專利名稱：一種鍺錫隧穿場效應(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)，具體涉及ー種鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著器件尺寸不斷縮小，半導(dǎo)體器件面臨諸多問題，如短溝道效應(yīng)嚴(yán)重、泄漏電流大等。針對這些問題，領(lǐng)域內(nèi)提出各種解決方案。其中的隧穿場效應(yīng)晶體管已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，它是ー種新型的低功耗器件，其亞閾泄漏小，亞閾斜率可突破kT/q，可抗短溝道效應(yīng)。然而，硅隧穿場效應(yīng)晶體管的開態(tài)電流小，使其應(yīng)用的電路性能不足，因此應(yīng)用受到了限制。為了提升隧穿場效應(yīng)晶體管的性能，人們提出了很多方案，如采用窄禁帶材料，用PNPN結(jié)構(gòu)代替PIN結(jié)，用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)代替同質(zhì)結(jié)等，然而這些方案雖然在一定程度上能提升驅(qū) 動電流，但仍面臨著驅(qū)動電流不足的問題。圖I是現(xiàn)有技術(shù)的平面的隧穿場效應(yīng)晶體管TFET的剖面圖，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。對于N型的TFET，漏區(qū)為正電壓偏置，當(dāng)柵電壓增加時，源區(qū)與溝道處的大勢壘將開始產(chǎn)生隧穿電流，之后隧穿電流隨柵電壓的增加而増大。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種可以明顯地提升驅(qū)動電流和減少亞閾斜率的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管，該隧穿場效應(yīng)晶體管制備在鍺半導(dǎo)體的襯底上的鍺錫薄膜層上，通過提高鍺錫薄膜中錫的組分，一方面可以減少半導(dǎo)體的禁帶寬度，另一方面錫組分約6%時可由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙，兩者均可提升晶體管的驅(qū)動電流。選擇合適的組分可以保證足夠小的泄漏電流的同時，提升驅(qū)動電流和減少亞閾斜率。本發(fā)明的ー個目的在于提供一種鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的隧穿場效應(yīng)晶體管包括具有低摻雜的鍺半導(dǎo)體的襯底；在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長的非馳豫的鍺錫薄膜層；在鍺錫薄膜層上的一端形成的具有第一種摻雜類型的源區(qū)；在鍺錫薄膜層上的另一端形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)；在鍺錫薄膜層上的源區(qū)和漏區(qū)之間形成的溝道區(qū)；覆蓋在溝道區(qū)上的絕緣層；在絕緣層上形成的導(dǎo)電層。其中，絕緣層和導(dǎo)電層組成晶體管的柵疊層區(qū)；鍺半導(dǎo)體的襯底的材料采用單晶鍺或絕緣材料上的鍺；鍺錫薄膜層是在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長的薄膜，錫的組分可在薄膜的生長過程中進(jìn)行調(diào)控，生長的薄膜的厚度需要小于臨界厚度，以確保薄膜的非馳豫，一般選擇生長的薄膜的厚約幾百納米；絕緣層的絕緣材料采用氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭和氧化鑭高K柵材料中的ー種；導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料采用鋁、氮化鈦和氮化鉭中的ー種；第一種摻雜類型與第二種摻雜類型的摻雜類型相反，如第一種摻雜以是硼，則第二種摻雜可以是磷或砷
坐寸O本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管制備在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長的鍺錫薄膜層上，其中的鍺錫薄膜層中錫的組分是在生長中進(jìn)行調(diào)節(jié)，且隨著錫的組分増加，鍺錫薄膜層的禁帶寬度一直減少，范圍從鍺的禁帶寬度(I. 12eV)到O。鍺錫薄膜層隨錫的組分的増加，鍺錫薄膜層可由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙，由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙時錫的組分稱為拐點1，I在6% 9% (錫的組分)之間。當(dāng)錫的組分小于I時，鍺錫薄膜層為間接帶隙；當(dāng)錫的組分大于I時鍺錫薄膜層為直接帶隙，且禁帶寬度減少得更快。鍺錫薄膜層的禁帶寬度減少使得隧穿寬度減少，隧穿電流明顯增加；間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙(6% 9%錫)也使得隧穿電流増加，所以鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管可以實現(xiàn)明顯地提升驅(qū)動電流。雖然禁帶寬度減少會帶來PIN結(jié)中少子電流的增加,但通過選擇合適的禁帶寬度(或組分)可以在一定的泄漏電流下，實現(xiàn)提升驅(qū)動電流和減少亞閾斜率。 因此，當(dāng)鍺錫薄膜層中錫的組分大于鍺錫薄膜層由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙時錫的組分時，鍺錫薄膜層為直接帶隙，可進(jìn)ー步提升驅(qū)動電流。本發(fā)明的另ー個目的在于提供一種鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法。本發(fā)明提供的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟I)提供ー個具有低摻雜的鍺半導(dǎo)體的襯底；2)在鍺半導(dǎo)體的襯底上分子束外延生長ー層鍺錫薄膜層，且在生長過程中通過控制含鍺與含錫化學(xué)反應(yīng)物的比例來調(diào)節(jié)鍺錫薄膜層中錫的組分，生長鍺錫薄膜層的厚度約幾百納米；3)淀積分別形成絕緣層和導(dǎo)電層；4)淀積形成第一層光刻膠，掩膜曝光光刻出柵疊層區(qū)的圖形，分別刻蝕導(dǎo)電層和絕緣層，直到露出半導(dǎo)體；5)去除第一層光刻膠；6)淀積形成第二層光刻膠，光刻出源區(qū)的注入圖形；7)離子注入形成第一種摻雜類型的源區(qū)；8)去除第二層光刻膠，淀積形成第三層光刻膠，光刻出漏區(qū)的注入圖形；9)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)；10)去除第三層光刻膠，退火激活雜質(zhì)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管通過鍺錫薄膜層中錫的組分調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)很小的禁帶寬度，同時也可實現(xiàn)從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，這些都可以極大地增加隧穿電流，從而提高器件的驅(qū)動電流，有效地解決當(dāng)前隧穿場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電流不足的問題。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中的平面隧穿場效應(yīng)晶體管的剖面圖；圖2是鍺錫半導(dǎo)體的禁帶寬度隨錫的組分變化的曲線圖3是本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管的一個實施例沿著溝道方向的剖面圖；圖4至圖13是表示本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法的一個實施例的エ藝流程的剖面圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進(jìn)ー步說明。圖3是本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管的一個實施例的剖面。本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管包括形成在鍺半導(dǎo)體的襯底201上的鍺錫薄膜 層202、源區(qū)204、漏區(qū)203、溝道區(qū)205和柵疊層區(qū)以及鍺半導(dǎo)體的襯底201。其中，柵疊層區(qū)包括絕緣層206和導(dǎo)電層207。絕緣層采用的絕緣材料為氧化鋁，也可以為氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭高K柵材料；導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料可以采用鋁、氮化鈦或氮化鉭。源區(qū)204使用第一種摻雜類型，這里用硼；漏區(qū)203使用第二種摻雜類型，這里用神。鍺錫薄膜層202和鍺半導(dǎo)體的襯底201摻雜類型不作要求，這里使用與源區(qū)相同的摻雜類型，即硼，但需為輕摻雜；而源區(qū)204需保證重?fù)诫s，通常摻雜濃度大于I X IO18CnT3。本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管制造在鍺的襯底上生長的鍺錫薄膜層上，其中的鍺錫薄膜層中錫的組分是在生長中進(jìn)行調(diào)節(jié)，且隨著錫的組分増加，鍺錫薄膜層的禁帶寬度一直減少，范圍從鍺的禁帶寬度(I. 12eV)到O。如圖2所示，在實施例中，鍺錫薄膜層中錫的組分為6%時，鍺錫薄膜層由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙，即6%為由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙的拐點。當(dāng)錫的組分小于6%吋，鍺錫薄膜層為間接帶隙，當(dāng)錫的組分大于6%時鍺錫薄膜層為直接帶隙，且禁帶寬度減少得更快。鍺錫薄膜層的禁帶寬度減少使得隧穿寬度減少，隧穿電流明顯增加；間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙(約6%錫)也使得隧穿電流増加，所以鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管可以實現(xiàn)明顯地提升驅(qū)動電流。雖然禁帶寬度減少會帶來PIN結(jié)少子電流的増加，但通過選擇合適的禁帶寬度(或組分)可以在一定的泄漏電流下，實現(xiàn)提升驅(qū)動電流和減少亞閾斜率。本發(fā)明的關(guān)鍵部分在于在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長鍺錫薄膜層，并在薄膜層上制備鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管。圖4 13描述的是采用本發(fā)明的制備方法的一個實施例的エ藝流程的剖面圖。首先，準(zhǔn)備ー個低摻雜硼的鍺的襯底201，如圖4所示；接下來，在鍺的襯底上分束外延生長ー層鍺錫薄膜層202，錫含量き6%，厚度為幾百納米，如圖5所示；接下來,淀積生長一層氧化招的絕緣層206,厚度為4 IOnm,再淀積ー層氮化鈦金屬的導(dǎo)電層207,如圖6所不；接下來，淀積形成第一層光刻膠601，掩膜曝光出柵疊層的圖形，接著，在光刻膠的阻擋下分別刻蝕氮化鈦的導(dǎo)電層207和氧化鋁的絕緣層206，如圖7所示；接下來，去除第一層光刻膠601，如圖8所示；接下來，淀積形成第二層光刻膠801，掩膜曝光出源區(qū)的注入圖形，如圖9所示；接下來，離子注入形成源區(qū)204，所采用的離子束901為硼離子，如圖10所示；接下來，去除第二層光刻膠801，淀積形成第三層光刻膠1001，掩膜曝光出漏區(qū)的注入圖形，如圖11所示；
接下來，離子注入形成漏區(qū)203，所采用的離子束1101為砷離子，如圖12所示；接下來，去除第三層光刻膠1001，退火激火雜質(zhì)，最終形成本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管，如圖13所示。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進(jìn)ー步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和 修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述隧穿場效應(yīng)晶體管包括 具有低摻雜的鍺半導(dǎo)體的襯底； 在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長的非馳豫的鍺錫薄膜層； 在鍺錫薄膜層上的一端形成的具有第一種摻雜類型的源區(qū)； 在鍺錫薄膜層上的另一端形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)； 在鍺錫薄膜層上的源區(qū)和漏區(qū)之間形成的溝道區(qū)； 覆蓋在溝道區(qū)上的絕緣層； 在絕緣層上形成的導(dǎo)電層。
2.如權(quán)利要求I所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述鍺半導(dǎo)體的襯底的材料采用單晶鍺或絕緣材料上的鍺。
3.如權(quán)利要求I所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述鍺錫薄膜層是在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長的薄膜，薄膜的厚度需要小于臨界厚度，所述鍺錫薄膜層的厚約幾百納米。
4.如權(quán)利要求I所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述絕緣層的絕緣材料采用氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭和氧化鑭高K柵材料中的一種。
5.如權(quán)利要求I所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料采用鋁、氮化鈦和氮化鉭中的一種。
6.如權(quán)利要求I所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第一種摻雜類型與第二種摻雜類型的摻雜類型相反。
7.如權(quán)利要求I所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述鍺錫薄膜層中錫的組分大于鍺錫薄膜層由間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙時錫的組分。
8.一種鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述制備方法，包括以下步驟 .1)提供一個具有低摻雜的鍺半導(dǎo)體的襯底； .2)在鍺半導(dǎo)體的襯底上分束生長一層鍺錫薄膜層，且在生長過程中通過控制含鍺與含錫化學(xué)反應(yīng)物的比例來調(diào)節(jié)鍺錫薄膜層中錫的組分； . 3)淀積分別形成絕緣層和導(dǎo)電層； .4)淀積形成第一層光刻膠，掩膜曝光光刻出柵疊層區(qū)的圖形，分別刻蝕導(dǎo)電層和絕緣層，直到露出半導(dǎo)體；. 5)去除第一層光刻膠； .6)淀積形成第二層光刻膠，光刻出源區(qū)的注入圖形； . 7)離子注入形成第一種摻雜類型的源區(qū)； . 8)去除第二層光刻膠，淀積形成第三層光刻膠，光刻出漏區(qū)的注入圖形；. 9)離子注入形成第二種摻雜類型的漏區(qū)； .10)去除第三層光刻膠，退火激活雜質(zhì)。
9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述鍺錫薄膜層的厚度約幾百納米。
10.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，所述絕緣層的厚度為.4 IOnm0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法。本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管包括形成在鍺半導(dǎo)體的襯底上的鍺錫薄膜層、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)和柵疊層區(qū)以及鍺半導(dǎo)體的襯底。本發(fā)明的鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管制備在鍺半導(dǎo)體的襯底上生長的鍺錫薄膜層上，其中的鍺錫薄膜層中錫的組分是在生長中進(jìn)行調(diào)節(jié)，且隨著錫的組分增加，鍺錫薄膜層的禁帶寬度一直減少。鍺錫薄膜層的禁帶寬度減少使得隧穿寬度減少，隧穿電流明顯增加；間接帶隙轉(zhuǎn)換為直接帶隙(約6%錫)也使得隧穿電流增加，所以鍺錫隧穿場效應(yīng)晶體管可以實現(xiàn)明顯地提升驅(qū)動電流，從而有效地解決當(dāng)前隧穿場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電流不足的問題。
文檔編號H01L29/36GK102810555SQ20121028925
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者黃如, 邱穎鑫 申請人:北京大學(xué)