CN103560153B - 一种隧穿场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧穿场效应晶体管及其制备方法，所述制备方法至少包括步骤：提供一具有顶层硅、埋氧层和底层硅的SOI衬底，在所述顶层硅两侧进行离子注入分别形成源极和漏极；在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层；利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述本征硅层、栅介质层和栅极层形成堆叠结构，所述堆叠结构与所述源极部分交叠、与所述漏极在水平方向上具有一预设距离。本发明利用所述堆叠结构与源极的交叠，可以增大隧穿面积，进而增大驱动电流；另外，所述堆叠结构与所述漏极在水平方向上具有一预设距离，通过该预设距离可以抑制隧穿场效应晶体管中的双极性效应，降低亚阈电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种隧穿场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
近年来，以硅集成电路为核心的微电子技术得到了迅速的发展，集成电路芯片的发展基本上遵循摩尔定律，即半导体芯片集成度以每18个月翻一番的速度增长。在过去一段时间里，微电子技术的进步是以不断优化材料、工艺和流程的成本效益为基础的。然而，随着微电子技术的发展，常规的硅基CMOS晶体管按比例缩小已变得越来越困难。而且，现今利用MOSFET制造的大多数电子产品，出现以下主要问题：第一，由于MOSFET沟道缩短导致漏电变大，即使关机或待机中也会不断消耗电力。IBM引用欧盟的报告指出，10%的家庭和办公室电力都是浪费在电子产品的待机状态。第二，传统MOSFET受物理机制的限制，其亚阈值摆幅较高。
解决以上问题的方案之一就是采用隧穿场效应晶体管（TunnelFET:TFET）结构，隧穿场效应晶体管(TFET)是一种新型工作机制器件，可以抑制短沟道效应，有效减小泄漏电流，因此其具有低静态功耗的优势。同时其亚阈斜率可以打破KT/q的限制(常温下为60mV/dec)，这有利于在低电源电压下工作。然而，隧穿效应晶体管(TFET)面临着驱动电流小以及低亚阈斜率的电流区域小的问题。目前，领域内提出各种优化方案，包括减薄栅氧化层厚度、采用高K栅材料、采用双栅结构等；也包括使用非硅材料，如窄禁带材料的Ge等其他材料，Broken-gap结构等的III-V族材料。而在减薄栅氧化层厚度或使用高K材料时，或者在使用窄禁带半导体时，在提高器件性能的同时也会导致双极性效应(ambipolarbehavior)明显，使得双极泄漏电流(ambipolarleakage)增加，表现为亚阈电流增大，这将使得器件的性能退化。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种隧穿场效应晶体管及其制备方法，用于解决现有技术中普通隧穿场效应晶体驱动电流低、具有双极性效应的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种隧穿场效应晶体管及其制备方法，所述隧穿场效应晶体管的制备方法至少包括步骤：
1）提供一具有顶层硅、埋氧层和底层硅的SOI衬底，在所述顶层硅两侧进行离子注入分别形成源极和漏极；
2）在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层；
3）利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述本征硅层、栅介质层和栅极层，形成由本征硅、位于所述本征硅表面的栅介质以及位于所述栅介质表面的栅极构成的堆叠结构，所述堆叠结构与所述源极部分交叠、与所述漏极在水平方向上具有一预设距离。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，所述预设距离的尺寸范围为1/4Lg～Lg，其中，Lg为栅极长度。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，所述源极为P型重掺杂半导体，所述漏极为N型重掺杂半导体。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，所述源极为N型重掺杂半导体，所述漏极为P型重掺杂半导体。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，采用化学气相沉积工艺在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，所述埋氧层为SiO2；所述栅介质层为HfO2或SiO2。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，所述栅极为金属栅极、单晶硅或多晶硅。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的方案，所述栅极为TiN。
本发明还提供一种隧穿场效应晶体管，所述隧穿场效应管至少包括：
SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅、埋氧层和底层硅；
源极和漏极，分别形成于所述顶层硅两侧；
堆叠结构，形成于所述SOI衬底上，所述堆叠结构包括本征硅、位于所述本征硅表面的栅介质以及位于所述栅介质表面的栅极；所述堆叠结构与所述源极部分交叠、与所述漏极在水平方向上具有一预设距离。
作为本发明隧穿场效应晶体管的一种优化的结构，所述预设距离的尺寸范围为1/4Lg～Lg，其中，Lg为栅极长度。
如上所述，本发明的隧穿场效应晶体管及其制备方法，具有以下有益效果：将包括有本征硅、栅介质和栅极的堆叠结构形成于所述SOI衬底上，使所述堆叠结构与所述源极的交叠，利用所述堆叠结构与源极的交叠，可以增大隧穿面积，进而增大驱动电流；另外，所述堆叠结构与所述漏极在水平方向上具有一预设距离，通过该预设距离可以抑制隧穿场效应晶体管中的双极性效应，降低亚阈电流。
附图说明
图1为本发明隧穿场效应晶体管制备方法的流程示意图。
图2～图3为本发明隧穿场效应晶体管制备方法的步骤1）呈现的结构示意图。
图4为本发明隧穿场效应晶体管制备方法的步骤2）呈现的结构示意图。
图5为本发明隧穿场效应晶体管制备方法的步骤3）呈现的结构示意图。
元件标号说明
S1～S3步骤
1SOI衬底
11顶层硅
12埋氧层
13底层硅
2漏极
3源极
4顶层本征硅
5本征硅层
6栅介质层
7栅极层
8本征硅
9栅介质
10栅极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种隧穿场效应晶体管的制备方法，如图1所示的制备方法流程图，所述隧穿场效应晶体管的制备方法至少包括以下步骤：
S1，提供一具有顶层硅、埋氧层和底层硅的SOI衬底，在所述顶层硅两侧进行离子注入分别形成源极和漏极；
S2，在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层；
S3，利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述本征硅层、栅介质层和栅极层，形成由本征硅、位于所述本征硅表面的栅介质以及位于所述栅介质表面的栅极构成的堆叠结构，所述堆叠结构与所述源极部分交叠、与所述漏极在水平方向上具有一预设距离。
下面结合附图具体描述本发明提供的隧穿场效应晶体管的制备方法。
首先执行步骤S1，提供一具有顶层硅、埋氧层和底层硅的SOI衬底，在所述顶层硅两侧进行离子注入分别形成源极和漏极。
请参阅图1，提供的SOI衬底1中，自下而上依次为底层硅13、埋氧层12和顶层硅11。所述埋氧层12包括但不限于为二氧化硅。
作为本发明实施例的一个优选方案，所述顶层硅11的厚度可选20～30nm，所述埋氧层12厚度为50nm～100nm，所述底层硅13的厚度为60nm～150nm。本实施例中，所述顶层硅11的厚度暂选为30nm，所述埋氧层12的厚度暂选为100纳米，所述底层硅13的厚度暂选为150nm，但并不限于此，在其它实施例亦可为其它厚度，例如顶层硅11的厚度可取20nm、22nm、25nm或28nm等，埋氧层12的厚度可取50nm、70nm、80nm、或90nm等，所述底层硅13的厚度可取60nm、80nm、100nm、120nm或140nm等。
请参阅图2，采用离子注入工艺在所述顶层硅11的两侧中进行重掺杂以形成源极3和漏极2。其中，若掺杂形成的源极3为P型重掺杂半导体，则另一侧的漏极2则为N型重掺杂半导体；若掺杂形成的源极3为N型重掺杂半导体，则另一侧的漏极2则为P型重掺杂半导体。本实施例中以源极3为P型重掺杂半导体、漏极2为N型重掺杂半导体为例，请参阅附图3。所述源极3中P型掺杂离子为硼，掺杂浓度为1E16cm-3～1E20cm-3，但并不限于此，在其它实施例中，亦可选用其它P型掺杂离子。所述漏极2中N型掺杂离子为磷或砷，且掺杂浓度为1E16cm-3～1E20cm-3，但并不限于此，在其它实施例中，亦可选用其它N型掺杂离子。
进行离子注入后，需要对SOI衬底1进行退火处理，以减小离子注入时对晶格造成的损伤。进行退火处理的温度为900～1100℃。
所述顶层硅11进行两侧掺杂后，剩余中间部分为顶层本征硅4，用来作为源极3和漏极2之间载流子通过的沟道。
然后执行步骤S2，在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层。
请参阅图4，在所述SOI衬底1上采用化学气相沉积法依次生长本征硅层5、栅介质层6及栅极层7。当然，也可采用分子束外延等工艺形成所述本征硅层5。形成栅介质层6和栅极层7也可以是其他适合的工艺。
形成的本征硅层5的厚度可选10～20nm，所述栅介质层6的厚度为25nm～40nm，所述栅极层7的厚度为60nm～150nm。本实施例中，形成的本征硅层5的厚度为20nm，所述栅介质层的厚度为40nm，所述栅极层7的厚度为150nm。
最后执行步骤S3，利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述本征硅层、栅介质层和栅极层，形成由本征硅、位于所述本征硅表面的栅介质以及位于所述栅介质表面的栅极构成的堆叠结构，所述堆叠结构与所述源极部分交叠、与所述漏极在水平方向上具有一预设距离。
依据预设宽度刻蚀掉所述本征硅层5、栅介质层6及栅极层7的周侧部分，具体地，可采用干法或者湿法刻蚀法刻蚀掉所述本征硅层5、栅介质层6及栅极层7的周侧部分，以在所述顶层硅11表面形成由所述本征硅8、栅介质9及栅极10构成的堆叠结构，如图5所示。更具体地，本实施例中，在用湿法刻蚀工艺刻蚀所述本征硅层5、栅介质层6及栅极层7。过程为：首先在所述栅极层7表面旋涂光刻胶层（未予以图示），图形化光刻胶层形成开口，再对开口下方的本征硅层5、栅介质层6及栅极层7进行湿法刻蚀，从而形成所述堆叠结构。
其中，所述栅介质层6为HfO2或SiO2，但不限于此。
所述栅极10可以为金属栅极、单晶硅或多晶硅，本实施例中，所述栅极10为金属栅极。更进一步地，所述栅极为TiN。
所述本征硅8与前述顶层本征硅4一起作为源极3和漏极2之间载流子流通的沟道。
形成的堆叠结构如图5所示，所述堆叠结构与所述源极3部分交叠、与所述漏极2在水平方向上具有一预设距离，该水平方向指的是图5中的X方向。在X方向上，所述堆叠结构与源极3的交叠区的尺寸为D1，所述堆叠结构与所述漏极2具有一预设距离D2。所述交叠区的尺寸为0＜D1≤1/2Lg；所述预设距离D2的范围为1/4Lg～Lg，其中，Lg为栅极10沿X方向的长度。
由于源极3和堆叠结构之间存在交叠，因此可以增大隧穿的面积，使器件的驱动电流得到提高。
隧穿场效应晶体管的双极性效应是由于在漏端结处也会产生带带隧穿（band-to-bandtunneling）电流，使得亚阈漏电流增大，晶体管的性能退化。本发明由于所述堆叠结构与所述漏极2之间存在一预设距离，可以抑制双极性效应，防止漏端产生隧穿电流，使亚阈漏电流减小，提高器件整体性能。
需要说明的是，形成源极3、漏极2和栅极10后，在SOI衬底表面淀积二氧化硅材料形成绝缘层（未予以图示），然后掩膜曝光刻蚀绝缘层，分别在所述源极3、漏极2和栅极10上形成源极通孔、漏极通孔和栅极通孔（未予以图示），之后还需要用金属铝材料填充通孔形成互连布线。
实施例二
本发明还提供一种隧穿场效应晶体管，用实施例一种提供的所述制备方法制成，所述隧穿场效应晶体管至少包括：
SOI衬底1，所述SOI衬底1包括顶层硅11、埋氧层12和底层硅13；
源极3和漏极2，分别形成于所述顶层硅11两侧；
堆叠结构，形成于所述SOI衬底1上，所述堆叠结构包括本征硅8、位于所述本征硅8表面的栅介质9以及位于所述栅介质9表面的栅极10；所述堆叠结构与所述源极3部分交叠、与所述漏极2在水平方向上具有一预设距离。
形成的堆叠结构如图5所示，所述堆叠结构与所述源极3部分交叠、与所述漏极2在水平方向上具有一预设距离，该水平方向指的是图5中X方向。该X方向上，所述堆叠结构与源极3的交叠区的尺寸为D1，所述堆叠结构与所述漏极2具有一预设距离D2。所述交叠区的尺寸为0＜D1≤1/2Lg；所述预设距离D2的范围为1/4Lg～Lg，其中，Lg为栅极10沿X方向的长度。
由于源极3和堆叠结构之间存在交叠，因此可以增大隧穿的面积，使器件的驱动电流得到提高。
隧穿场效应晶体管的双极性效应是由于在漏端结处也会产生带带隧穿（band-to-bandtunneling）电流，使得亚阈漏电流增大，晶体管的性能退化。本发明由于所述堆叠结构与所述漏极2之间存在一预设距离，可以抑制双极性效应，防止漏端产生隧穿电流，使亚阈漏电流减小，提高器件整体性能。
综上所述，本发明提供一种隧穿场效应晶体管及其制备方法，将包括有本征硅、栅介质和栅极的堆叠结构形成于所述SOI衬底上，使所述堆叠结构与所述源极的交叠，利用所述堆叠结构与源极的交叠，增大隧穿面积，进而增大驱动电流；另外，所述堆叠结构与所述漏极在水平方向上具有一预设距离，通过该预设距离可以抑制隧穿场效应晶体管中的双极性效应，降低亚阈电流。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述隧穿场效应晶体管的制备方法至少包括步骤：
a)提供一具有顶层硅、埋氧层和底层硅的SOI衬底，在所述顶层硅两侧进行离子注入分别形成源极和漏极；
b)在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层；
c)利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述本征硅层、栅介质层和栅极层，形成由本征硅、位于所述本征硅表面的栅介质以及位于所述栅介质表面的栅极构成的堆叠结构，所述堆叠结构与所述源极在水平方向上具有一交叠区，所述交叠区的尺寸范围为大于0Lg且小于等于1/2Lg，所述堆叠结构与所述漏极在水平方向上具有一预设距离，所述预设距离的尺寸范围为1/4Lg～Lg，其中，Lg为栅极长度。
2.根据权利要求1所述的隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述源极为P型重掺杂半导体，所述漏极为N型重掺杂半导体。
3.根据权利要求1所述的隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述源极为N型重掺杂半导体，所述漏极为P型重掺杂半导体。
4.根据权利要求1所述的隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积工艺在所述SOI衬底表面自下而上依次形成本征硅层、栅介质层和栅极层。
5.根据权利要求1所述的隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述埋氧层为SiO2；所述栅介质层为HfO2或SiO2。
6.根据权利要求1所述的隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述栅极为金属栅极、单晶硅或多晶硅。
7.一种隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述隧穿场效应管至少包括：
SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅、埋氧层和底层硅；
源极和漏极，分别形成于所述顶层硅两侧；
堆叠结构，形成于所述SOI衬底上，所述堆叠结构包括本征硅、位于所述本征硅表面的栅介质以及位于所述栅介质表面的栅极；所述堆叠结构与所述源极在水平方向上具有一交叠区，所述交叠区的尺寸范围为大于0Lg且小于等于1/2Lg，所述堆叠结构与所述漏极在水平方向上具有一预设距离，所述预设距离的尺寸范围为1/4Lg～Lg，其中，Lg为栅极长度。
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