隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路的發(fā)展，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(英文:Metal OxideSemiconductor field effect transistor ;簡稱:MOSFET)的尺寸不斷按照“摩爾定律”進行縮微，電路的動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗密度會增加，動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗可統(tǒng)稱為功耗。為了降低互補金屬氧化物半導(dǎo)體(英文:Complementary Metal Oxide Semiconductor ;簡稱:CMOS)電路的功耗，可以降低MOSFET的驅(qū)動電壓。降低MOSFET的驅(qū)動電壓需要通過降低閾值電壓來實現(xiàn)，但由于MOSFET亞閾值區(qū)開關(guān)特性受控于載流子擴散機制，其亞閾值擺幅的理論最小值為60mV/dec，即如果線性規(guī)律降低閾值電壓60毫伏，關(guān)態(tài)電流會以指數(shù)規(guī)律增加一個數(shù)量級，從而導(dǎo)致CMOS電路的功耗增加。所以，需要引入一種基于新的開關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換機制的、具有低功耗、低亞閾值擺幅等特性的器件來替代傳統(tǒng)的MOSFET。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，隧穿場效應(yīng)晶體管(英文:Tunnel Field Effect Transistor ;簡稱:TFET)是柵控反偏的P型摻雜-本征摻雜-N型摻雜結(jié)(簡稱:p-1_n結(jié))的器件。通過柵控p-1-n結(jié)實現(xiàn)源端載流子與溝道載流子帶帶隧穿，控制器件開關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換。在理論上，TFET可以實現(xiàn)低于60mV/dec的亞閾值擺幅，從而可以工作在較低的驅(qū)動電壓中，進而可以降低靜態(tài)功耗。TFET還具有在相同的閾值電壓條件下能實現(xiàn)更低的關(guān)態(tài)電流，在相同的開態(tài)電流條件下具有更低的閾值電壓等特點。電子空穴雙層導(dǎo)電隧穿場效應(yīng)晶體管(英文:Electron-Hole Bilayer-Tunnel Field Effect Transistor ;簡稱:EHB_TFET)作為一種TFET，具有極低亞閾值擺幅、高驅(qū)動電流等特性。圖1為EHB-TFET的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中P型重?fù)诫s區(qū)域01為源極區(qū)域，N型重?fù)诫s區(qū)域02為漏極區(qū)域，中間區(qū)域為非摻雜區(qū)域或輕摻雜區(qū)域。溝道區(qū)域上表面03為頂柵(又稱為控制柵)，溝道區(qū)域下表面04為底柵(又稱為偏置柵)。頂柵與漏極區(qū)域的摻雜區(qū)域交疊，頂柵與源極區(qū)域的摻雜區(qū)域分離。底柵與源極區(qū)域的摻雜區(qū)域交疊，底柵與漏極區(qū)域的摻雜區(qū)域分離。具體的，通過該EHB-TFET控制器件開啟的原理為:通過靜電感應(yīng)，頂柵加正向電壓，該正向電壓稱為控制電壓，溝道區(qū)域上表面感應(yīng)出N型載流子；底柵加負(fù)向電壓，該負(fù)向電壓稱為偏置電壓，溝道區(qū)域下表面感應(yīng)出P型載流子。當(dāng)溝道區(qū)域上表面和溝道區(qū)域下表面的感應(yīng)載流子的數(shù)量增加時，能帶彎曲，當(dāng)能帶(即溝道區(qū)域上表面的導(dǎo)帶底和溝道區(qū)域下表面的價帶頂)發(fā)生交疊時，溝道中央會發(fā)生載流子帶帶隧穿；通過該EHB-TFET控制器件關(guān)閉的原理為:頂柵加O伏電壓，溝道區(qū)域上表面不產(chǎn)生感應(yīng)載流子，溝道區(qū)域關(guān)閉。
[0004]但是由于EHB-TFET的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其溝道區(qū)域的面積受到限制，要求漏極區(qū)域和源極區(qū)域的摻雜區(qū)域相距較近，從而使得關(guān)態(tài)電流較大，而關(guān)態(tài)電流越大，靜態(tài)功耗就越高，同時，該結(jié)構(gòu)在工藝上較難實現(xiàn)，因此，通用性較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決EHB-TFET的通用性較低的問題，本發(fā)明提供了一種隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法。所述技術(shù)方案如下:
[0006]第一方面，提供了一種隧穿場效應(yīng)晶體管，所述隧穿場效應(yīng)晶體管包括:
[0007]兩端分別設(shè)置有第一摻雜區(qū)域和第二摻雜區(qū)域的襯底；
[0008]所述襯底上形成有魚鰭形凸起的溝道區(qū)域；
[0009]形成有所述溝道區(qū)域的襯底上形成有保護層；
[0010]形成有所述保護層的襯底上形成有側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)構(gòu)；
[0011]形成有所述側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)構(gòu)的襯底上形成有柵極絕緣介質(zhì)層；
[0012]形成有所述柵極絕緣介質(zhì)層的襯底上形成有第一柵極和第二柵極，且所述第一柵極和所述第二柵極分別位于所述溝道區(qū)域的兩側(cè)；
[0013]形成有所述第一柵極和所述第二柵極的襯底上形成有絕緣材料填充層；
[0014]所述第一摻雜區(qū)域與所述第二摻雜區(qū)域的摻雜區(qū)域間隔預(yù)設(shè)距離，所述預(yù)設(shè)距離大于所述溝道區(qū)域的寬度且小于所述襯底的長度。
[0015]結(jié)合第一方面，在第一種可實現(xiàn)方式中，所述溝道區(qū)域的軸截面呈梯形，所述梯形的上底長度小于所述梯形的下底長度。
[0016]結(jié)合第一方面，在第二種可實現(xiàn)方式中，
[0017]所述溝道區(qū)域的摻雜類型為本征摻雜或淺摻雜。
[0018]結(jié)合第二種可實現(xiàn)方式，在第三種可實現(xiàn)方式中，
[0019]所述隧穿場效應(yīng)晶體管還包括:異質(zhì)結(jié)，
[0020]形成有所述溝道區(qū)域的襯底上形成有所述異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)的兩端分別與所述保護層、所述第二摻雜區(qū)域接觸，所述異質(zhì)結(jié)的一側(cè)與所述柵極絕緣介質(zhì)層接觸。
[0021]結(jié)合第一方面至第三種可實現(xiàn)方式中的任意一種，在第四種可實現(xiàn)方式中，
[0022]當(dāng)所述隧穿場效應(yīng)晶體管為N型隧穿場效應(yīng)晶體管時，所述第一摻雜區(qū)域為N型重?fù)诫s的漏極區(qū)域，所述第二摻雜區(qū)域為P型重?fù)诫s的源極區(qū)域，所述第一柵極為控制柵，所述第二柵極為偏置柵，所述溝道區(qū)域的摻雜類型為本征摻雜或P型淺摻雜；
[0023]當(dāng)所述隧穿場效應(yīng)晶體管為P型隧穿場效應(yīng)晶體管時，所述第一摻雜區(qū)域為N型重?fù)诫s的源極區(qū)域，所述第二摻雜區(qū)域為P型重?fù)诫s的漏極區(qū)域，所述第一柵極為偏置柵，所述第二柵極為控制柵，所述溝道區(qū)域的摻雜類型為本征摻雜或N型淺摻雜。
[0024]第二方面，提供了一種隧穿場效應(yīng)晶體管的制作方法，所述方法包括:
[0025]在完成淺槽隔離STI的襯底上形成保護層；
[0026]在形成有所述保護層的襯底上形成側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)構(gòu)；
[0027]在形成有所述側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)構(gòu)的襯底上形成溝道第一側(cè)壁；
[0028]在形成有所述溝道第一側(cè)壁的襯底上形成第一氧化物保護層；
[0029]在形成有所述第一氧化物保護層的襯底上形成第一假側(cè)墻柵；
[0030]在形成有所述第一假側(cè)墻柵的襯底的一端注入形成第一摻雜區(qū)域；
[0031]在形成有所述第一摻雜區(qū)域的襯底上形成第一子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層；
[0032]在形成有所述第一子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層的襯底上形成第一柵極；
[0033]在形成有所述第一柵極的襯底上形成第一子絕緣材料填充層；
[0034]在形成有所述第一子絕緣材料填充層的襯底上形成溝道第二側(cè)壁，所述溝道第二側(cè)壁與所述溝道第一側(cè)壁形成溝道區(qū)域；
[0035]在形成有所述溝道第二側(cè)壁的襯底上形成第二氧化物保護層；
[0036]在形成有所述第二氧化物保護層的襯底上形成第二假側(cè)墻柵；
[0037]在形成有所述第二假側(cè)墻柵的襯底的另一端注入形成第二摻雜區(qū)域，所述第一摻雜區(qū)域與所述第二摻雜區(qū)域的摻雜區(qū)域間隔預(yù)設(shè)距離，所述預(yù)設(shè)距離大于所述溝道區(qū)域的寬度且小于所述襯底的長度；
[0038]在形成有所述第二摻雜區(qū)域的襯底上形成第二子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層，所述第二子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層與所述第一子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層組成柵極絕緣介質(zhì)層；
[0039]在形成有所述第二子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層的襯底上形成第二柵極；
[0040]在形成有所述第二柵極的襯底上形成第二子絕緣材料填充層，所述第二子絕緣材料填充層與所述第一子絕緣材料填充層組成絕緣材料填充層。
[0041]結(jié)合第二方面，在第一種可實現(xiàn)方式中，
[0042]所述溝道區(qū)域的軸截面呈梯形，所述梯形的上底長度小于所述梯形的下底長度。
[0043]結(jié)合第二方面，在第二種可實現(xiàn)方式中，
[0044]所述溝道區(qū)域的摻雜類型為本征摻雜或淺摻雜。
[0045]結(jié)合第二方面，在第三種可實現(xiàn)方式中，所述在形成有所述保護層的襯底上形成側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)構(gòu)，包括:
[0046]在形成有所述保護層的襯底上淀積側(cè)壁材料；
[0047]在淀積有所述側(cè)壁材料的襯底上形成刻蝕硬掩膜層；
[0048]在形成有所述刻蝕硬掩膜層的襯底上形成陡直側(cè)壁；
[0049]在形成有所述陡直側(cè)壁的襯底上淀積溝道刻蝕硬掩膜層材料；
[0050]在淀積有所述溝道刻蝕硬掩膜層材料的襯底上形成所述側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)構(gòu)；
[0051]結(jié)合第二方面，在第四種可實現(xiàn)方式中，在所述在形成有所述第一子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層的襯底上形成第一柵極之后，所述方法還包括:
[0052]在形成有所述第一柵極的襯底上形成第一柵極接觸孔焊盤。
[0053]結(jié)合第二方面，在第五種可實現(xiàn)方式中，在所述在形成有所述第一柵極的襯底上形成第一子絕緣材料填充層之后，所述方法還包括:
[0054]對形成有所述第一子絕緣材料填充層的襯底上的第一柵極接觸孔焊盤進行暴露，形成所述第一柵極接觸孔焊盤暴露后的襯底；
[0055]對所述第一柵極接觸孔焊盤暴露后的襯底進行回刻，形成回刻后的襯底；
[0056]對所述回刻后的襯底進行氧化物填充、氧化物刻蝕或平坦化處理，使所述第一柵極絕緣，且使所述側(cè)壁材料暴露。
[0057]結(jié)合第五種可實現(xiàn)方式，在第六種可實現(xiàn)方式中，所述在形成有所述第一子絕緣材料填充層的襯底上形成溝道第二側(cè)壁，包括:
[0058]對所述暴露后的側(cè)壁材料進行刻蝕，暴露出所述STI結(jié)構(gòu)的襯底上形成的保護層；
[0059]對暴露的保護層及襯底進行刻蝕，形成所述溝道第二側(cè)壁。
[0060]結(jié)合第四種可實現(xiàn)方式，在第七種可實現(xiàn)方式中，在所述在形成有所述第二子?xùn)艠O絕緣介質(zhì)層的襯底上形成第二柵極之后，所述方法還包括:
[0061]在形成有所述第二柵極的襯底上形成第二柵極接觸孔焊盤。
[0062]結(jié)合第二方面，在第八種可實現(xiàn)方式中，在所述在形成有所述第二柵的襯底上形成第二子絕緣材料填充層之后，所述方法還包括:
[0063]對形成有所述第二子絕緣材料填充層的襯底進行接觸工藝和后端互連工藝。
[0064]結(jié)合第二方面，在第九種可實現(xiàn)方式中，在所述在形成有所述溝道第二側(cè)壁的襯底上形成第二氧化物保護層之前，所述方法還包括:
[0065]在形成有所述溝道區(qū)域的襯底上形成異質(zhì)結(jié)。
[0066]結(jié)合第九種可實現(xiàn)方式，在第十種可實現(xiàn)方式中，
[0067]所述異質(zhì)結(jié)由IV族元素或II1-V族元素制成。
[0068]結(jié)合第二方面至第十種可實現(xiàn)方式中的任意一種，在第^^一種可實現(xiàn)方式中，
[0069]當(dāng)所述隧穿場效應(yīng)晶體管為N型隧穿場效應(yīng)晶體管時，所述第一摻雜區(qū)域為N型重?fù)诫s的漏極區(qū)域，所述第二摻雜區(qū)域為P型重?fù)诫s的源極區(qū)域，所述第一柵極為控制柵，所述第二柵極為偏置柵，所述溝道區(qū)域的摻雜類型為本征摻雜或P型淺摻雜；
[0070]當(dāng)所述隧穿場效應(yīng)晶體管為P型隧穿場效應(yīng)晶體管時，所述第一摻雜區(qū)域為N型重?fù)诫s的源極區(qū)域，所述第二摻雜區(qū)域為P型重?fù)诫s的漏極區(qū)域，所述第一柵極為偏置柵，所述第二柵極為控制柵，所述溝道區(qū)域的摻雜類型為本征摻雜或N型淺摻雜。
[0071]本發(fā)明提供了一種隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法，該隧穿場效應(yīng)晶體管兩端分別設(shè)置有第一摻雜區(qū)域和第二摻雜區(qū)域的襯底，襯底上形成有魚鰭形凸起的溝道區(qū)域，形成有溝道區(qū)域的襯底上形成有保護層，形成有保護層的襯底上形成有側(cè)墻形狀的溝道刻蝕硬掩膜層結(jié)