無結納米線場效應電晶體的製作方法
2023-05-07 00:13:21
專利名稱：無結納米線場效應電晶體的製作方法
無結納米線場效應電晶體技術領域
本發明屬於半導體技術領域，具體涉及一種分裂環柵無結納米線場效應電晶體。
技術背景
集成電路的發展一直按照摩爾定律的指引，使得集成電路密度更高、功耗更小、能夠實現的功能越多，而這一切都離不開器件尺寸縮小和性能的提高。但是隨著器件尺寸的不斷縮小，特別是器件進入深納米尺度，器件的各種二級效應，例如短溝道效應、漏致勢壘降低效應等，導致器件性能下降。因此為了抑制短溝道等不良效應，提高器件性能，許多新型的器件結構被不斷提出，例如雙柵器件、三柵器件、魚鰭式場效應電晶體、環柵納米線器件等。而其中納米線場效應電晶體因為優良的柵控能力，使得短溝道效應和漏致勢壘降低效應影響降低。但是，同時器件的縮小導致很難形成明顯源漏與溝道的勢壘結，並且在低濃度的溝道摻雜濃度下，摻雜的變化對器件性能的影響很大，因此無結的納米線場效應電晶體應運而生，並備受關注。
現有的無結型納米線場效應電晶體的電流驅動能力和跨導性能已經不能滿足日益提高的需求，有必要做進一步的結構改進，以提高器件的電流的驅動能力。發明內容
本發明要解決的主要技術問題是提供一種無結納米線場效應電晶體，提高了電流的驅動能力。
為解決上述技術問題，本發明提供一種無結納米線場效應電晶體，包括溝道、源區和漏區，所述源區設置在溝道的一端，所述漏區設置在溝道的另一端，所述溝道的外表面覆蓋有柵氧化層，所述柵氧化層的表面覆蓋有柵電極層，所述柵電極層包括接近源區的第一柵電極層和接近漏區的第二柵電極層。
優選一實施例中，所述第一柵電極層的功函數大於第二柵電極層的功函數。
優選一實施例中，所述溝道、源區和漏區三者的摻雜材料、摻雜濃度和摻雜類型相同。
優選一實施例中，所述溝道、源區和漏區三者的摻雜類型均為N型或者均為P型。
優選一實施例中，摻雜類型為N型時，摻雜材料為磷或砷。
優選一實施例中，摻雜類型為P型時，摻雜材料為硼。
優選一實施例中，所述源區和溝道接觸處的截面兩者之間相同，所述漏區和溝道連接處的截面兩者之間相同。
優選一實施例中，所述柵氧化層為厚度為1-2納米的氧化矽。
優選一實施例中，所述溝道的形狀為圓柱，所述源區、漏區的形狀為圓柱或者圓臺。
優選一實施例中，所述溝道、源區以及漏區的形狀為稜柱。
與現有技術相比，本發明實施例引入分裂柵結構，使得無結納米線場效應電晶體的載流子在溝道中速度提高，從而使得開態電流增大，不考慮閾值電壓的影響，同時也使得器件的關態電流變小，並且屏蔽了漏極對器件的影響，使得漏致勢壘降低效應明顯減弱，提高了電流的驅動能力。同時，分裂柵的引入使得無結納米線場效應電晶體在低壓時的跨導特性明顯提高。
圖1為本發明實施例提供的一種無結納米線場效應電晶體截面示意圖2為本發明實施例提供的一種無結納米線場效應電晶體截面示意圖3為本發明實施例提供的一種無結納米線場效應電晶體截面示意圖4為本發明實施例提供的一種無結納米線場效應電晶體截面示意圖5為溝道長度為40納米，分裂柵結構對電晶體溝道區電勢分布的影響的曲線圖6為溝道長度為40納米，分裂柵結構對電晶體溝道區電場分布的影響的曲線圖7為柵長度不同時，分裂柵結構對器件電流特性的影響曲線圖8為溝道長度固定為40納米，分裂柵結構中兩個柵長度變化對器件漏致勢壘降低效應和亞閾值斜率特性的影響曲線圖9為溝道長度固定為40納米，分裂柵結構中兩個柵的功函數差變化對器件電流特性的影響曲線圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。
請一併參閱圖1至圖4所示，圖1至圖4為本發明實施例提供的一種無結納米線場效應電晶體截面示意圖，圖中無結納米線場效應電晶體包括溝道1、源區2和漏區3，源區 2設置在溝道1的一端，漏區3設置在溝道1的另一端，溝道1的外表面覆蓋有柵氧化層4， 柵氧化層4的表面覆蓋有柵電極層5。本實施例中弓I入分裂柵結構，柵電極層5包括接近源區2的第一柵電極層51和接近漏區3的第二柵電極層52。
本實施例中，為了保證靠近源端的電場比較大，提高電流驅動能力，第一柵電極層 51的功函數大於第二柵電極層52的功函數。比如第一柵電極層51的功函數為4. 97eV，第二柵電極層52的功函數為4. 27eV。
本實施例中，溝道1、源區2和漏區3三者的摻雜材料、摻雜濃度和摻雜類型都相同。比如對於矽材料無結納米線場效應電晶體來說，摻雜類型均為N型或者均為P型。當摻雜類型為N型時，摻雜材料可以為磷、砷等。當摻雜類型為P型時，摻雜材料可以為硼。摻雜濃度可以均為2X1Q19Cm_3。
本實施例中，柵氧化層為厚度為1-2納米的氧化矽。
為了使源區2和溝道1不形成勢壘結，所述源區2和溝道1接觸處的截面兩者之間相同。為了使漏區3和溝道1不形成勢壘結，所述漏區3和溝道1連接處的截面兩者之間也相同。
圖I中溝道I、源區2和漏區3的形狀均為圓柱，三者之間的直徑大小一樣。當然， 溝道I的形狀可以為圓柱，源區、漏區的形狀可以為圓臺，如圖2、3和4所示。當然也並不局限於此，溝道I、源區2以及漏區3的形狀也可以為稜柱，比如溝道I、源區2以及漏區3 的截面為矩形。
本實施例中，分裂環柵無結納米線場效應電晶體的眾多參數可調
(I)、其厚度的半徑(直徑)可調；(2)、其溝道的總長度可調；(3)、其源區的摻雜材料、摻雜濃度、摻雜類型可調；(4)、其溝道的摻雜材料、摻雜濃度、摻雜類型可調；(5)、其漏區的摻雜材料、摻雜濃度、摻雜類型可調；(6)、其柵氧化層的材料可調；(7)、其柵氧化層的厚度可調；(8)、在總柵長一定時，第一柵電極層51和第二柵電極層52的柵長可調；(9)、 第一柵電極層51和第二柵電極層52的功函數可調。
本發明實施例分裂柵的引入使得無結納米線場效應電晶體的載流子在溝道中速度提高，從而使得開態電流增大，不考慮閾值電壓的影響，同時也使得器件的關態電流變小。並且屏蔽了漏極對器件的影響，使得漏致勢壘降低效應明顯減弱，提高了電流的驅動能力。同時，分裂柵的引入使得無結納米線場效應電晶體在低壓時的跨導特性明顯提高。
下面以溝道I、源區2和漏區3的形狀均為圓柱時的情況作詳細說明。
請參閱圖5所示，圖5為溝道長度為40納米，分裂柵結構對電晶體溝道區電勢分布的影響的曲線圖。分裂柵使得電勢在不同功函數柵邊界周圍下方產生電勢的臺階。雖然本圖是在源漏電壓為2伏特，柵電壓減去閾值電壓為0.2伏特條件下得到的，但這個現象在其他的電壓條件下依然存在，具有普適性。電勢臺階的存在使得器件電場分布發生了實質性的變化，以致影響器件的特性。
請參閱圖6所示，圖6為溝道長度為40納米，分裂柵結構對電晶體溝道區電場分布的影響的曲線圖。傳統的無結器件電場只有一個峰值，而分裂柵的引入使得器件在靠近源端又產生了一個電場峰。靠近源端電場使得載流子在該區域加速得更加充分，從而使得載流子的平均速度得到提升，宏觀上看就是增加了器件的開態電流。而靠近漏端的電場被減小使得器件載流子的過衝效應、熱效應都減弱。並且靠近漏端的柵屏蔽了器件漏極對源極的影響，從而改善器件的性能。
請參閱圖7所示，圖7為柵長度不同時，分裂柵結構對器件電流特性的影響曲線圖。可以看出，當分裂環柵無結納米線器件和傳統環柵無結納米線器件的柵電壓減去閾值電壓為零伏特時，將此時電流固定為le-7安培，而當柵電壓減去閾值電壓為I伏特並與源漏電壓相同時，分裂柵結構在不同的柵長度時都增加了器件的飽和電流。因此，分裂柵結構也增加了器件的驅動能力。分裂環柵無結納米線器件和傳統環柵無結納米線器件因為功函數的不同，會造成器件閾值電壓不同，因此在本發明中，柵電壓將會減去閾值電壓以消除功函數不同帶來的影響，從而達到公平的比較。
請參閱圖8所示，圖8為溝道長度固定為40納米，分裂柵結構中兩個柵長度變化對器件漏致勢壘降低效應和亞閾值斜率特性的影響曲線圖。可以看出，隨著靠近漏端的柵長增加，漏致勢壘降低效應明顯減小，靠近漏端的柵長大於15nm以後，分裂柵結構的器件較之傳統的無結器件漏致勢壘降低效應明顯得到抑制。這個對漏致勢壘降低效應的抑制作用來源於分裂柵結構中靠近漏端柵的屏蔽作用。分裂柵結構的亞閾值斜率也隨著靠近漏端的柵長增加而逐漸減小，雖然分裂柵的亞閾值斜率值比傳統無結器件的值略大，但是分裂5柵的亞閾值斜率值都小於70mV/dec，並且在靠近漏端的柵長大於20nm以後，其亞閾值斜率值已經很接近傳統的無結器件，能夠滿足小尺寸器件的性能需要。
請參閱圖9所示，圖9為溝道長度固定為40納米，分裂柵結構中兩個柵的功函數差變化對器件電流特性的影響曲線圖。從圖中可以看出，隨著兩個柵的功函數差逐漸增大， 器件的飽和電流不斷增大。在柵電壓與閾值電壓相同時，分裂柵結構器件的電流較之傳統無結器件也迅速減小，並且隨著兩個柵的功函數差逐漸增大，分裂柵結構器件的電流沒有明顯的增加。這是由於分裂柵結構中，靠近源端的柵在功函數差增加時，對電流的增加作用更加明顯，並且靠近漏端柵的屏蔽作用沒有明顯被削弱。
從上述的圖5至圖9可以看出，本發明實施例公開的柱狀分裂環柵無結納米線場效應電晶體具有以下優點(1)提高器件工作速度；(2)增強環柵無結納米線場效應電晶體的驅動能力；C3)同時該器件還可以更有效地抑制漏致勢壘降低效應，並且保持良好的亞閾值斜率，從而改善器件在尺寸縮小過程中的性能惡化情況。
以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種無結納米線場效應電晶體，包括溝道、源區和漏區，所述源區設置在溝道的一端，所述漏區設置在溝道的另一端，其特徵在於，所述溝道的外表面覆蓋有柵氧化層，所述柵氧化層的表面覆蓋有柵電極層，所述柵電極層包括接近源區的第一柵電極層和接近漏區的第二柵電極層。
2.根據權利要求1所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述第一柵電極層的功函數大於第二柵電極層的功函數。
3.根據權利要求1所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述溝道、源區和漏區三者的摻雜材料、摻雜濃度和摻雜類型相同。
4.根據權利要求3所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述溝道、源區和漏區三者的摻雜類型均為N型或者均為P型。
5.根據權利要求4所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，摻雜類型為N型時， 摻雜材料為磷或砷。
6.根據權利要求4所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，摻雜類型為P型時， 摻雜材料為硼。
7.根據權利要求1所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述源區和溝道接觸處的截面兩者之間相同，所述漏區和溝道連接處的截面兩者之間相同。
8.根據權利要求1所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述柵氧化層為厚度為1-2納米的氧化矽。
9.根據權利要求1-8任一項所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述溝道的形狀為圓柱，所述源區、漏區的形狀為圓柱或者圓臺。
10.根據權利要求1-8任一項所述的無結納米線場效應電晶體，其特徵在於，所述溝道、源區以及漏區的形狀為稜柱。
全文摘要
本發明公開了一種無結納米線場效應電晶體，包括溝道、源區和漏區，所述源區設置在溝道的一端，所述漏區設置在溝道的另一端，所述溝道的外表面覆蓋有柵氧化層，所述柵氧化層的表面覆蓋有柵電極層，所述柵電極層包括接近源區的第一柵電極層和接近漏區的第二柵電極層。與現有技術相比，本發明實施例引入分裂柵結構，使得無結納米線場效應電晶體的載流子在溝道中速度提高，從而使得開態電流增大，不考慮閾值電壓的影響，同時也使得器件的關態電流變小，並且屏蔽了漏極對器件的影響，使得漏致勢壘降低效應明顯減弱，提高了電流的驅動能力。同時，分裂柵的引入使得無結納米線場效應電晶體在低壓時的跨導特性明顯提高。
文檔編號H01L29/78GK102544073SQ201110424189
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者何進, 林信南, 樓海君 申請人:北京大學深圳研究生院, 深港產學研基地