一種具有高開態(tài)電流的n型隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種具有高開態(tài)電流的N型GaSbAs同質(zhì)結(jié)雙柵隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子工藝的進步，器件特征尺寸越來越小，對功耗要求也越來越高，但至今電路普遍采用的MOS晶體管由于其工作時自身產(chǎn)生電流的物理機制的限制，其亞閾值擺幅(Subthreshold Swing)在常溫下始終不能低于60mv/dec，功耗不能得到有效地減少。不過隨著隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)的出現(xiàn)，這一個問題得到了有效地解決，因為該器件工作時電流的產(chǎn)生基于隧穿物理機制，從而導(dǎo)致其亞閾值擺幅(Subthreshold Swing)可以降低到60mv/dec以下，達到可以更好地降低功耗的目的。
[0003]有別于至今電路普遍采用的MOS晶體管的源漏區(qū)摻雜類型相同的方法，隧穿場效應(yīng)晶體管的源、漏區(qū)采用了摻雜類型相反的方式，從而致使其工作時在柵極電壓的作用下源區(qū)與溝道之間的界面發(fā)生了不同于MOS晶體管工作機制的電荷隧穿現(xiàn)象，導(dǎo)致了漏極電流的產(chǎn)生。由于特殊的漏極電流產(chǎn)生機制，隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)的亞閾值擺幅降低到了 60mv/dec以下，功耗也得到有效減少，但其也面臨著工作時開態(tài)電流(On-StateCurrent)較小的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種帯隙窄、隧穿效率高、開態(tài)電流高的N型隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管，包括溝道區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層和柵極，溝道區(qū)生長在源區(qū)與漏區(qū)之間，所述溝道區(qū)夾在兩個柵極之間，在所述溝道區(qū)和柵極之間還生長有柵氧化層，所述漏區(qū)、溝道區(qū)、源區(qū)由II1-V族化合物半導(dǎo)體材料GaSbAs構(gòu)成，所述柵氧化層由HfO2形成。
[0006]所述源區(qū)摻雜有溶度為5X1019cm_3的硼；所述漏區(qū)摻雜有溶度為1X10 18cm_3的砷；所述溝道區(qū)沒有摻雜雜質(zhì)。所述柵氧化層的厚度為2nm。
[0007]制備上述具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管的方法，具體步驟如下:
[0008](I)在厚度為50nm的半導(dǎo)體襯底上通過淺槽隔離定義有源區(qū)，形成襯底的材料為II1-V族化合物GaSbAs ；
[0009](2)在半導(dǎo)體襯底的兩側(cè)生長厚度為2nm的柵極氧化層，形成氧化層的材料為二氧化鉿(HfO2)；
[0010](3)接著光刻和刻蝕，形成上下兩個柵極區(qū)域；
[0011](4)光刻暴露出源區(qū)區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕掉附著在源區(qū)上下兩側(cè)的氧化層，離子注入形成硼摻雜溶度為5X 119CnT3的源區(qū)區(qū)域，不進行退火處理；
[0012](5)光刻暴露出漏區(qū)區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕掉附著在漏區(qū)上下兩側(cè)的氧化層，離子注入形成砷摻雜溶度為I X 118CnT3的漏區(qū)區(qū)域，不進行退火處理；
[0013](6)進行退火處理:600°C低溫退火I小時，1000°C快速退火10秒；
[0014](7)采用標準CMOS工藝完成器件的制作。
[0015]本發(fā)明摒棄傳統(tǒng)N型隧穿場效應(yīng)晶體管制作普遍采用的半導(dǎo)體材料硅，創(chuàng)造性地采用三-五化合物半導(dǎo)體材料GaSbAs，由于II1-V族化合物半導(dǎo)體材料GaSbAs具有比娃更窄的帯隙，從而在源區(qū)，溝道中的價帶與導(dǎo)帶之間形成了非常小的隧穿距離使電荷更加容易從源區(qū)隧穿到溝道，得到了非常高的隧穿效率。隧穿的電荷越多，隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)在工作時形成的開態(tài)電流也就越大(On-State Current)，使器件的性能得到了有效地改善。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明與現(xiàn)有晶體管在工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移特性對比圖；
[0018]圖3是本發(fā)明與現(xiàn)有晶體管工作時內(nèi)部能帶對比示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明與現(xiàn)有晶體管工作時內(nèi)部電場對比示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面通過實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。所提供的實施例只是用于詳細說明本發(fā)明，并不以任何方式限制發(fā)明的保護范圍。
[0021]如圖1所不，為本發(fā)明具有尚開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)不意圖。溝道區(qū)111生長在源區(qū)110與漏區(qū)112之間；源區(qū)110與漏區(qū)112摻雜類型相反，分別為P型與η型；溝道區(qū)111為本征區(qū)域，無任何摻雜雜質(zhì)；溝道區(qū)111夾在兩個柵極之間，在溝道區(qū)111和柵極之間還生長有柵氧化層113、114;柵氧化層113、114是厚度為2nm的Η??2。
[0022]如圖2所示，為現(xiàn)有晶體管與本發(fā)明晶體管在工作時的轉(zhuǎn)移特性對比圖，可以看出本發(fā)明的開態(tài)電流(On-State Current)相對于常規(guī)器件而言增加幅度非常明顯。
[0023]如圖3所示，為現(xiàn)有晶體管與本發(fā)明晶體管在相同條件下工作時的內(nèi)部能帶對比示意圖。通過對比可見，當(dāng)現(xiàn)有晶體管與本發(fā)明在外部條件(外加?xùn)艠O電壓、源/漏區(qū)的摻雜類型和溶度、器件尺寸等)一致時，由于器件構(gòu)成材料的不同對其在工作時內(nèi)部能帶分布所造成的影響被清晰地反映出來。從圖中可以看出，在工作時，本發(fā)明晶體管在源區(qū)與溝道區(qū)之間的界面所形成的隧穿距離(wTCaSbAs)小于現(xiàn)有晶體管所形成的隧穿距離(WTSi)。隧穿距離越小，電荷由源區(qū)到達溝道區(qū)時所遇到的阻力也就越小，也就是從源區(qū)移動到溝道區(qū)的電荷數(shù)量就越多，移動的電荷形成電流，從而形成了較大的漏極電流，故本發(fā)明晶體管能獲得比現(xiàn)有晶體管更大的開態(tài)電流(On-state Current)。
[0024]如圖4所不，為現(xiàn)有晶體管與本發(fā)明晶體管在相同條件下工作時的內(nèi)部電場分布圖。由于在柵極施加外部電壓，從而在晶體管內(nèi)部形成了電場，同時晶體管的載流子電荷由于電場的作用而由源區(qū)移動到溝道區(qū)形成漏電流。通過比較，本發(fā)明在工作時比現(xiàn)有晶體管具有更大的內(nèi)部電場，從而能夠獲得比現(xiàn)有晶體管更大的開態(tài)電流(On-StateCurrent)。
[0025]本發(fā)明提出的針對改善低開態(tài)電流(On-State Current)的N型GaSbAs同質(zhì)結(jié)雙柵隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)，其實現(xiàn)方式與現(xiàn)有的N溝道場效應(yīng)晶體管大致相同，只是源區(qū)、漏區(qū)的摻雜類型不相同，同時晶體管源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)域采用II1-V族化合物半導(dǎo)體材料GaSbAs構(gòu)成。
[0026]其具體制作方法如下:
[0027](I)在厚度為50nm的半導(dǎo)體襯底上通過淺槽隔離定義有源區(qū)，形成襯底的材料為II1-V族化合物GaSbAs ；
[0028](2)在半導(dǎo)體襯底的兩側(cè)生長厚度為2nm的柵極氧化層，形成氧化層的材料為二氧化鉿(HfO2)；
[0029](3)接著光刻和刻蝕，形成上下兩個柵極區(qū)域；
[0030](4)光刻暴露出源區(qū)區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕掉附著在源區(qū)上下兩側(cè)的氧化層，離子注入形成硼摻雜溶度為5X 119CnT3的源區(qū)區(qū)域，不進行退火處理；
[0031](5)光刻暴露出漏區(qū)區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕掉附著在漏區(qū)上下兩側(cè)的氧化層，離子注入形成砷摻雜溶度為I X 118CnT3的漏區(qū)區(qū)域，不進行退火處理；
[0032](6)進行退火處理:600°C低溫退火I小時，1000°C快速退火10秒；
[0033](7)采用標準CMOS工藝完成器件的制作。
[0034]以上實施例的技術(shù)細節(jié)均可采用標準CMOS工藝執(zhí)行，普通技術(shù)人員能夠依據(jù)本發(fā)明說明書實施，故不再對本發(fā)明更具體的技術(shù)細節(jié)進行贅述。
[0035]以上借助優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行示意性的詳細說明，旨在幫助進一步理解本發(fā)明，而非限制性的。在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，各種替換和修改均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管，包括溝道區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層和柵極，溝道區(qū)生長在源區(qū)與漏區(qū)之間，所述溝道區(qū)夾在兩個柵極之間，在所述溝道區(qū)和柵極之間還生長有柵氧化層，其特征在于，所述漏區(qū)、溝道區(qū)、源區(qū)由II1-V族化合物半導(dǎo)體材料GaSbAs構(gòu)成，所述柵氧化層由HfO2形成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源區(qū)摻雜有溶度為5 X 119CnT3的硼；所述漏區(qū)摻雜有溶度為IXlO18cnT3的砷；所述溝道區(qū)沒有摻雜雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵氧化層的厚度為2nm。
4.一種制備如權(quán)利要求1所述的具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)在厚度為50nm的半導(dǎo)體襯底上通過淺槽隔離定義有源區(qū)，形成襯底的材料為II1-V族化合物GaSbAs ； (2)在半導(dǎo)體襯底的兩側(cè)生長厚度為2nm的柵極氧化層，形成氧化層的材料為二氧化鉿(HfO2)； (3)接著光刻和刻蝕，形成上下兩個柵極區(qū)域； (4)光刻暴露出源區(qū)區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕掉附著在源區(qū)上下兩側(cè)的氧化層，離子注入形成硼摻雜溶度為5 X 119CnT3的源區(qū)區(qū)域，不進行退火處理； (5)光刻暴露出漏區(qū)區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕掉附著在漏區(qū)上下兩側(cè)的氧化層，離子注入形成砷摻雜溶度為I X 118CnT3的漏區(qū)區(qū)域，不進行退火處理； (6)進行退火處理:600°C低溫退火I小時，1000°C快速退火10秒； (7)采用標準CMOS工藝完成器件的制作。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高開態(tài)電流的N型隧穿場效應(yīng)晶體管及其制作方法，晶體管包括溝道區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層和柵極，溝道區(qū)生長在源區(qū)與漏區(qū)之間，所述溝道區(qū)夾在兩個柵極之間，在所述溝道區(qū)和柵極之間還生長有柵氧化層，所述漏區(qū)、溝道區(qū)、源區(qū)由III-V族化合物半導(dǎo)體材料GaSbAs構(gòu)成，所述柵氧化層由HfO2形成。該晶體管的制備方法如下：依次制作柵極多晶GaSbAs層、柵極氧化層；制作有硼摻雜的源區(qū)和有砷摻雜的漏區(qū)；采用標準CMOS工藝完成器件。發(fā)明具有帯隙窄、隧穿效率高、開態(tài)電流大、制備方法簡單等優(yōu)點。
【IPC分類】H01L29-739, H01L21-331, H01L29-201
【公開號】CN104576723
【申請?zhí)枴緾N201510033256
【發(fā)明人】唐明華, 彭龍
【申請人】湘潭大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月22日