面圖所不；接下來，淀積第二層光刻膠601，如圖6的剖面圖所示；接下來，掩膜、曝光、光刻形成源區(qū)圖形窗口 701，第一摻雜口袋圖形窗口 702和第二摻雜口袋圖形窗口 703，并分別刻蝕氮化硅的硬質(zhì)掩膜501，多晶硅的導(dǎo)電層207和二氧化硅的絕緣層206，直到露出半導(dǎo)體，最終結(jié)果如圖7(a)的剖面圖和圖7(b)的俯視圖所示；接下來，離子注入并退火形成源區(qū)203、第一摻雜口袋204和第二摻雜口袋205，其中離子為含硼的離子，最終結(jié)果如圖8(a)的剖面圖、圖8(b)的俯視圖所示；接下來，去除光刻膠，再淀積第三層光刻膠901，結(jié)果如圖9 (a)的剖面圖、圖9 (b)的俯視圖所示；接下來，掩膜、曝光、光刻形成漏區(qū)圖形窗口 1001，并分別刻蝕氮化硅的硬質(zhì)掩膜501，多晶硅的導(dǎo)電層207和二氧化硅的絕緣層206，直到露出半導(dǎo)體，最終結(jié)果如圖10(a)的剖面圖和圖10(b)的俯視圖所示；接下來，離子注入形成漏區(qū)208，其中離子束為含磷或砷的離子束，并形成溝道區(qū)213，最終結(jié)果如圖11(a)的剖面圖和圖11(b)的俯視圖所示；接下來，去除光刻膠和第一層硬質(zhì)掩膜501，結(jié)果如圖12(a)的剖面圖和圖12(b)的俯視圖所示；接下來，淀積二氧化硅的絕緣層209，然后刻蝕二氧化硅，在各個(gè)源區(qū)、漏區(qū)和由絕緣層206和導(dǎo)電層208組成的柵疊層區(qū)上刻蝕形成通孔，再淀積電極材料金屬鋁，以填充通孔并形成源區(qū)上的源電極212，柵疊層區(qū)上的電極211，漏區(qū)上的電極210，形成的最終的器件結(jié)構(gòu)如圖13(a)的剖視圖、圖13(b)的俯視圖和沿AA’方向上的剖面圖所示。
權(quán)利要求
1.一種多摻雜口袋結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括 具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底(201)； 在半導(dǎo)體襯底(201)上形成的具有第一種摻雜類型的源區(qū)(203)； 在半導(dǎo)體襯底(201)上形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)(208)； 在半導(dǎo)體襯底(201)上形成的具有第二種摻雜類型并且毗鄰源區(qū)(203)的第三摻雜口袋(202)； 在半導(dǎo)體襯底(201)上形成的具有第一種摻雜類型的并且毗鄰第三摻雜口袋(202)的第一摻雜口袋(204)和第二摻雜口袋(205)； 在半導(dǎo)體襯底(201)上，在源區(qū)(203)和漏區(qū)(208)之間、去除第一摻雜口袋(204)和第二摻雜口袋(205)外的區(qū)域所形成的溝道區(qū)(213)； 形成覆蓋溝道區(qū)的第一絕緣層(206)； 在第一絕緣絕緣層(206)上形成的第一導(dǎo)電層(207)； 覆蓋源區(qū)(203)、漏區(qū)(208)、第一導(dǎo)電層(207)上的第二絕緣層(209)； 在第二絕緣層(209)中形成源區(qū)(203)上的源電極(212)，漏區(qū)(208)上的漏電極(210)和由第一絕緣層(206)和第一導(dǎo)電層(207)組成的柵疊層區(qū)上的柵電極(211)；所述第一摻雜類型和第二摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)類型相反。
2.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述半導(dǎo)體襯底(201)是單晶硅、多晶硅或絕緣材料上的硅。
3.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述第一絕緣層(206)的絕緣材料是氧化硅、氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭或氧化氟。
4.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述第一導(dǎo)電層(207)的導(dǎo)電材料是摻雜的多晶硅、氮化鈦或氮化鉭或金屬。
5.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述第二絕緣層(209)的絕緣材料是氧化硅或氮化硅。
6.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述源、漏、柵電極的導(dǎo)電材料是招、銅或鶴。
7.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，所述第一種摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)為硼，所述第二種摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)為磷或砷。
8.一種多摻雜口袋結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括如下步驟 1)提供一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底； 2)在所述半導(dǎo)體襯底上淀積形成第一層光刻膠； 3)掩膜曝光光刻出第一摻雜口袋的圖形； 4)離子注入形成第二種摻雜類型的雜質(zhì)的第三摻雜口袋； 5)第一層光刻膠剝離； 6)氧化或淀積形成第一絕緣層、第一導(dǎo)電層和第一層硬質(zhì)掩膜； 7)淀積形成第二層光刻膠； 8)掩膜曝光刻蝕形成源區(qū)、第一摻雜口袋和第二摻雜口袋的圖形，然后分別刻蝕第一層硬質(zhì)掩膜、第一導(dǎo)電層和第一絕緣層，直到露出半導(dǎo)體；9)離子注入形成第一種摻雜類型的源區(qū)、第一摻雜口袋和第二摻雜口袋； 10)第二層光刻膠剝離，淀積形成第三層光刻膠； 11)掩膜曝光光刻出漏區(qū)圖形，然后分別刻蝕第一層硬質(zhì)掩膜、第一導(dǎo)電層和第一絕緣層，直到露出半導(dǎo)體； 12)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)； 13)去除第三層光刻膠和剝離第一層硬質(zhì)掩膜； 14)淀積形成第二絕緣層；在第二絕緣層中，先掩膜曝光刻蝕出源區(qū)、漏區(qū)和柵上的通孔，再淀積電極的導(dǎo)電材料以填充通孔，形成電極； 其中，所述第一種摻雜類型和第二種摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)類型相反。
9.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征是，所述第一種摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)為硼，所述第二種摻雜類型使用的摻雜雜質(zhì)為磷或砷。
10.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征是，所述第一絕緣層的絕緣薄膜材料是氧化硅或氧化氟；第二絕緣層的絕緣薄膜材料是氧化硅或氮化硅。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種多摻雜口袋結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。本發(fā)明提出的隧穿場(chǎng)晶體管具有三個(gè)摻雜口袋，其中第一摻雜口袋(204)和第二摻雜口袋(205)與源區(qū)(203)摻雜類型相同，第三摻雜口袋(202)則與源區(qū)(203)摻雜雜質(zhì)類型相反并位于所述的兩個(gè)摻雜口袋與源區(qū)之間。這三個(gè)摻雜口袋的目的在于夾在第一、第二摻雜口袋與源區(qū)之間的第三摻雜口袋將被耗盡，這會(huì)使得源端隧穿結(jié)處的電場(chǎng)增加，隧穿寬度減少，從而該晶體管的驅(qū)動(dòng)電流提升且亞閾斜率減少，性能得到提升。通過控制這三個(gè)摻雜口袋的摻雜特性可以繼續(xù)優(yōu)化器件性能。
文檔編號(hào)H01L21/335GK102623495SQ201210101859
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者詹瞻, 邱穎鑫, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)