一種超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于CMOS超大規(guī)模集成電路(ULSI)中場效應(yīng)晶體管邏輯器件領(lǐng)域，具體涉及一種多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自集成電路誕生以來，微電子集成技術(shù)一直按照“摩爾定律”不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件尺寸不斷縮小。隨著半導(dǎo)體器件進(jìn)入深亞微米范圍，傳統(tǒng)MOSFET器件由于受到自身擴(kuò)散漂流的導(dǎo)通機(jī)制所限，亞閾值斜率受到熱電勢kT/q的限制而無法隨著器件尺寸的縮小而同步減小。這就導(dǎo)致MOSFET器件泄漏電流縮小無法達(dá)到器件尺寸縮小的要求，整個(gè)芯片的能耗不斷上升，芯片功耗密度急劇增大，嚴(yán)重阻礙了芯片系統(tǒng)集成的發(fā)展。為了適應(yīng)集成電路的發(fā)展趨勢，新型超低功耗器件的開發(fā)和研究工作就顯得特別重要。隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET, Tunneling Field-Effect Transistor)采用帶帶隧穿(BTBT)新導(dǎo)通機(jī)制,是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ倪m于系統(tǒng)集成應(yīng)用發(fā)展的新型低功耗器件。TFET通過柵電極控制源端與溝道交界面處隧穿結(jié)的隧穿寬度，使得源端價(jià)帶電子隧穿到溝道導(dǎo)帶(或溝道價(jià)帶電子隧穿到源端導(dǎo)帶)形成隧穿電流。這種新型導(dǎo)通機(jī)制突破傳統(tǒng)MOSFET亞閾值斜率理論極限中熱電勢kT/q的限制，可以實(shí)現(xiàn)低于60mV/dec的具有超陡亞閾值斜率，降低器件靜態(tài)漏泄電流進(jìn)而降低器件靜態(tài)功耗。
[0003]但是，與傳統(tǒng)MOSFET不同的是，TFET轉(zhuǎn)移曲線的亞閾區(qū)內(nèi)亞閾斜率是變化的，且隨著柵電壓增大而逐漸增大，這就導(dǎo)致TFET轉(zhuǎn)移特性中,低于60mV/dec的亞閾斜率對應(yīng)范圍較小，器件的平均亞閾斜率較高，不利于TFET器件在超低功耗領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，保持較陡直的最小亞閾值斜率的同時(shí)，抑制亞閾斜率退化，實(shí)現(xiàn)超陡平均亞閾斜率是TFET器件應(yīng)用中需要解決的一個(gè)非常重要的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管及制備方法。該隧穿場效應(yīng)晶體管可以有效抑制器件轉(zhuǎn)移特性中亞閾斜率退化現(xiàn)象，同時(shí)顯著降低隧穿場效應(yīng)晶體管的平均亞閾斜率，并保持了較陡直的最小亞閾斜率。
[0005]本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0006]一種多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管，如圖1所示，包括隧穿源區(qū)6，溝道區(qū)1，漏區(qū)7以及位于溝道上方的控制柵4，其特征是，所述的隧穿源區(qū)為多層結(jié)構(gòu)(6-1、6-2、一6-11),不同層為禁帶寬度連續(xù)變化的半導(dǎo)體，且禁帶寬度沿垂直器件(器件指的是所述的隧穿場效應(yīng)晶體管)表面方向逐漸增大，其中最下層6-1禁帶寬度最小，最上層6-2禁帶寬度最大，中間各層禁帶寬度連續(xù)變化。對于N型器件來說，隧穿源區(qū)為P型重?fù)诫s，漏區(qū)為N型重?fù)诫s，溝道區(qū)為P型輕摻雜；而對于P型器件來說，隧穿源區(qū)為N型重?fù)诫s，漏區(qū)為P型重?fù)诫s，溝道區(qū)為N型輕摻雜。
[0007]所述的隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征是，對于N型器件來說，隧穿源區(qū)為P型重?fù)诫s，其摻雜濃度約為lE18Cm_3-lE20Cm_3，漏區(qū)為N型重?fù)诫s，其摻雜濃度約為lE18cnT3-lE19cnT3，溝道區(qū)為P型輕摻雜，其摻雜濃度約為lE13cnT3-lE15cnT3;而對于P型器件來說，隧穿源區(qū)為N型重?fù)诫s，其摻雜濃度約為lE18Cm_3-lE20Cm_3，漏區(qū)為P型重?fù)诫s，其摻雜濃度約為lE18Cm_3-lE19Cm_3，溝道區(qū)為N型輕摻雜，其摻雜濃度約為lE13cm3-lE15cm3。
[0008]所述隧穿場效應(yīng)晶體管中多層隧穿源區(qū)的禁帶寬度沿垂直器件表面方向的變化梯度是器件設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。禁帶寬度變化梯度過小，導(dǎo)致最表面層材料禁帶寬度過窄，將引起器件關(guān)態(tài)電流增大，最小亞閾值斜率增大。而禁帶寬度變化梯度過大，導(dǎo)致最表面材料禁帶寬度過大，導(dǎo)致開啟帶帶隧穿所需柵電壓過大。一般保證最表面層材料禁帶寬度較最下層材料禁帶寬度大0.3eV-0.7eV。且隧穿源區(qū)具有較寬禁帶寬度部分(大于最下層禁帶寬度約0.3eV以上的源區(qū)部分)結(jié)深度優(yōu)化在5nm-20nm之間。
[0009]所述的隧穿場效應(yīng)晶體管可以應(yīng)用于SiGe半導(dǎo)體材料，也可以應(yīng)用于其他I1-VI, II1-V和IV-1V族的二元或三元化合物半導(dǎo)體材料。
[0010]本發(fā)明同時(shí)提供所述的多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)襯底準(zhǔn)備:輕摻雜(約lE13Cm_3-lE15Cm_3)或未摻雜的半導(dǎo)體襯底；
[0012]2)在襯底上初始熱氧化并淀積一層氮化物，STI刻蝕，并淀積隔離材料填充深孔后 CMP ；
[0013]3)重新生長柵介質(zhì)材料，淀積柵材料，進(jìn)行光刻和刻蝕，形成柵圖形；
[0014]4)淀積一層氧化物阻擋層，光刻暴露出源區(qū)并選擇刻蝕出源區(qū)；
[0015]5)采用分子束外延法選擇生長原子數(shù)比沿垂直方向連續(xù)變化的源區(qū)化合物半導(dǎo)體，得到禁帶寬度沿垂直方向連續(xù)變化的多層隧穿源區(qū)結(jié)構(gòu)，同時(shí)對源區(qū)進(jìn)行原位摻雜，濃度約為lE18CnT3-lE20CnT3，祛除氧化物阻擋層；
[0016]6)光刻暴露出漏區(qū)，以光刻膠和柵為掩膜，進(jìn)行離子注入形成漏區(qū)，濃度約為lE18cm 3-lE19cm 3；
[0017]7)快速高溫退火激活雜質(zhì)；
[0018]8)最后進(jìn)入同CMOS —致的后道工序，包括淀積鈍化層、開接觸孔以及金屬化等，即可制得多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管。
[0019]所述的制備方法，其特征是，步驟I)中所述的輕摻雜，其摻雜濃度約為lE13cm3-lE15cm3。
[0020]所述的制備方法，其特征是，步驟I)中所述的半導(dǎo)體襯底材料選自S1、Ge或其他
I1-VI, II1-V和IV-1V族的二元或三元化合物半導(dǎo)體、絕緣體上的硅(SOI)或絕緣體上的鍺(GOI)。
[0021]所述的制備方法，其特征是，步驟3)中所述的柵介質(zhì)層材料選自S12' Si3N4或高K柵介質(zhì)材料。
[0022]所述的制備方法，其特征是，步驟3)中所述的生長柵介質(zhì)材料的方法選自下列方法之一:常規(guī)熱氧化、摻氮熱氧化、化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積。
[0023]所述的制備方法，其特征是，步驟3)中所述的柵材料選自摻雜多晶硅、金屬鈷，鎳以及其他金屬或金屬硅化物。
[0024]所述的制備方法，其特征是，步驟5)中所述的多層源區(qū)材料可選自原子數(shù)比不同的SiGe或其他I1-VI，II1-V和IV-1V族的二元或三元化合物半導(dǎo)體。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)效果(以N型器件為例):
[0026]1、隧穿源區(qū)為多層結(jié)構(gòu)，不同層為禁帶寬度連續(xù)變化的半導(dǎo)體，且在溝道表面處具有較寬禁帶寬度，在距離溝道表面一定距離處具有較窄禁帶寬度。
[0027]2、柵電極加正電壓，溝道能帶下拉，在隧穿結(jié)處發(fā)生帶帶隧穿，器件開啟。在柵壓較小時(shí)，主要是溝道表面處具有較寬禁帶寬度的源區(qū)部分發(fā)生帶帶隧穿，從而可以獲得較陡直的最小亞閾值擺幅。
[0028]3、隨著柵壓增大，距離溝道表面一定距離處的具有較窄禁帶寬度的源區(qū)部分發(fā)生帶帶隧穿。且對于帶帶隧穿來說，窄禁帶材料相對于寬禁帶材料具有更大的隧穿幾率，在相同柵電壓增量條件下可以獲得更大的帶帶隧穿電流增量，從而可以獲得更陡直的平均亞閾斜率，有效抑制了器件亞閾斜率隨柵電壓增大而退化的現(xiàn)象。
[0029]4、同時(shí)，由于在器件剛開啟情況下具有較寬禁帶寬度的源區(qū)部分起主導(dǎo)作用，有利于降低最小亞閾斜率，并且有效避免了窄禁帶材料會導(dǎo)致的關(guān)態(tài)電流增大，最小亞閾斜率增大的現(xiàn)象。
[0030]與現(xiàn)有的TFET相比，多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅隧穿場效應(yīng)晶體管通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著改善了器件轉(zhuǎn)移特性，有效降低了器件的平均亞閾斜率，同時(shí)保持了陡直的最小亞閾斜率。
[0031]本發(fā)明的多層源結(jié)構(gòu)超陡平均亞閾擺幅