一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路用器件，主要是一種超薄溝道凹槽場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路的發(fā)展，要求電路集成度也要隨著不斷地提高，進(jìn)而要求半導(dǎo)體器件的特征尺寸要不斷地縮小。然而器件在小尺寸下將面臨一些嚴(yán)重的問題，例如MOSFET，它是構(gòu)成集成電路最基本的器件之一，在較小特征尺寸下將會(huì)出現(xiàn)短溝道效應(yīng)，漏致勢(shì)皇降低效應(yīng)等不良現(xiàn)象，這些效應(yīng)會(huì)增加器件的功耗甚至?xí)蛊骷荒苡行У拈_關(guān)即失效。目前降低功耗的常用的方法是在保證驅(qū)動(dòng)電流的情況下減小工作電壓，這就意味著減小器件的閾值電壓。然而，當(dāng)MOSFET在其特征尺寸小于45納米時(shí)，由于受到短溝道效應(yīng)和亞閾值擺幅自身極限的影響，減小器件的工作電壓將不能夠有效的降低器件的功耗。為了解決集成電路功耗問題，研究人員提出了一種基于量子隧穿效應(yīng)工作的全新的半導(dǎo)體器件，稱它為隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)t3TFET器件具有較低的泄漏電流和較小的亞閾值擺幅，可以有效地解決功耗問題。
[0003]在特征尺寸較大的TFET器件中，盡管柵工程和溝道工程被用來提高器件的開態(tài)電流、降低器件的亞閾值擺幅和消除雙極電流。但是當(dāng)TFET器件的特征尺寸減小到亞20納米后，載流子在漏極電壓的作用下由源極區(qū)直接隧穿到達(dá)漏極區(qū)，導(dǎo)致較大的泄漏電流即器件中出現(xiàn)短溝道效應(yīng)。在較大的特征尺寸的TFET器件中增強(qiáng)柵控能力可以比較有效的抑制短溝道效應(yīng)。當(dāng)特征尺寸減小亞10納米后，單純的通過增加?xùn)趴啬芰σ呀?jīng)很難有效的降低短溝道效應(yīng)。要使TFET器件能夠作為理想的開關(guān)器件應(yīng)用在未來的低功耗集成電路中，必須縮小其特征尺寸來滿足未來硅基CMOS技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求，所以較小特征尺寸的TFET器件尤其是亞10納米器件的研究非常必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新的器件結(jié)構(gòu)，這里我們稱該結(jié)構(gòu)為超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該結(jié)構(gòu)具有一個(gè)超薄的溝道這樣可以增強(qiáng)柵極和溝道的耦合，從而增強(qiáng)柵極的控制能力進(jìn)而增加器件的隧穿電流。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特征就是將溝道的本征區(qū)(低摻雜區(qū))延伸到了漏極區(qū)。當(dāng)器件處于關(guān)態(tài)時(shí)可以減小隧穿結(jié)處的電場(chǎng)并且增大了隧穿勢(shì)皇寬度，因此能夠有效的減小器件的關(guān)態(tài)泄漏電流。通過仿真驗(yàn)證了超薄溝道凹槽隧穿晶體管在較小特征尺寸時(shí)通過調(diào)整漏極區(qū)本征層的厚度可以有效的抑制短溝道效應(yīng)?？傊?，該新結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的隧穿晶體管在亞閾值擺幅、開關(guān)電流比等電學(xué)特性以及穩(wěn)定性方面都有所改善。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:包括柵極、源區(qū)、漏區(qū)、第一溝道區(qū)、第二溝道區(qū)、柵介質(zhì)層、隔離層以及埋氧層;所述的柵極下方設(shè)有柵介質(zhì)層，柵極與柵介質(zhì)層位于第一溝道區(qū)上，第一隔離層將柵極與源區(qū)隔離開，第二隔離層將柵極與漏區(qū)隔離開;第一隔離層和第二隔離層的厚度不小于柵介質(zhì)層的厚度;第二溝道區(qū)設(shè)置在漏區(qū)的下方，源區(qū)、第一溝道區(qū)、第二溝道區(qū)設(shè)置在埋氧層上;其中第二溝道區(qū)的厚度不小于第一溝道區(qū)且不大于源區(qū)的厚度。
[0007]所述的源區(qū)2摻雜濃度為I X 102Qcnf3。
[0008]所述的漏區(qū)3摻雜濃度為5 X 1018—I X 102Qcm—3。
[0009]所述的溝道區(qū)4a與溝道區(qū)4b的摻雜濃度是一致的，濃度不大于IX 1017cm—3。
[0010]所述的隔離層6是由空氣或者是其它的絕緣介質(zhì)層構(gòu)成的。
[0011]本發(fā)明希望利用超薄的溝道來增強(qiáng)柵極和溝道的耦合，從而增強(qiáng)柵極的控制能力進(jìn)而增加器件的隧穿電流。同時(shí)將溝道的本征區(qū)即低摻雜區(qū)，延伸到了漏極區(qū)，當(dāng)器件處于關(guān)態(tài)時(shí)可以減小隧穿結(jié)處的電場(chǎng)并且增大了隧穿勢(shì)皇寬度，因此能夠有效的減小器件的關(guān)態(tài)泄漏電流。利用以上作用在較小特征尺寸時(shí)可以有效地抑制短溝道效應(yīng)和增大開關(guān)電流比。
【附圖說明】
[0012]圖1是超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管與傳統(tǒng)隧穿器件轉(zhuǎn)移特性曲線圖。
[0014]圖3是超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，
[0015]圖4是傳統(tǒng)隧穿器件在不同柵長(zhǎng)的轉(zhuǎn)移特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體闡述。
[0017]如圖1所示，一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:包括柵極1、源區(qū)2、漏區(qū)3、第一溝道區(qū)4a、第二溝道區(qū)4b、柵介質(zhì)層5、隔離層6以及埋氧層7;所述的柵極I下方設(shè)有柵介質(zhì)層5，柵極I與柵介質(zhì)層5位于第一溝道區(qū)4a上，第一隔離層6將柵極I與源區(qū)2隔離開，第二隔離層8將柵極I與漏區(qū)3隔離開;第一隔離層6和第二隔離層8的厚度不小于柵介質(zhì)層5的厚度;第二溝道區(qū)4b設(shè)置在漏區(qū)3的下方，源區(qū)2、第一溝道區(qū)4a、第二溝道區(qū)4b設(shè)置在埋氧層7上;其中第二溝道區(qū)4b的厚度不小于第一溝道區(qū)4a且不大于源區(qū)2的厚度。
[0018]所述的源區(qū)2摻雜濃度為IX 102()Cm—3;所述的漏區(qū)3摻雜濃度為5 X 118-1 X102%1—3;所述的溝道區(qū)4a與溝道區(qū)4b的摻雜濃度是一致的，濃度不大于I X 1017cm—3;所述的隔離層6是由空氣或者是其它的絕緣介質(zhì)層構(gòu)成的。
[0019]如圖2所示，給出了柵長(zhǎng)為30納米時(shí)超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TSG-TFET)與傳統(tǒng)隧穿器件(CSG-TFET)的轉(zhuǎn)移特性曲線，溝道區(qū)(4a)和溝道區(qū)(4b)厚度相等均為5納米。通過軟件仿真得到:當(dāng)偏壓Vgs = OV且Vds = 0.4V時(shí)，器件處于關(guān)態(tài)，TSG-TFET和CSG-TFET的關(guān)態(tài)電流分別為3.0 X I O—17AAxm和3.4X10—17Α/μπι ；當(dāng)偏壓Vgs = 0.8V且Vds = 0.4V時(shí)，器件處于開態(tài)時(shí)，TSG-TFET和CSG-TFET的開態(tài)電流Iqn分別為5.8 X 10—6Α/μπι和7.6 X 10—7Α/μπι，由此可以看出TSG-TFET的開態(tài)電流比CSG-TFET提高了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)；通過計(jì)算我們得到TSG-TFET和CSG-TFET的開態(tài)電流與關(guān)態(tài)電流比Iqn/Iqff分別為I.9Χ 111和1.3 X 10'TSG-TFET和CSG-TFET的點(diǎn)亞閾值擺幅分別為21.8mV/decade和30.4mV/decade，平均亞閾值擺幅分別為46.2mV/decade和64.8mV/decade，由此可以看出新結(jié)構(gòu)器件比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)擁有更加陸峭的亞閾值擺幅。通過以上數(shù)據(jù)我們可以看出新結(jié)構(gòu)TSG-TFET比CSG-TFET有更大的I?、更高1n/1ff和更小的亞閾值擺幅，因此TSG-TFET比CSG-TFET在電學(xué)特性方面有很大的改善。
[0020]如圖3、圖4所示，給出了不同柵長(zhǎng)時(shí)超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管與傳統(tǒng)隧穿器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。由于隧穿晶體管關(guān)態(tài)時(shí)的隧穿勢(shì)皇寬度主要受器件溝道長(zhǎng)度影響，并且隨著隧穿晶體管柵長(zhǎng)的不斷縮小，隧穿勢(shì)皇寬度會(huì)受到漏極電壓的影響導(dǎo)致器件的關(guān)態(tài)泄漏電流和亞閾值擺幅嚴(yán)重退化，因而當(dāng)隧穿晶體管的特征尺度縮小到亞15納米時(shí)器件的短溝道效應(yīng)會(huì)變得非常明顯。隨著器件柵長(zhǎng)的不斷減小超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管相對(duì)于傳統(tǒng)隧穿器件在柵控方面的優(yōu)勢(shì)變得愈加明顯，尤其當(dāng)器件的柵長(zhǎng)小于15nm時(shí)。當(dāng)器件柵長(zhǎng)為30納米時(shí)超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管和傳統(tǒng)隧穿器件都表現(xiàn)出非常好的開關(guān)特性，然而器件柵長(zhǎng)縮小到10納米時(shí)傳統(tǒng)隧穿器件關(guān)態(tài)泄漏電流迅速增大，而超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管并未出現(xiàn)類似的現(xiàn)象;這主要是由于超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有效溝道比傳統(tǒng)隧穿器件要大很多所以超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管在抑制短溝道效應(yīng)方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:包括柵極(I)、源區(qū)(2)、漏區(qū)(3)、第一溝道區(qū)(4a)、第二溝道區(qū)(4b)、柵介質(zhì)層(5)、隔離層(6)以及埋氧層(7);所述的柵極(I)下方設(shè)有柵介質(zhì)層(5)，柵極(I)與柵介質(zhì)層(5)位于第一溝道區(qū)(4a)上，第一隔離層(6)將柵極(I)與源區(qū)(2)隔離開，第二隔離層(8)將柵極(I)與漏區(qū)(3)隔離開;第一隔離層(6)和第二隔離層(8)的厚度不小于柵介質(zhì)層(5)的厚度;第二溝道區(qū)(4b)設(shè)置在漏區(qū)(3)的下方，源區(qū)(2)、第一溝道區(qū)(4a)、第二溝道區(qū)(4b)設(shè)置在埋氧層(7)上；其中第二溝道區(qū)(4b)的厚度不小于第一溝道區(qū)(4a)且不大于源區(qū)(2)的厚度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:源區(qū)(2)摻雜濃度為lX102°cm—3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:漏區(qū)(3)摻雜濃度為5 X 118-1 X 102°cm—3。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:溝道區(qū)(4a)與溝道區(qū)(4b)的摻雜濃度是一致的，濃度不大于I X 1017cm—3。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特征在于:隔離層(6)是由空氣或者是其它的絕緣介質(zhì)層構(gòu)成的。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超薄溝道凹槽隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管,由柵極、源區(qū)、漏區(qū)、第一溝道區(qū)、第二溝道區(qū)、柵介質(zhì)層、第一隔離層、第二隔離層以及埋氧層；其中，所述柵極與柵介質(zhì)層位于溝道區(qū)之上位置，柵極兩側(cè)為隔離層。該新結(jié)構(gòu)具有一個(gè)超薄的溝道這樣可以增強(qiáng)柵極和溝道的耦合，從而增強(qiáng)柵極的控制能力進(jìn)而增加器件的隧穿電流。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特征就是將溝道的本征區(qū)(低摻雜區(qū))延伸到了漏極區(qū)?？傊摻Y(jié)構(gòu)器件相對(duì)于傳統(tǒng)的隧穿晶體管在亞閾值擺幅、開關(guān)電流比等電學(xué)特性以及穩(wěn)定性方面都有較明顯改善。
【IPC分類】H01L29/10, H01L29/06, H01L29/772
【公開號(hào)】CN105679821
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610250456
【發(fā)明人】王穎, 曹菲, 王艷福, 于成浩
【申請(qǐng)人】杭州電子科技大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年4月20日