一種抑制雙極效應的隧穿場效應電晶體及其製備方法
2023-10-29 19:20:02 1
專利名稱：一種抑制雙極效應的隧穿場效應電晶體及其製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體器件技術領域，具體涉及一種隧穿場效應電晶體及其製備方法。
背景技術：
在集成電路器件技術發展中，器件的尺寸按摩爾(Moore)定律不斷縮小，從而集成電路的集成密度增大。但溝道長度的縮小帶來的嚴重的短溝道效應及嚴重的性能退化， 特別是亞閾洩漏電流的增大帶來的嚴重的靜態功耗問題，使得傳統的場效應電晶體已經不能作為未來新一代器件的候選。因此，領域內致力尋求新器件方案，包括新結構、新材料等。 而隧穿場效應電晶體(TFET)是一種新型工作機制器件，可以抑制短溝道效應，有效減小洩漏電流，因此其具有低靜態功耗的優勢。同時其亞閾斜率可以打破KT/q的限制(常溫下為60mV/dec)，這有利於在低電源電壓下工作。然而，隧穿效應電晶體(TFET)面臨著驅動電流小以及低亞閾斜率的電流區域小的問題。目前，領域內提出各種優化方案，包括減薄柵氧化層厚度、採用高K柵材料、採用雙柵結構等；也包括使用非矽材料，如窄禁帶材料的Ge 等其他材料，Broken-gap結構等的III-V族材料。而在減薄柵氧化層厚度或使用高K材料時，或者在使用窄禁帶半導體時，在提高器件性能的同時也會導致雙極效應(ambipolar behavior)明顯，使得雙極洩漏電流(ambipolar leakage)增加，表現為亞閾電流增大，這將使得器件的性能退化。圖1是現有技術的平面隧穿場效應電晶體(TFET)的剖面圖；其中100為電晶體的溝道區，101為電晶體的源區，102是電晶體的漏區以及103是電晶體的柵絕緣介質層，通常電晶體的源區與漏區的摻雜類型相反，其中源區101、漏區102以及溝道區100均為同種半導體材料。
發明內容
本發明的一個目的在於提出一種可以抑制雙極效應的隧穿場效應電晶體。本發明的抑制雙極效應的隧穿場效應電晶體包括採用第一種半導體材料的具有輕摻雜的襯底區；在襯底區上形成的柵疊層區，柵疊層區至少包括柵絕緣層和柵導電層；在襯底區上且在柵疊層區下形成的溝道區；在襯底區上且在溝道區的一側形成的採用第二種半導體材料的具有第二種摻雜類型的漏區；在襯底區上且在溝道區的另一側形成的採用第一種半導體材料的具有第一種摻雜類型的源區；在覆蓋在柵疊層區、源區和漏區上的絕緣層上形成的源區上的源電極、漏區上的漏電極和柵疊層區上的柵電極。其中，第一種半導體材料可以是鍺、單晶矽、多晶矽以及絕緣材料上的矽等半導體材料中的一種；第二種半導體材料可以是單晶矽、多晶矽以及砷化鎵等半導體材料的一種， 並且選擇材料時需滿足其禁帶寬度要求大於第一種半導體材料的禁帶寬度；柵絕緣層的絕緣材料可以是氧化矽、氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭以及氧化氟等高K柵材料中的一種；柵導電層的導電材料可以是摻雜的多晶矽、氮化鈦、氮化鉭以及金屬等材料中的一種；絕緣層的絕緣材料可以是氧化矽或氮化矽；電極的導電材料可以是鋁、銅、鎢等金屬中的一種。第一種摻雜類型和第二種摻雜類型為互補的雜質，如磷或硼等。本發明的另一個目的是提供一種抑制雙極效應的隧穿場效應電晶體的製備方法。本發明提供的隧穿場效應電晶體的製備方法包括1)提供一個具有第一種摻雜類型的第一種半導體材料作為襯底區；2)澱積形成第一層硬質掩膜和第一層光刻膠；3)掩膜曝光第一層光刻膠並刻蝕第一層硬質掩膜光刻出漏區的圖形窗口 ；4)去除第一層光刻膠，然後在第一層硬質掩膜的作用下腐蝕第一種半導體材料的襯底區，形成與漏區對應的槽區；5)澱積具有第二種摻雜類型的第二種半導體材料；6)剝離第一層硬質掩膜以及在其上的第二種半導體材料，並用CMP平坦化；7)澱積形成柵絕緣層，再澱積形成柵導電層；8)澱積第二層光刻膠；9)掩膜曝光光刻出源區的圖形窗口和漏區的圖形窗口，再刻蝕柵導電層和柵絕緣層，直至第一種半導體材料的襯底區，從而形成包括柵絕緣層和柵導電層的柵疊層區；10)去除第二層光刻膠，再澱積第三層光刻膠；11)掩膜曝光光刻出源區的圖形，再離子注入形成第一種摻雜類型的源區，同時形成連結源區和漏區的溝道區；12)去除第三層光刻膠；13)澱積形成絕緣層，然後掩膜曝光刻蝕出源區、漏區以及柵疊層區上的源電極通孔、漏電極通孔和柵電極通孔；14)用電極的導電材料填充源電極通孔、漏電極通孔和柵電極通孔形成源電極、漏電極和柵電極。本發明提出的隧穿場效應電晶體特點在於漏區的半導體材料與源區和溝道區的材料不一樣，使用了寬禁帶材料作為漏區，同時寬禁帶的漏區與柵疊層區對準或交疊，交疊時的抑制效果最好。本發明電晶體中使用寬禁帶的漏區與溝道區構成異質結結構，其能帶結構要求漏區的禁帶寬度要大於溝道區的。該隧穿場效應電晶體可以用於抑制隧穿場效應電晶體中的雙極效應，減小亞閾洩漏電流，優化電晶體的亞閾區特性，最終可提高器件開關性能參數Ion/Ioff電流比和減少器件的亞閾斜率。本發明的有益效果是可以有效抑制雙極效應，並且降低了器件的亞閾洩漏電流， 同時又不影響器件的開態電流，因此可以提高器件的開關電流比，也降低了器件的亞閾斜率，非常明顯地提高了器件的性能。
圖1是現在的平面隧穿場效應電晶體的剖面圖；圖2是根據本發明的隧穿場效應電晶體的製備方法的一個實施例製備的隧穿場效應電晶體的剖面圖；圖3至圖16是製備如圖2所示的電晶體的工序的剖面圖；圖17是以本發明的實施例的為例用來簡單介紹本發明的原理的示意圖；圖18是根據本發明的實施例製備的電晶體的仿真效果的展示圖。
具體實施例方式下面結合附圖，具體說明本發明的實施方式。隧穿場效應電晶體的雙極效應是由於在漏端結處會產生帶帶隧穿(band-to-band tunneling)電流，使得亞閾洩漏電流增大，電晶體的性能退化。而帶帶隧穿電流與半導體的禁帶寬度成負指數關係(exp(-^/2))，同時結的洩漏電流也與禁帶寬度成負指數關係。因此，漏區使用較大禁帶寬度的半導體，可以減小關態時溝道區對漏區的帶帶隧穿電流和漏端結處的洩漏電流。本發明的實施例中，源區和溝道區為半導體鍺，其禁帶寬度為0. 67eV ； 漏區為半導體矽，其禁帶寬度為1. 12eV。圖17所示為使用窄禁帶的鍺作為漏區的電晶體與使用寬禁帶矽的電晶體在關態時界面附近的沿溝道方向的能帶圖，可以看出寬禁帶的矽 (虛線)比窄禁帶的鍺具有更大的隧穿寬度，使得寬禁帶的漏端結處帶帶隧穿電流變小，從而起到抑制雙極的作用；另一方面，較大禁帶寬度的矽在漏端結處產生的結洩漏電流也會減小。圖2是根據本發明的隧穿場效應電晶體的製備方法的一個實施例製備的隧穿場效應電晶體的剖面圖。該隧穿場效應電晶體共有三個電極漏電極、柵電極和源電極，為三端器件。該隧穿場效應電晶體還包括柵疊層區、源區202、漏區201、溝道區205以及襯底區 200，其中的柵疊層區至少包括柵絕緣層203和柵導電層204。柵絕緣層203的絕緣材料為澱積得到的二氧化矽，也可以是其他高K材料。柵導電層204為重摻雜的多晶矽，也可以是鋁等金屬材料。襯底區200為鍺半導體材料，也可以是矽等半導體材料。漏區201為矽半導體材料，也可以是其他半導體材料，但其能帶需滿足設計要求，即要求其禁帶寬度大於襯底區的材料的禁帶寬度。源區202為採用硼離子重摻雜的區域；漏區201為磷離子重摻雜的區域；襯底區200為硼離子的輕摻雜區域。通常漏區201與源區202的摻雜類型相反，但襯底200的摻雜類型可以不要求，而只要求輕摻雜即可。圖3 17描述的是本發明提供的隧穿場效應電晶體的製造方法的一個實施例的製造工序，步驟如下首先，準備一個鍺半導體作為襯底區200，如圖3所示；接下來，澱積氮化矽形成第一層硬質掩膜401和第一層光刻膠402，如圖4所示；接下來，掩膜曝光第一層光刻膠402並刻蝕第一層硬質掩膜401光刻出漏區的圖形窗口 501，如圖5所示；接下來，去除第一層光刻膠402，然後在第一層硬質掩膜401的作用下腐蝕鍺半導體的襯底區200，形成與漏區對應的槽區601，槽深為30nm，如圖6所示；接下來，澱積一層厚30nm的摻磷的矽半導體701，如圖7所示；
接下來，剝離第一層氮化矽硬質掩膜401以及在其上的矽半導體701，並用CMP平坦化形成漏區201，如圖8所示；接下來，澱積一層二氧化矽材料，形成柵絕緣層901，再澱積摻雜的多晶矽，形成柵導電層902，如圖9所示；接下來，澱積第二層光刻膠1001，如圖10所示；接下來，掩膜曝光柵絕緣層901、柵導電層902及第二層光刻膠1001光刻出漏區的圖形窗口 1101和源區的圖形窗口 1102，並刻蝕柵導電層902和柵絕緣層901，直至鍺半導體的襯底區200，從而形成包括柵絕緣層203和柵導電層204的柵疊層區，如圖11所示；接下來，去除第二層光刻膠1001，然後澱積第三層光刻膠1201，如圖12所示；接下來，掩膜曝光光刻出源區的圖形，再用離子注入形成源區202，同時形成連結源區和漏區的溝道區205，其中離子束1301為含硼的離子，如圖13所示；接下來，去除第三層光刻膠1201，退火激活雜質離子，如圖14所示；接下來，澱積二氧化矽材料形成絕緣層1501，然後掩膜曝光刻蝕絕緣層形成在源區202、漏區201以及柵疊層區上的源電極通孔1502、漏電極通孔1503和柵電極通孔1504， 如圖15所示；最後，用金屬鋁材料填充通孔形成源電極207、漏電極208和柵電極206，最終電晶體的結構如圖16所示。在本實施例中，採用的第一半導體材料為鍺半導體，而第二半導體材料為矽半導體，從而使得漏區具有比溝道區更寬的禁帶寬度。圖18是本發明的實施例的仿真效果的展示圖，圖中的曲線分別為本發明的電晶體與常規器件的轉移特性曲線。可以看到與常規器件(common device)相比，本發明的電晶體在開態特性不受影響下的同時有更低的亞閾電流，並抑制了電晶體的雙極效應，也具有更好的平均亞閾斜率(Average SS)。上面描述的實施例並非用於限定本發明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可做各種的變換和修改，因此本發明的保護範圍視權利要求範圍所界定。
權利要求
1.一種隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述隧穿場效應電晶體包括採用第一種半導體材料的具有輕摻雜的襯底區；在所述襯底區上形成的柵疊層區，柵疊層區至少包括柵絕緣層和柵導電層；在所述襯底區上且在所述柵疊層區下形成的溝道區；在所述襯底區上且在所述溝道區的一側形成的採用第二種半導體材料的具有第二種摻雜類型的漏區；在所述襯底區上且在所述溝道區的另一側形成的採用第一種半導體材料的具有第一種摻雜類型的源區；在覆蓋在所述柵疊層區、源區和漏區上的絕緣層上形成的源區上的源電極、漏區上的漏電極和柵疊層區上的柵電極。
2.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述第一種半導體材料是鍺、 單晶矽、多晶矽以及絕緣材料上的矽等半導體材料中的一種。
3.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述第二種半導體材料是單晶矽、多晶矽以及砷化鎵等半導體材料的一種，並且所述第二種半導體材料的禁帶寬度大於所述第一種半導體材料的禁帶寬度。
4.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述柵絕緣層的絕緣材料是氧化矽、氧化鉿、氧化鉭、氧化鑭、氧化氟等高K柵材料中的一種。
5.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述柵導電層的導電材料是摻雜的多晶矽、氮化鈦、氮化鉭以及金屬等材料中的一種。
6.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述絕緣層的絕緣材料是氧化矽或氮化矽。
7.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述電極的導電材料可以是鋁、銅、鎢等金屬中的一種。
8.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述第一種摻雜類型和第二種摻雜類型為互補的雜質。
9.如權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其特徵在於，所述漏區與柵疊層區對準或交疊。
10.一種隧穿場效應電晶體的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟1)提供一個具有第一種摻雜類型的第一種半導體材料作為襯底區；2)澱積形成第一層硬質掩膜和第一層光刻膠；3)掩膜曝光第一層光刻膠並刻蝕第一層硬質掩膜光刻出漏區的圖形窗口；4)去除第一層光刻膠，然後在第一層硬質掩膜的作用下腐蝕第一種半導體材料的襯底區，形成與漏區對應的槽區；5)澱積具有第二種摻雜類型的第二種半導體材料；6)剝離第一層硬質掩膜以及在其上的第二種半導體材料，並用CMP平坦化；7)澱積形成柵絕緣層，再澱積形成柵導電層；8)澱積第二層光刻膠；9)掩膜曝光光刻出源區的圖形窗口和漏區的圖形窗口，再刻蝕柵導電層和柵絕緣層， 直至第一種半導體材料的襯底區，從而形成包括柵絕緣層和柵導電層的柵疊層區；10)去除第二層光刻膠，再澱積第三層光刻膠；11)掩膜曝光光刻出源區的圖形，再離子注入形成第一種摻雜類型的源區，同時形成連結源區和漏區的溝道區；12)去除第三層光刻膠；13)澱積形成絕緣層，然後掩膜曝光刻蝕出源區、漏區以及柵疊層區上的源電極通孔、 漏電極通孔和柵電極通孔；14)用電極的導電材料填充源電極通孔、漏電極通孔和柵電極通孔形成源電極、漏電極和柵電極。
全文摘要
本發明公開了一種抑制雙極效應的隧穿場效應電晶體及其製備方法。本發明的隧穿場效應電晶體的漏區與溝道區採用不同的半導體材料，並且漏區的禁帶寬度要大於溝道區的禁帶寬度，可以有效抑制雙極效應，並且降低了器件的亞閾洩漏電流，同時又不影響器件的開態電流，因此可以提高器件的開關電流比，也降低了器件的亞閾斜率，非常明顯地提高了器件的性能。
文檔編號H01L21/336GK102412302SQ20111031000
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者詹瞻, 邱穎鑫, 黃如, 黃芊芊 申請人:北京大學