一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管制造技术

本发明专利技术属于超大规模集成电路领域中逻辑器件与电路领域，具体为一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管。本发明专利技术通过在源区与漏区之间设置低K介质区将两者隔离，本征区设于源区之上，使本征区与漏区不直接相连，并在两者之间设有一层导电通道，导电通道位于低K介质区之上。本发明专利技术的结构减弱了传统的横向TFET的双极性效应。由于低K介质的使用，减少了漏区到本征区的接触，减弱了双极性效应，利于器件的彻底关断。利用低K介质与高K侧墙增大隧穿结区域的电场。采用高介材料的侧墙(钝化层)来增大TFET的开态电流。本发明专利技术减弱了TFET的双极性效应，增大了开态电流，且与CMOS工艺兼容，低成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超大规模集成电路领域中逻辑器件与电路领域，涉及一种小尺寸增加开态电流的纵向隧穿TFET器件，具体为一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管。
技术介绍
随着光刻，注入等工艺技术的进步，芯片的集成度越来越高，功耗密度也随之增大；而且，MOSFET器件的特征尺寸越来越小，短沟效应、GIDL(栅致漏极泄漏电流)变得严重，进一步使关态电流增大。因此，功耗问题的解决直接影响到芯片集成度的提高。寻找漏电小的器件结构是解决集成电路静态功耗问题的最直接的办法，比如I-MOS(碰撞电离MOSFET)、TFET。理论上，TFET器件比传统MOS器件具有更低的关态电流，更小的亚阈值摆幅，并且与传统的CMOS工艺相兼容，这些特点使得TFET应用在未来的集成电路中极具吸引力。TFET(隧穿场效应晶体管)是基于量子力学原理工作的，不同于普通的MOSFET器件依靠载流子的扩散漂移，TFET器件主要依靠带-带隧穿原理工作。通过栅压改变本征区的能带结构，使得载流子能够穿过源区与本征区的势垒。N型TFET，源区接低电位，漏接高电位，栅压增大，可发生电子从源区隧穿到本征区。P型TFET，源区接高电位，漏接低电位，栅压向负方向移动，可发生源区空穴往本征区隧穿。基于隧穿的物理本质，可实现亚阈值摆幅低于MOS的理论极限60mV/dec，而且TFET在关断状态时栅控隧穿消失，仅剩下反偏PIN二极管的漏电，即关态电流非常低。显然，TFET的这种特性有利于其构成的集成电路功耗的降低。然而，与传统的MOSFET器件相比，TFET的开态电流要小的多，这将会给由TFET器件构成的电路带来极大的延迟，不利于大规模集成，导致其应用受到很大的局限。目前，研究人员依据TFET的工作机理，提出了多种解决TFET开态电流过低的方法：1，采用窄禁带材料(相对于Si的禁带宽度)降低隧穿势垒高度，增加带带隧穿几率，继而增加开态电流。图1为一种采用窄禁带材料的TFET结构,包括源区1、本征区2、漏区3、栅氧化层4、源电极5、栅电极6、漏电极7、衬底埋氧8、衬底电极，其中漏区3、本征区2与源区1均为SiGe(禁带宽度随Ge的组分升高而下降)材料，虽然窄禁带材料的使用大量增加开态电流，但是采用窄禁带材料会增加本证载流子浓度，增加关态电流。2，利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体异质结特性降低隧穿有效势垒高度，进而提高隧穿几率，并且，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的禁带宽度可以通过组分调整得到改变。图2是一种采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的双栅TFET结构，包括源区1，本征区2，漏区3，栅氧化层4，栅电极5。其中源区1材料为GaAs0.4Sb0.6,本征区2与漏区3材料为In0.65Ga0.35As，此时，衬底一般需要Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体缓冲层，导致该类型的器件制作与传统的CMOS工艺线不兼容，成本很高。3，采用纵向隧穿方式，增加栅压控制隧穿面积，继而提高开态电流。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为减弱双极性效应，增大开态电流，与CMOS工艺兼容，降低成本。本专利技术提供了一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管(TFET)。具体技术方案如下：一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管，器件结构如图3，包括源区、漏区、栅氧化层、源电极、栅电极、漏电极、侧墙、本征区。源区与漏区之间设有低K介质区将两者隔离，本征区位于源区之上，且在本征区与漏区不直接相连，两者之间设有一层导电通道；导电通道位于低K介质区之上。源区掺杂浓度1×1018cm-3～1×1020cm-3，漏区掺杂浓度1×1018～1×1019cm-3，导电通道掺杂浓度不超过1×1013cm-3。所述侧墙设置于栅电极两侧，其介电常数高于SiO2的介电常数。所述低K介质是指介电常数低于器件有源区介电常数的材料，且为绝缘介质。源区不出现绝缘介质。所述源区载流子隧穿到本征区经导电通道输运至漏区。进一步的，所述导电通道为多晶硅，其长度不超过0.1um。本征区的厚度不超过5nm。源区、本征区和漏区的材料为Ge、Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ化合物或Si。低K介质区13采用真空或SiO2。进一步的，对于N型TFET，源区P型重掺杂，漏区N型重掺杂，此外，源电极接低电位，漏电极接高电位，栅电极接正压确保N型TFET处于正常开启的工作状态。进一步的，对于P型TFET，源区N型重掺杂，漏区P型重掺杂，源电极接高电位，漏电极接低电位，栅电极接负压确保P型TFET处于正常开启的工作状态。本专利技术中，低K介质的使用可以增大源区与本征层之间电场，继而缩短隧穿距离，增大了隧穿几率，从而提高开态电流。与此同时，侧墙采用高K介质同样能够增大源区与本征区之间电场，与低K介质使用目的一致。本专利技术的结构减弱了传统的横向TFET的双极性效应，双极性效应表示在不同栅压下，不同类型的载流子工作在本征区，不利于器件的关断。横向N型TFET在正栅压下，电子由源区向本征区隧穿，在负栅压下，本征区的电子往漏区隧穿，留下空穴。由于低K介质的使用，减少了漏区到本征区的接触，大大减弱了双极性效应，更有利于器件的彻底关断。本专利技术利用低K介质与高K侧墙增大隧穿结区域的电场，进而提高开态电流的同时抑制器件的部分关态漏电路径，从而得到较大的开态电流与极低的关态电流。通过采用介电常数高的材料做侧墙(钝化层)来增大TFET的开态电流，工艺实现简单。与现有的TFET器件基本结构相比，仅需把中间的本征区换成绝缘的低K介质，侧墙使用高K介质，虽然增加了工艺的复杂程度，但是可以大量的提高开态电流，并且与传统的CMOS工艺兼容，成本较低。综上所述，本专利技术减弱了TFET的双极性效应，增大了开态电流，且与CMOS工艺兼容，低成本。附图说明图1为源区、本征区、漏区采用窄禁带材料SiGe的横向TFET器件剖面图；图2为源区、本征区，漏区采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的双栅TFET器件剖面图；图3为本专利技术剖面示意图；图4为实施例的TFET器件剖面图；图5为低K介质区13采用三种不同介电常数材料对应的转移特性曲线图；图6为侧墙采用三种不同介电常数材料对应的转移特性曲线图；附图标记：1—源区，2—本征区，3—漏区，4—栅氧化层，5—源电极，6—栅电极，7—漏电极，8—衬底埋氧，9—衬底电极，10—侧墙，11—多晶硅，12—本征区，13—低K介质区。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。实施例1本实施例是针对图3所示的增加开态电流TFET器件结构，以制作在Si材料上的N型TFET为例，制作绝缘低K介质分别采用SiO2、Si、真空三种该结构的N型TFET，相对介电常数分别是3.9、11.5、1,高K侧墙采用相对介电常数为22的HfO2。图5给出这三种不同介电常数下相应的转移特性曲线，可以知道介电常数越小，开态电流越大，即低K绝缘介质可以显著增加TFET的开态电流。实施例包括源区1、漏区3、栅氧化层4、源电极5、栅电极6、漏电极7、侧墙10、多晶硅11，本征区12、低K介质区13。首先选取(100)晶面的体硅进行外延，利用离子注入技术分别对源区注入B与对漏区注入P，获得P++源区与N+漏区。其次，对低K介质区进行刻蚀，再进行CVD淀积SiO2，接着在上面外延一层5nm厚的本征Si。若低K介质区是真空，则在刻蚀后不必填充材料。对于不含低K介质区，即依本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、漏区、栅氧化层、源电极、栅电极、漏电极、侧墙、本征区，其特征在于：源区与漏区之间设有低K介质区将两者隔离，本征区位于源区之上，且在本征区与漏区不直接相连，两者之间设有一层导电通道；导电通道位于低K介质区之上；源区掺杂浓度1×1018cm‑3～1×1020cm‑3，漏区掺杂浓度1×1018～1×1019cm‑3，导电通道掺杂浓度不超过1×1013cm‑3；侧墙设置于栅电极两侧，其介电常数高于SiO2的介电常数；所述低K介质是指介电常数低于器件有源区介电常数的材料，且为绝缘介质；源区载流子隧穿到本征区经导电通道输运至漏区。

【技术特征摘要】
1.一种增加开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、漏区、栅氧化层、源电极、栅电极、漏电极、侧墙、本征区，其特征在于：源区与漏区之间设有低K介质区将两者隔离，本征区位于源区之上，且在本征区与漏区不直接相连，两者之间设有一层导电通道；导电通道位于低K介质区之上；源区掺杂浓度1×1018cm-3～1×1020cm-3，漏区掺杂浓度1×1018～1×1019cm-3，导电通道掺杂浓度不超过1×1013cm-3；侧墙设置于栅电极两侧，其介电常数高于SiO2的介电常数；所述低K介质是指介电常数低于器件有源区介电常数的材料，且为绝缘介质；源区载流子隧穿到本征区经导电通道输运至漏区。2.如权利要求1所述增加开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于：所述导电通道为多晶硅。3.如权利要求2所述增加开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于：所述多晶硅的长度不超过0.1um。4.如权利要求1所述增加开态...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向展，曹建强，马阳昊，夏琪，李竟春，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51