CN109980015B - 一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管，属于半导体器件领域，用以增大隧穿场效应晶体管的开态电流。本发明通过将隧穿场效应晶体管的上下栅介质层向源区延伸并部分覆盖到源区，源区一侧的栅介质层表面覆盖金属栅，源区另一侧栅介质表面覆盖偏置电极，偏置电极与该侧金属栅用隔离墙隔离，形成上下非对称的结构，通过对偏置电极外加偏压，或利用偏置电极与金属栅之间金属功函数差值，增强栅电极所覆盖部分的源区上下两侧的垂直于沟道方向的电场，增大了载流子线隧穿的强度，总的载流子隧穿区域与隧穿几率增大，从而有效增大器件的开态电流。

Description

一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及一种隧穿场效应晶体管，具体涉及一种能够有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管。

背景技术

隧穿场效应晶体管(TFET)基于带-带隧穿工作原理，其亚阈值摆幅可以突破MOSFET的亚阈值摆幅理论极限2.3kT/q，该极限值在室温下为60mV/dec。以N型TFET为例，源区为P型重掺杂，沟道区为N型轻掺杂，漏区为N型重掺杂，源极接低电位，漏极接高电位。栅电极上加正电压时，沟道区能带下降，当沟道区导带下降到源区价带以下，隧穿窗口打开，电子可以从源区价带隧穿到沟道区导带；随着栅压继续增大，沟道区导带进一步下降，势垒变薄，载流子隧穿距离减小，隧穿几率增大，隧穿电流增大。

传统的双栅TFET通常为横向结构，源区、沟道区和漏区依次置于同一层，在沟道区上下两侧分别覆盖与沟道长度相同的栅介质层，上下栅介质层表面分别覆盖栅电极。栅介质层和栅电极均上下对称分布，隧穿的主要类型为点隧穿，使得传统双栅TFET载流子隧穿面积比较小，开态电流也比较小。为了提高开态电流，可将上下两侧的栅电极和栅介质层向源区延伸，使它们对称地覆盖部分源区，实现线隧穿。由于上下栅电极对称分布的结构，垂直方向上的电场受到限制，当沟道厚度较小时，不能发生线隧穿，从而限制了隧穿电流。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种能够有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管，通过将隧穿场效应晶体管的栅介质层向源区延伸，使栅介质层部分覆盖源区，源区一侧栅介质层的表面覆盖金属栅，源区另一侧栅介质表面覆盖偏置电极，偏置电极与该侧栅电极用隔离墙隔离，通过对偏置电极外加偏压，或者利用偏置电极与金属栅之间金属功函数差值来增强栅电极所覆盖部分的源区上下两侧的垂直于沟道方向电场，增大载流子的线隧穿强度，总的载流子隧穿区域与隧穿几率增大，从而增大器件的开态电流。

本发明的技术方案为一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管，晶体管包括源区(110)、沟道区(111)、漏区(112)、顶部栅介质层(113)、底部栅介质层(114)、顶部金属栅(115)、底部金属栅(116)、源电极(117)、漏电极(118)、偏置电极(119)和隔离墙(120)。所述源电极(117)、源区(110)、沟道区(111)、漏区(112)、漏电极(118)依次位于同一层，该层上表面放置顶部栅介质层(113)，下表面放置底部栅介质层(114)；所述顶部栅介质层(113)和底部栅介质层(114)覆盖部分源区(110)和全部沟道区(111)，不与漏区(112)接触；所述顶部栅介质层(113)上表面覆盖相等长度的顶部金属栅(115)；所述底部栅介质层(114)下表面依次放置偏置电极(119)、隔离墙(120)、底部金属栅(116)，偏置电极(119)和隔离墙(120)的总长度等于顶部金属栅(115)覆盖于源区(110)上的长度。

进一步的，所述源区(110)、沟道区(111)和漏区(112)的厚度为3nm到10nm，源区材料可为硅、锗、锗硅中的至少一种；漏区材料为硅、砷化镓中的一种。

进一步的，所述顶部栅介质层(113)和底部栅介质层(114)的厚度为1nm到5nm，可为二氧化硅以及其它高介电常数栅介质中的至少一种，隔离墙(120)的长度为5nm到10nm。

进一步的，所述偏置电极(119)的电压按照偏置电极材料不同有两种选择；第一，偏置电极材料和金属栅电极材料相同且都为铝或者铜，需要在偏置电极施加负的偏压实现垂直方向的电场；第二，偏置电极材料和金属栅电极材料不同，金属栅材料为铝或者铜，偏置电极材料为金或者铂，利用偏置电极材料和金属栅电极材料的功函数差可以实现与第一选择类似的电场。

本发明的有益效果在于：

本发明提出一种能够有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管，改变了传统的双栅隧穿场效应晶体管顶部金属栅和底部金属栅均上下对称的结构，通过将栅介质层延伸，使栅介质层部分覆盖源区，并在源区一侧栅介质层的表面覆盖金属栅，同时源区另一侧栅介质层表面覆盖偏置电极，偏置电极和该侧金属栅之间用隔离墙隔离，通过上下非对称的结构，增大了垂直于沟道方向的电场，增大了载流子线隧穿的强度，从而增大了器件的开态电流。相比于栅介质层和金属栅均上下对称的隧穿场效应晶体管，本发明线隧穿的发生不受到沟道区厚度的限制。

以N型双栅隧穿场效应晶体管为例，当背景技术与实施例一中的隧穿场效应晶体管漏极电压为1V，实施例一中偏置电极电压为-1V，在栅极电压同为1V时，本发明开态电流相较于背景技术有明显的提升，开态电流增大一个数量级。

附图说明

图1为实施例一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管的结构示意图；

图2为背景技术隧穿场效应晶体管的结构示意图；

图3为实施例一中隧穿场效应晶体管的隧穿几率示意图；

图4为作为实施例一的背景技术隧穿场效应晶体管的隧穿几率示意图；

图5为实施例一与背景技术在沟道厚度均为5nm时的转移特性曲线对比图；

图6为实施例二与背景技术在沟道厚度均为7nm时的转移特性曲线对比图；

图7为实施例三与背景技术在沟道厚度均为5nm时的转移特性曲线对比图。

具体实施方式

为进一步阐明本发明的目的、技术方案及优势，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。所有实施例中隔离墙的宽度为5nm，该长度根据不同的器件结构参数，可以有适当的变化范围，实施例中的数值具有代表性但不表示唯一值。

实施例一中源区、沟道区和漏区的厚度均为5nm，掺杂浓度分别为1E20cm^-3P型掺杂、1E15cm^-3N型掺杂和5E18cm^-3N型掺杂。源区部分覆盖的金属栅与偏置电极增强了源区垂直方向上的电场，使源区载流子能够发生线隧穿，从而有效增大了开态电流。

实施例二中源区、沟道区和漏区的厚度均为7nm，掺杂浓度分别为1E20cm^-3P型掺杂、1E15cm^-3N型掺杂和5E18cm^-3N型掺杂。用于说明本发明在不同沟道厚度下对开态电流的增大能力。

实施例三中源区、沟道区和漏区的厚度均为5nm，掺杂浓度分别为1E20cm^-3P型掺杂、1E15cm^-3N型掺杂和5E18cm^-3N型掺杂。实施例三的偏置电极的材料为金，其功函数差与栅电极较大，用于说明可利用电极材料之间自身金属功函数差实现与外加偏压相同效果的作用。

图1是实施例一提供的一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管的结构示意图。该晶体管包括源区(110)、沟道区(111)、漏区(112)、顶部栅介质层(113)和底部栅介质层(114)、顶部金属栅(115)和底部金属栅(116)、偏置电极(119)、源电极(117)、漏电极(118)和隔离墙(120)，顶部栅介质层和底部栅介质层覆盖部分源区，栅介质层上再覆盖金属栅和偏置电极以及隔离墙。在实施例一中，源区采用P型掺杂，掺杂浓度为1E20cm^-3，沟道区采用N型掺杂，掺杂浓度为1E15cm^-3，漏区采用N型掺杂，掺杂浓度为5E18cm^-3，且源区、沟道区和漏区材料均为硅，长度均为50nm，厚度均为5nm，栅介质层材料为二氧化铪，对称覆盖沟道和部分源区两侧，厚度为2nm。沟道一侧的栅介质层上全部覆盖有金属栅，另一侧的栅介质层位于沟道区部分覆盖有金属栅，位于源区覆盖部分总长度为30nm，分别覆盖为偏置电极和隔离墙。隔离墙位于金属栅和偏置电极之间，防止金属栅和偏置电极的连通，其长度为5nm；源区的左端设有源电极，漏区的右端设有漏电极。

图2是本发明背景技术的隧穿场效应晶体管的结构示意图。该晶体管包括源区(210)、沟道区(211)、漏区(212)、顶部栅介质层(213)和底部栅介质层(214)、顶部金属栅(215)和底部金属栅(216)、源电极(217)和漏电极(218)。源区采用P型掺杂，掺杂浓度为1E20cm^-3，沟道区采用N型掺杂，掺杂浓度为1E15cm^-3，漏区采用N型掺杂，掺杂浓度为5E18cm^-3，且源区、沟道区和漏区材料均为硅，长度均为50nm，厚度均为5nm；栅介质层材料为二氧化铪，对称覆盖沟道和部分源区两侧，厚度为2nm，栅介质层覆盖源区两侧部分的长度为30nm；顶部金属栅完全覆盖顶部栅介质层，底部金属栅完全覆盖底部栅介质层；源区左端设有源电极，漏区右端设有漏电极。

图3是实施例一中隧穿场效应晶体管的隧穿几率示意图。图中颜色由浅到深的变化表示隧穿几率由大到小的变化，颜色越浅表明隧穿几率越大，浅色区域面积越大表明载流子可以发生隧穿的面积越大。源区、沟道区和漏区材料均为硅，长度均为50nm，厚度均为5nm。此时器件电压偏置条件如下：源电极为0V，漏电极为1V，金属栅电极为1V，偏置电极为-1V。

图4是背景技术双栅隧穿场效应晶体管的隧穿几率示意图。图中颜色由浅到深的变化表示隧穿几率由大到小的变化，颜色越浅表明隧穿几率越大，浅色区域表明载流子可以发生隧穿。源区、沟道区和漏区材料均为硅，长度均为50nm，厚度均为5nm。此时器件电压偏置条件如下：源电极为0V，漏电极为1V，金属栅电极为1V。对比图4和图3，实施例一的载流子隧穿几率示意图中的浅色区域面积大于背景技术的载流子隧穿几率示意图中的浅色区域面积，表明实施例一的载流子隧穿面积大于背景技术的载流子隧穿面积。

图5是实施例一与背景技术在沟道厚度均为5nm时的转移特性曲线对比图。实施例一的源电极电压为0V，漏电极电压为1V，偏置电极的电压为-1V，图中横坐标为栅极电压，从0V变化到1V，纵坐标为漏极电流。对比图5中背景技术器件的电流曲线和本发明实施例一中的电流曲线可知，本发明的新型器件结构在沟道厚度为5nm时能有效增大隧穿场效应晶体管的开态电流，当栅源电压为1V时，实施例一的开态电流相较于背景技术提升了一个数量级。

图6是实施例二与背景技术在沟道厚度均为7nm时的转移特性曲线对比图。实施例二的源电极电压为0V，漏电极电压为1V，偏置电极的电压为-1V，图中横坐标为栅极电压，从0V变化到1V，纵坐标为漏极电流。对比图6中背景技术器件的电流曲线和实施例二的电流曲线可知，本发明的新型器件结构在沟道厚度为7nm时能有效增大隧穿场效应晶体管的开态电流，当栅源电压为1V时，实施例二的开态电流相较于背景技术提升了数倍。

图7为实施例三与背景技术在沟道厚度均为5nm时的转移特性曲线对比图。图中实施例三的偏置电极材料为金，栅极电压从0V变化到1V，源电极为0V，漏电极为1V，实施例三中偏置电极没有外加偏压。利用偏置电极与金属栅之间金属功函数差值来增强栅电极覆盖源区上下两侧的垂直方向电场，达到与外加偏压相同的效果。对比图中背景技术器件的电流曲线和实施例三的电流曲线可知，实施例三的开态电流相较于背景技术有明显提升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管，晶体管包括源区(110)、沟道区(111)、漏区(112)、顶部栅介质层(113)、底部栅介质层(114)、顶部金属栅(115)、底部金属栅(116)、源电极(117)、漏电极(118)、偏置电极(119)和隔离墙(120)；所述源电极(117)、源区(110)、沟道区(111)、漏区(112)、漏电极(118)依次位于同一层；该层上表面放置顶部栅介质层(113)，下表面放置底部栅介质层(114)，所述顶部栅介质层(113)覆盖部分源区(110)和全部沟道区(111)的一侧，不与漏区(112)接触，顶部栅介质层(113)上表面覆盖相等长度的顶部金属栅(115)；所述底部栅介质层(114)覆盖部分源区(110)和全部沟道区(111)的另一侧，不与漏区(112)接触，底部栅介质层(114)下表面依次设置偏置电极(119)、隔离墙(120)、底部金属栅(116)；

其特征在于，栅介质层对称覆盖沟道区和部分源区两侧，沟道区一侧的栅介质层上全部覆盖有金属栅；另一侧的栅介质层位于沟道区部分覆盖有金属栅，其余部分覆盖为偏置电极和隔离墙；隔离墙位于金属栅和偏置电极之间；

所述晶体管的顶部结构与底部结构可以调换位置，源区、沟道区以及漏区的厚度为3nm到10nm；偏置电极与隔离墙的总长度不超过源区的长度；对于偏置电极的材料与金属栅电极材料都为铝或者铜的情况，偏置电极需要外加负的偏压；对于金属栅电极材料为铝或者铜而偏置电极材料为金或者铂的情况，利用偏置电极与金属栅电极材料之间的金属功函数差实现类似外加偏压的垂直电场；

所述晶体管的顶部栅介质层和底部栅介质层采用二氧化硅或者二氧化铪的至少一种，厚度为1nm到5nm，隔离墙的长度为5nm到10nm；

所述源区材料可为硅、锗、锗硅中的至少一种；漏区材料为硅、砷化镓中的一种。

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