專利名稱：一種具有疊層結(jié)構(gòu)的u型溝道隧穿晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種U型溝道隧穿晶體管及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以等比例縮小為動(dòng)力的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)集成電路技術(shù)已經(jīng)邁入納米尺寸，并將繼續(xù)遵循摩爾定律進(jìn)一步縮小器件尺寸，以滿足芯片微型化、高密度化、高速化和系統(tǒng)集成化的要求。如今的集成電路器件技術(shù)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)處于50納米左右，MOSFET源漏極之間的漏電流，隨著溝道長(zhǎng)度的縮小而迅速上升。特別是當(dāng)溝道長(zhǎng)度下降到30納米以下時(shí)，有必要使用新型的器件以獲得較小的漏電流，從而降低芯片功耗。如，采用隧穿晶體管，可以減少源漏極間的漏電流。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的U型溝道隧穿晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖1，在半導(dǎo)體襯底100內(nèi)形成有隧穿晶體管的源區(qū)103和漏區(qū)107，源區(qū)103的摻雜類型與漏區(qū)107的摻雜類型相反，且與半導(dǎo)體襯底100的摻雜類型相同。隧穿晶體管在開(kāi)啟時(shí)在半導(dǎo)體襯底100內(nèi)、介于源區(qū)103和漏區(qū)107之間形成有U型溝道區(qū)11。覆蓋U型溝道區(qū)11形成的柵介質(zhì)層104為二氧化娃或者為具有高介電常數(shù)值的絕緣介質(zhì)。位于柵介質(zhì)層104之上的柵極105為摻雜的多晶硅或者為金屬層。柵極105的側(cè)墻106是絕緣材料，比如為氮化硅或者為二氧化硅，側(cè)墻106將柵極與該器件中的其它導(dǎo)電層絕緣。所示源區(qū)的接觸體108、柵極的接觸體109和漏區(qū)的接觸體110由導(dǎo)電材料形成，并用于將源區(qū)103、柵極105和漏區(qū)107與外部電極相連接。然而，隧穿晶體管在工作時(shí)，源區(qū)與溝道區(qū)之間的能帶間距較大，使得隧穿效率較低、器件的開(kāi)啟電流較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管，能夠減小源區(qū)與溝道區(qū)之間的能帶間距，從而提高隧穿效率、增大器件的開(kāi)啟電流。本發(fā)明提出了一種具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管，其主要包括:
一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；
在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)；
在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)靠近漏區(qū)的一側(cè)形成的U型溝道區(qū)；
在所述U型溝道區(qū)之上形成的覆蓋整個(gè)U型溝道區(qū)表面的柵介質(zhì)層；
在所述柵介質(zhì)層之上形成的柵極；其中，
所述U型溝道區(qū)的非漏區(qū)側(cè)形成的具有第一種摻雜類型的鍺化硅源區(qū)；
在所述半導(dǎo)體襯底上，且位于所述鍺化硅源區(qū)之下形成的具有第二種摻雜類型的高摻雜硅層，其物理厚度范圍為1-10納米。所述的第一種摻雜類型為p型摻雜，所述的第二種摻雜類型為n型摻雜，或者，所述的第一種摻雜類型為n型摻雜，所述的第二種摻雜類型為p型摻雜。本發(fā)明還提出了如上所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制備方法，包括:
在具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底表面生長(zhǎng)第一層絕緣薄膜；
以所述第一層絕緣薄膜為硬掩膜，刻蝕所述半導(dǎo)體襯底形成用于形成源區(qū)的區(qū)域； 在所形成的用于形成源區(qū)的區(qū)域內(nèi)外延生長(zhǎng)一層具有第二種摻雜類型的高摻雜硅
層；
在所形成的具有第二種摻雜類型的高摻雜娃層之上繼續(xù)外延生長(zhǎng)一層具有第一種摻雜類型的鍺化硅層，作為該器件的源區(qū)；
剝除第一層絕緣薄膜后，通過(guò)光刻工藝和刻蝕工藝刻蝕半導(dǎo)體襯底形成U型凹槽； 在所形成的U型凹槽的表面形成器件的柵介質(zhì)層；
在所形成的柵介質(zhì)層之上形成第一層導(dǎo)電薄膜，并通過(guò)光刻工藝和刻蝕工藝刻蝕所形成的第一層導(dǎo)電薄膜形成器件的柵極；
通過(guò)離子注入工藝在半導(dǎo)體襯底內(nèi)所述U型凹槽的非源區(qū)側(cè)形成具有第二種摻雜類型的漏區(qū)。如上所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制造方法，所述的第一種摻雜類型為P型摻雜，所述的第二種摻雜類型為n型摻雜，或者，所述的第一種摻雜類型為n型摻雜，所述的第二種摻雜類型為P型摻雜。如上所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制造方法，所述的第一層絕緣薄膜為氧化硅或者為氮化硅。本發(fā)明通過(guò)外延生長(zhǎng)的方法在隧穿晶體管的鍺化硅源區(qū)下面形成一層與鍺化硅源區(qū)摻雜類型相反的高摻雜硅層，鍺化硅相對(duì)于硅具有更窄的禁帶寬度，因此可以提高源區(qū)和溝道區(qū)之間的能帶彎曲程度，進(jìn)而能夠減小隧穿長(zhǎng)度、提高隧穿效率。本發(fā)明所提出的鍺化硅源區(qū)和高摻雜硅層的疊層結(jié)構(gòu)和硅源區(qū)與高摻雜硅層的疊層結(jié)構(gòu)、鍺化硅源區(qū)與高摻雜鍺化硅層的疊層結(jié)構(gòu)以及硅源區(qū)與高摻雜鍺化硅層的疊層結(jié)構(gòu)相比，具有更好的性能。本發(fā)明所提出的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管可以在不影響關(guān)斷電流的情況下大幅度提高開(kāi)啟電流，降低亞閾值擺幅。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的U型溝道隧穿晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖2為本發(fā)明所公開(kāi)的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。圖3為本發(fā)明所提出的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的能帶圖。圖4至圖11為本發(fā)明所公開(kāi)的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制造方法的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，在圖中，為了方便說(shuō)明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。圖2是本發(fā)明所公開(kāi)的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的一個(gè)實(shí)施例，它是沿該器件溝道長(zhǎng)度方向的剖面圖。如圖2，具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底200可以為單晶硅、多晶硅或者為絕緣體上的硅，且被低濃度的n型或p型雜質(zhì)摻雜過(guò)，摻雜濃度比如為lel6Cm_3。在半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成有具有第二種摻雜類型的漏區(qū)207，漏區(qū)207的摻雜類型與半導(dǎo)體襯底200的摻雜類型相反，其摻雜濃度比如為lel9Cm_3。在半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成有隧穿晶體管的U型溝道區(qū)401，U型溝道區(qū)401不是通過(guò)加工形成的，而是隧穿晶體管在進(jìn)行工作時(shí)在半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成的反型層。覆蓋U型溝道區(qū)401的表面形成有隧穿晶體管的柵介質(zhì)層204，柵介質(zhì)層204可以為二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者高介電常數(shù)的絕緣材料，其物理厚度范圍優(yōu)選為1-20納米。在柵介質(zhì)層204之上形成有隧穿晶體管的柵極205，柵極205可以為金屬、合金或者為慘雜的多晶娃。在半導(dǎo)體襯底200上、位于U型溝道區(qū)401的非漏區(qū)側(cè)形成有具有第一種摻雜類型的鍺化硅源區(qū)203，其摻雜濃度比如為le20Cm_3。在半導(dǎo)體襯底200上位于鍺化硅源區(qū)203之下形成有具有第二種摻雜類型的高摻雜硅層202，其摻雜濃度比如為5el9Cm_3，物理厚度范圍為1_10納米。隧穿晶體管的柵極側(cè)墻206可以為二氧化硅或者氮化硅，柵極側(cè)墻是業(yè)界所熟知的結(jié)構(gòu)，用于將柵極205與該器件中的其它導(dǎo)電層絕緣。所示源區(qū)接觸體208、柵極的接觸體209、漏區(qū)的接觸體210由導(dǎo)電材料形成，并用于將源區(qū)203、柵極205、漏區(qū)207與外部電極相連接。圖3為本發(fā)明所提出的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的能帶圖。本發(fā)明在隧穿晶體管的鍺化硅源區(qū)下面加入一層與鍺化硅源區(qū)摻雜類型相反的高摻雜硅層，鍺化硅相對(duì)于硅具有更窄的禁帶寬度，所形成的Pn異質(zhì)結(jié)具有較小的能帶間距，進(jìn)而能夠提高隧穿效率。本發(fā)明所公開(kāi)的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管可以通過(guò)很多方法制造，以下所敘述的是制造如圖2所示結(jié)構(gòu)的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程。首先，如圖4所示，在提供的具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底200內(nèi)通過(guò)淺溝槽隔離(STI)工序形成有源區(qū)(圖中未示出)，這種STI工藝是業(yè)界所熟知的。接著在半導(dǎo)體襯底200的表面生長(zhǎng)第一層絕緣薄膜201，第一層絕緣薄膜201可以為二氧化硅或者為氮化硅。接著在第一層絕緣薄膜201之上淀積一層光刻膠301并通過(guò)光刻工藝形成圖形，然后刻蝕掉暴露出的第一層絕緣薄膜201，并繼續(xù)刻蝕掉部分暴露出的半導(dǎo)體襯底200以形成用于形成隧穿晶體管的源區(qū)區(qū)域。第一種摻雜類型可以為P型摻雜或者為n型摻雜。接下來(lái)，剝除光刻膠301，然后采用外延生長(zhǎng)的方法在所形成的用于形成隧穿晶體管的源區(qū)區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)一層具有第二種摻雜類型的高摻雜硅層202，如圖5所示。高摻雜硅層202的物理厚度范圍優(yōu)選為1-10納米，其摻雜類型可以為n型摻雜或者為p型摻雜。
接下來(lái)，在高摻雜硅層202之上繼續(xù)采用外延生長(zhǎng)的方法生長(zhǎng)一層具有第一種摻雜類型的鍺化硅層203，作為隧穿晶體管的源區(qū)203，如圖6所示。剝除第一層絕緣薄膜201后，在所形成的器件的暴露表面上生長(zhǎng)第二層絕緣薄膜404，接著在第二層絕緣薄膜404之上淀積一層光刻膠302并通過(guò)光刻工藝定義出隧穿晶體管的U型溝道區(qū)的位置，然后刻蝕掉暴露出第二層絕緣薄膜404，然后采用干法刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合的方法繼續(xù)刻蝕暴露出的半導(dǎo)體襯底200，在半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成U型凹槽，如圖7所示。接下來(lái)，剝除光刻膠302和第二層絕緣薄膜404，然后在所形成的U型凹槽的表面采用原子層淀積工藝生長(zhǎng)隧穿晶體管的柵介質(zhì)層204。接著，在所形成的柵介質(zhì)層204之上形成第一層導(dǎo)電薄膜，并通過(guò)光刻工藝和刻蝕工藝刻蝕所形成的第一層導(dǎo)電薄膜形成器件的柵極205，如圖8所示。柵介質(zhì)層204可以為二氧化硅、氮氧化硅或者為具有高介電常數(shù)值的絕緣材料，柵極205可以為摻雜的多晶硅或者金屬層。接下來(lái)，在所形成的器件的暴露表面上淀積第三層絕緣薄膜206，然后在第三層絕緣薄膜206之上淀積一層光刻膠303并通過(guò)光刻工藝定義出隧穿晶體管的漏區(qū)位置，然后刻蝕掉暴露出第三層絕緣薄膜206，并繼續(xù)刻蝕掉暴露出的柵介質(zhì)層204，然后通過(guò)離子注入工藝在半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成具有第二種摻雜類型的漏區(qū)207，如圖9所示。接下來(lái)，剝除光刻膠303，并在所形成結(jié)構(gòu)的暴露表面上淀積一層新的光刻膠并通過(guò)光刻工藝形成圖形，然后刻蝕掉暴露出的第三層絕緣薄膜206，刻蝕后剩余的第三層絕緣薄膜形成隧穿晶體管的柵極側(cè)墻，然后繼續(xù)刻蝕掉暴露出的柵介質(zhì)層204以露出源區(qū)203，剝除光刻膠后如圖9所示。最后，以導(dǎo)電材料形成用于將源區(qū)203、柵極205、漏區(qū)207與外部電極相連接的源區(qū)的接觸體208、柵極的接觸體209、漏區(qū)的接觸體210，如圖10所示。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說(shuō)明書(shū)中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管，包括: 一個(gè)具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成的具有第二種摻雜類型的漏區(qū)； 在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)靠近漏區(qū)的一側(cè)形成的U型溝道區(qū)； 在所述U型溝道區(qū)之上形成的覆蓋整個(gè)U型溝道區(qū)表面的柵介質(zhì)層； 在所述柵介質(zhì)層之上形成的柵極；其特征在于: 在所述半導(dǎo)體襯底上所述U型溝道區(qū)的非漏區(qū)一側(cè)形成的具有第一種摻雜類型的鍺化硅源區(qū)； 在所述半導(dǎo)體襯底上，且位于所述鍺化硅源區(qū)之下形成的具有第二種摻雜類型的高摻雜硅層，其物理厚度范圍為1-10納米。
2.如權(quán)利要求1所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管，其特征在于，所述的第一種摻雜類型為P型摻雜，所述的第二種摻雜類型為n型摻雜；或者，所述的第一種摻雜類型為n型摻雜，所述的第二種摻雜類型為p型摻雜。
3.如權(quán)利要求1所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制備方法，其特征在于，包括: 在具有第一種摻雜類型的半導(dǎo)體襯底表面生長(zhǎng)第一層絕緣薄膜； 以所述第一層絕緣薄膜為硬掩膜刻蝕所述半導(dǎo)體襯底形成用于形成源區(qū)的區(qū)域； 在所形成的用于形成源區(qū)的區(qū)域內(nèi)外延生長(zhǎng)一層具有第二種摻雜類型的高摻雜硅層； 在所形成的具有第二種摻雜類型的高摻雜娃層之上繼續(xù)外延生長(zhǎng)一層具有第一種摻雜類型的鍺化硅層，作為該器件的源區(qū)； 剝除第一層絕緣薄膜后，通過(guò)光刻工藝和刻蝕工藝刻蝕半導(dǎo)體襯底形成U型凹槽； 在所形成的U型凹槽的表面形成器件的柵介質(zhì)層； 在所形成的柵介質(zhì)層之上形成第一層導(dǎo)電薄膜，并通過(guò)光刻工藝和刻蝕工藝刻蝕所形成的第一層導(dǎo)電薄膜形成器件的柵極； 通過(guò)離子注入工藝在半導(dǎo)體襯底內(nèi)所述U型凹槽的非源區(qū)側(cè)形成具有第二種摻雜類型的漏區(qū)。
4.如權(quán)利要求3所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制造方法，其特征在于所述的第一種摻雜類型為P型摻雜，所述的第二種摻雜類型為n型摻雜；或者，所述的第一種摻雜類型為n型摻雜，所述的第二種摻雜類型為p型摻雜。
5.如權(quán)利要求3所述的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管的制造方法，其特征在于所述的第一層絕緣薄膜為氧化硅或者為氮化硅。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管及其制備方法。本發(fā)明通過(guò)外延生長(zhǎng)的方法在隧穿晶體管的鍺化硅源區(qū)下面形成一層與鍺化硅源區(qū)摻雜類型相反的高摻雜硅層，鍺化硅相對(duì)于硅具有更窄的禁帶寬度，因此可以提高源區(qū)和溝道區(qū)之間的能帶彎曲程度，進(jìn)而能夠減小隧穿長(zhǎng)度、提高隧穿效率。本發(fā)明所提出的具有疊層結(jié)構(gòu)的U型溝道隧穿晶體管可以在不影響關(guān)斷電流的情況下大幅度提高開(kāi)啟電流，降低亞閾值擺幅。
文檔編號(hào)H01L21/336GK103151383SQ201310072169
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者王瑋, 王鵬飛, 張衛(wèi) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)