專利名稱：一種線性摻雜的自旋場效應管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自旋場效應管領域，尤其是涉及線性摻雜結構的自旋場效應管。
背景技術：
除了電荷以外，電子的另外一個屬性是自旋。傳統(tǒng)的半導體器件只利用了電子的電荷特性而自旋特性被忽略。目前由于半導體器件的尺寸的發(fā)展將接近極限，而自旋電子學(Spintronics)是在傳統(tǒng)半導體器件的基礎上進一步考慮自旋這一新的特性，利用電子自旋來控制電子。利用自旋電子學來研制新的電子器件，成為一個新興的學科。1990年，Datta和Das首次提出了自旋場效應晶體管，它是由鐵磁/半導體/鐵磁組成的類似三明治的結構。G.Schmidt研究出由于鐵磁和半導體的電導不匹配，使得自旋注入率不高。E.Rashba和A.Fert等人指出在鐵磁和半導體之間加一勢壘，如果勢壘足夠高的話，可提高自旋電子的注入率[3]。Bruno和Pareek用緊束縛近似的方法對自旋場效應晶體管進行了模擬計算，模擬了 Rashba自旋-軌道耦合的二維電子氣中的自旋相干特性。Matsuyama等人對鐵磁/砷化銦/鐵磁器件中彈道自旋輸運和自旋干擾的模擬計算。除了上述的自旋場效應晶體管外，人們還提出了其他類型的自旋場效應晶體管。Ciuti等人在源極和漏極是非磁性的，柵極是由兩個串聯(lián)的鐵磁組成，而這兩個串聯(lián)的鐵磁的磁化方向的取向能夠引起磁阻效應。本文在Y.Gao和T.Low的基礎上m，采用彈道輸運模型來研究自旋場效應晶體管(spin-FET)的電流特性，該模型采用二維非平衡格林函數(shù)(NEGF)和泊松(Poisson)方程對spin-FET參數(shù)進行自洽求解。利用這個模型，研究了 spin-FET的輸運特性，并與LDD和線性摻雜的spin-FET輸運特性進行了對比。結合器件的工作原理，研究了器件在不同的Si溝道摻雜下的轉移特性曲線，對影響器件性能的參數(shù)進行了驗證。為spin-FET能夠投入到實際的應用提供了理論的模型。

發(fā)明內容
技術問題:本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)納米器件因短溝道效應和其他一系列副效應而引起的器件性能下降問題，提供一種線性摻雜的自旋場效應管，使得器件抑制熱載流子效應的能力也增強。能夠獲得較高的磁電流比，這使得線性摻雜自旋場效應管在集成電路中的應用稱為可能。技術方案:本發(fā)明受硅基橫向溝道工程的啟發(fā)，將用于改善傳統(tǒng)MOSFET性能的摻雜結構引入自旋場效應管中，包括梯度摻雜結構[周海亮，池雅慶，張民選.基于梯度摻雜策略的碳納米管場效應管性能優(yōu)化[J].物理學報，2010，59(11): 8105-8111.]、輕漏摻雜結構
.1EEE Trans Electron Devices, 1980, 15(4): 1359-1367.]和線性慘雜結構[張盛東，韓汝琦.漂移區(qū)為線性摻雜的高壓薄膜SOI器件的研制[J].電子學報，2001,29 (2): 1-3]。由于輕摻雜漏極結構可以有效地抑制器件的熱載流子效應，線性摻雜結構可以有效抑制短溝道效應(如閾值電壓漂移，漏致勢壘降低效應)?；谏鲜隹紤]，本發(fā)明提出了在溝道進行線性摻雜。由于目前自旋場效應管的仿真還處于起步階段，且目前很少有文獻涉及這類摻雜結構的自旋場效應管電學特性的研究。為揭示納米尺度該類器件的量子輸運特性，本發(fā)明在非平衡格林函數(shù)(NEGF)框架下，通過自洽求解泊松方程和薛定諤方程，對不同摻雜結構的自旋場效應管的電學特性進行了數(shù)值模擬，并給出了相應的性能比較。本發(fā)明對揭示自旋場效應管的輸運物理機制、改善自旋場效應管器件結構性能提供理論依據(jù)。本發(fā)明的線性摻雜的自旋場效應管是一種雙柵結構，其中用半導體材料硅作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結構；該場效應管的源區(qū)和漏區(qū)為半金屬鐵磁，在硅溝道與源區(qū)和漏區(qū)之間有一層自旋隨機層和隧穿氧化層，且在硅溝道有一個線性摻雜結構，即在溝道中摻雜濃度隨著溝道長度而線性變化；腿=F+α其中Nd為溝道的摻雜濃度力溝道的長度，I為開始的溝
道摻雜濃度，￠( > O)為摻雜線性變化的系數(shù)，溝道中摻雜的濃度隨著溝道長度的增加而增大。所述的雙柵為關于器件溝道對稱的頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為3.95的金屬作為柵極材料，該自旋場效應管溝道與兩柵電極間用柵電介質填充，以形成柵氧化層。所述的半導體材料硅作為該場效應管的導電溝道，兩個柵電極平行且等長。所述器件的源擴展區(qū)，長度為Ls,器件的源區(qū)和漏區(qū)為半金屬鐵磁，在溝道和源/漏區(qū)，有一層自旋隨機層和隧穿氧化層；在硅溝道中是線性摻雜結構，這樣，便組成了一個線性摻雜結構的自旋場效應管。有益效果:本發(fā)明從溝道工程的角度，提出了一種適用于改善硅溝道材料性能的優(yōu)化摻雜策略，并基于非平衡格林函數(shù)的方法，對比分析了不同摻雜結構的自旋場效應管的電學特性，如J-K電流特性 、亞閾值特性和磁電流率等電學特性，結果表明，采用線性摻雜結構的自旋場效應管相比其他摻雜結構擁有更低的關態(tài)電流、更大的閾值電壓、更高的開關電流比、更小的閾值電壓漂移、更高的磁電流率。表明該結構的器件能更好的抑制DIBL效應，說明該器件擁有更好的柵控能力，能更好的抑制短溝道效應，使得器件抑制熱載流子效應的能力也增強。能夠獲得較高的磁電流比，這使得線性摻雜自旋場效應管在集成電路中的應用稱為可能。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖，其中包括:源區(qū)1、自旋隨機層2、隧穿氧化層3、硅4、漏區(qū)5、雙柵6、柵氧化層7。
具體實施例方式本發(fā)明研究的類MOSFET結構的自旋場效應管如摘要圖所示，本發(fā)明的線性摻雜的自旋場效應管是一種雙柵6結構，其中用半導體材料硅4作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結構；該場效應管的源區(qū)和漏區(qū)為半金屬鐵磁，在硅4溝道與源區(qū)和漏區(qū)之間有一層自旋隨機層2和隧穿氧化層3，且在硅4溝道有一個線性摻雜結構，即在溝道中進行線性摻雜。所述的雙柵6為關于器件溝道對稱的頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為3.95的金屬作為柵極材料，該場效應管溝道與兩柵電極間用柵電介質填充，以形成柵氧化層7。所述的半導體材料硅4作為該場效應管的導電溝道，兩個柵電極平行且等長。所述的場效應管的仿真是通過在實空間下構建緊束縛哈密頓量，然后基于非平衡格林函數(shù)方法，自洽迭代求解泊松和薛定諤方程組，求取系統(tǒng)的電學參量。 對于納米自旋場效應管器件會出現(xiàn)短溝道效應，隨著器件尺寸不斷縮小產生一些二級效應如漏致勢壘降低(DIBL)效應和熱載流子效應等問題，從橫向溝道工程的角度出發(fā)，提出一種用于改善自旋場效應管電學性能的新型摻雜策略。基于量子力學非平衡格林函數(shù)(NEGF)理論框架，在開放邊界條件下，通過自洽求解泊松和薛定諤方程，構建了適用于線性摻雜的自旋場效應管的輸運模型，并利用該模型分析采用線性摻雜策略對自旋場效應管電學特性的影響?？傮w上看，該摻雜策略模型具有以下特征:
A.它是一種雙柵結構，其中硅溝道作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結構。B.器件的源/漏區(qū)均采用半金屬鐵磁，硅溝道采用線性摻雜。C.模型的計算是利用NEGF方法，在開放邊界條件下，自洽求解泊松方程和薛定諤方程。模型的計算是利用非平衡格林函數(shù)(NEGF)方法，在開放邊界條件下，自洽求解泊松和薛定諤方程。具體過程是給定一個初始溝道電勢，利用NEGF方程計算出其電荷密度，再將電荷密度代入泊松方程求解出硅溝道中的靜電勢，然后又將求得的電勢重新代入NEGF方程中進行計算，如此反復迭代直到得到自洽解為止。本發(fā)明所計算的線性摻雜的
自旋場效應管，即整個系統(tǒng)包括兩個自能矩陣M口 ，分別用于描述導電溝道與源/漏
端的耦合關系，在選定了合適的基組和用于描述溝道的哈密頓量以及自能項后，對于給定的自洽電勢，系統(tǒng)的遲滯格林函數(shù)有如下形式[DATTA S.Nanoscale device modeling:The Green，s function method[J].Superlattices Microstruct, 2000, 28(4): 253 -278.]:
權利要求
1.種線性摻雜的自旋場效應管,其特征在于該場效應管是一種雙柵(6)結構,其中用半導體材料硅(4)作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結構；該場效應管的源區(qū)(I)和漏區(qū)(5)為半金屬鐵磁，在硅(4)溝道與源區(qū)(I)和漏區(qū)(5)之間有一層自旋隨機層(2)和隧穿氧化層(3)，且在硅(4)溝道有一個線性摻雜結構，即在溝道中摻雜濃度隨著溝道長度而線性變化；Nd 二 N+ex其中Nd為溝道的摻雜濃度，X為溝道的長度，Hf為開始的溝道摻雜濃度，> O)為摻雜線性變化的系數(shù)，溝道中摻雜的濃度隨著溝道長度的增加而增大。
2.據(jù)權利要求1所述的一種線性摻雜結構的自旋場效應管，其特征在于所述的雙柵(6)為關于器件溝道對稱的頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為3.95的金屬作為柵極材料，該自旋場效應管溝道與兩柵電極間用柵電介質填充，以形成柵氧化層(7)。
3.據(jù)權利要求1所述的一種線性摻雜結構的自旋場效應管，其特征在于所述的半導體材料硅(4)作為該場效應管的導電溝道，兩個柵電極平行且等長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種線性輕摻雜結構的自旋場效應管?；诹孔恿W非平衡格林函數(shù)理論框架，通過自洽求解泊松(Poisson)和薛定諤(Schr dinger)方程，構建了適用于線性摻雜自旋場效應管的輸運模型，并利用該模型分析計算線性摻雜和普通摻雜策略對自旋場效應管(Spin-FET)電學特性的影響。通過與采用其他摻雜策略的輸出特性、轉移特性、開關電流比、磁電流率等電學特性對比，發(fā)現(xiàn)這種摻雜結構的自旋場效應管具有更大的開關電流比、更高的磁電流率、更小的亞閾值擺幅和閾值電壓漂移，即表明采用線性摻雜具有更好的柵控能力，能夠有效的抑制短溝道效應和熱載流子效應。
文檔編號H01L29/66GK103094327SQ201310040690
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月3日 優(yōu)先權日2013年2月3日
發(fā)明者王偉, 王燕, 張華鑫 申請人:南京郵電大學