内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管制造技术

本发明专利技术涉及一种高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，对比同尺寸MOSFETs或TFETs，利用隧穿绝缘层阻抗与隧穿绝缘层内电场强度之间极为敏感的相互关系实现更好的转移特性；避免了由于栅电极和漏电极之间或栅电极和源电极之间的距离不断缩小而导致的栅源、源栅、栅漏以及漏栅之间寄生电容的明显增大，使器件在保证高转移特性的同时明显降低寄生电容；且由于不存在MOSFETs或TFETs所具有的栅极至漏极重叠区，因此不会引发明专利技术显的反向泄漏电流。本发明专利技术还提出了一种高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管的具体制造方法。该晶体管显著改善了纳米级集成电路单元的工作特性，适用于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿増强晶体管
: 本专利技术涉及超大规模集成电路制造领域，涉及一种适用于高性能超高集成度集成电路制造的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管。
技术介绍
: 当前，集成电路单元金属氧化物半导体场效应晶体管(10--?)器件沟道长度的不断缩短导致了器件转移特性的下降。亚阈值摆幅随着沟道长度的减小而增大，静态功耗明显增加。虽然通过改善栅电极结构的方式可使这种器件性能的退化有所缓解，但当器件尺寸进一步缩减时，器件的转移特性会重新恶化。 另一方面，随着器件尺寸的不断减小，漏电极与栅电极之间的距离、或源电极与栅电极之间的距离也随之不断减小，这就使得器件的栅源、源栅、栅漏以及漏栅寄生电容显著增大，使集成电路的功耗增大，使信号的传播时延及负反馈增大，并影响增益带宽乘积。 隧穿场效应晶体管(11--)，对比于10--?器件的转移特性，虽然其平均亚阈值摆幅有所提升，然而其正向导通电流过小，且由于尺寸缩小所产生的寄生电容，对比108？218并无改善。 通过引入化合物半导体、锗化硅或锗等禁带宽度更窄的材料来生成为1而18的隧穿部分，可增大隧穿几率以提升转移特性，然而增大了生产成本，也增加了工艺难度。此外，采用高介电常数绝缘材料作为栅极与衬底之间的绝缘介质层，虽然能够改善栅极对沟道电场分布的控制能力，却不能从本质上提高硅材料的隧穿几率，因此对于了？价8的转移特性改善很有限。 此外，由于和10--?器件都是通过栅电极电场效应对栅极绝缘层及半导体内部的电场、电势及载流子分布进行控制，为了提升栅电极对半导体内部的控制能力，需采用高介电常数和不断减薄的栅极绝缘层来加强栅电极的控制能力，但同时也缩短了栅电极和漏区、栅电极和源区之间的距离，使得栅极和漏极重合区域处在栅极反向偏置时会产生较大的栅极致漏极泄漏(￠101)电流或栅极致源极泄漏￠131)电流。
技术实现思路
: 专利技术目的 为在兼容现有基于硅工艺技术的前提下显著提升纳米级集成电路基本单元器件的转移特性，确保器件在降低亚阈值摆幅的同时具有良好的正向电流导通特性，彻底解决由于器件尺寸不断缩小所导致的寄生电容明显增大的问题，并显著降低器件的反向泄漏电流，本专利技术提供一种适用于高性能、高集成度集成电路制造的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管。 技术方案 本专利技术是通过以下技术方案来实现的: 高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，采用只包含单晶硅衬底1的体硅晶圆作为生成器件衬底，或采用同时包含单晶硅衬底I和晶圆绝缘层2的SOI晶圆作为生成器件的衬底；发射区3、基区4和集电区5位于体硅晶圆的单晶硅衬底I或SOI晶圆的晶圆绝缘层2的上方；发射极9位于发射区3的上方；集电极10位于集电区5的上方；导电层6内嵌于基区4内，并被基区4三面包围；隧穿绝缘层7内嵌于导电层6内，并被导电层6)三面包围；栅电极8内嵌于隧穿绝缘层7内，并被隧穿绝缘层7三面包围；阻挡绝缘层11位于器件单元之间和各电极之间，对各器件单元之间和各电极之间起隔离作用。 发射极9与集电极10之间通过阻挡绝缘层11隔离；发射区3与集电区5之间通过阻挡绝缘层11隔离。 为达到本专利技术所述的器件功能，本专利技术提出高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其核心结构特征为: 栅电极8、隧穿绝缘层7和导电层6均内嵌于基区4内，只有上表面与阻挡绝缘层11接触。 栅电极8与发射区3之间依次夹有隧穿绝缘层7、导电层6和基区4 ; 栅电极8与集电区4之间依次夹有隧穿绝缘层7、导电层6和基区4 ; 栅电极8是控制隧穿绝缘层7产生隧穿效应的电极，是控制器件开启和关断的电极。 隧穿绝缘层7为用于产生栅绝缘层隧穿电流的绝缘层。 导电层6与基区4形成欧姆接触，是金属材料，或者是同基区4具有相同杂质类型的、且掺杂浓度大于1018每立方厘米的半导体材料。 发射区3与基区4之间、集电区5与基区4之间具有相反杂质类型、且发射区3与发射极9之间形成欧姆接触、集电区3与集电极10之间形成欧姆接触。 高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，以N型为例，发射区3、基区4和集电区5分别为N区、P区和N区，其具体的工作原理为:当集电极10正偏，且栅电极8处于低电位时，栅电极8与导电层6之间没有形成足够的电势差，此时隧穿绝缘层7处于高阻状态，没有明显隧穿电流通过，因此使得基区4和发射区3之间无法形成足够大的基区电流来驱动高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，即器件处于关断状态；随着栅电极8电压的逐渐升高，栅电极8与导电层6之间的电势差逐渐增大，使得位于栅电极8与导电层6之间隧穿绝缘层7内的电场强度也随之逐渐增大，当隧穿绝缘层7内的电场强度位于临界值以下时，隧穿绝缘层7依然保持良好的高阻状态，栅电极和发射极之间的电势差几乎完全降在隧穿绝缘层7的内壁和外壁两侧之间，也就使得基区和发射区之间的电势差极小，因此基区几乎没有电流流过，器件也因此保持良好的关断状态，而当隧穿绝缘层7内的电场强度位于临界值以上时，隧穿绝缘层7会由于隧穿效应而产生明显的隧穿电流，并且隧穿电流则会随着栅电极8电势的增大以极快的速度陡峭上升，这就使得隧穿绝缘层7在栅电极极短的电势变化区间内由高阻态迅速转换为低阻态，当隧穿绝缘层7处于低阻态，此时隧穿绝缘层7在栅电极8和导电层6之间所形成的电阻要远小于导电层6和发射极3之间所形成的电阻，这就使得基区4和发射区3之间形成了足够大的正偏电压，并且在隧穿效应的作用下，在隧穿绝缘层7的内壁和外壁之间产生大量电子移动，即为基区4提供电流源，基区4电流经发射区3增强后由集电极流出，此时器件处于开启状态； 优点及效果 本专利技术具有如下优点及有益效果: 1.高转移特性 高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，利用隧穿绝缘层阻抗与隧穿绝缘层内电场强度之间极为敏感的相互关系，通过对内嵌于基区4的隧穿绝缘层7选取适当的隧道绝缘材料，并对内嵌的深度、隧穿绝缘层7的厚度进行适当调节，就可以隧穿绝缘层7在栅电极极小的电势变化区间内实现高阻态和低阻态之间的转换，且其通过隧穿绝缘层7上产生的隧穿电流作为引发发射集流出的大量电子电流的驱动电流，与普通1？价8只是利用少量的半导体带间隧穿电流作为器件的导通电流相比，具有更好的正向电流导通特性，基于上述原因，对比于普通结构的103？218、1？218或普通的双极晶体管，高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，可以实现更高的转移特性。 2.低寄生电容特性 高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，对比于10--?或发射极9和源电极的作用相当，集电极10和漏电极的作用相当，由于栅电极8、隧穿绝缘层7以及导电层6均内嵌于基区4的内部，只有上表面与阻挡绝缘层11相接触并远离发射极9和集电极10，这就避免了如同10--?或则那样的由于栅电极和漏电极之间或栅电极和源电极之间的距离不断缩小而导致的栅源、源栅、栅漏以及漏栅之间寄生电容的明显增大，使器件在保证高转移特性的同时，降低了同尺寸下10--?或所产生的寄生电容。 3.低反向泄漏电流 高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，由于栅电极8与发本文档来自技高网...

【技术保护点】
高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于：采用只包含单晶硅衬底(1)的体硅晶圆作为生成器件衬底，或采用同时包含单晶硅衬底(1)和晶圆绝缘层(2)的SOI晶圆作为生成器件的衬底；发射区(3)、基区(4)和集电区(5)位于体硅晶圆的单晶硅衬底(1)或SOI晶圆的晶圆绝缘层(2)的上方；发射极(9)位于发射区(3)的上方；集电极(10)位于集电区(5)的上方；导电层(6)内嵌于基区(4)内，并被基区(4)三面包围；隧穿绝缘层(7)内嵌于导电层(6)内，并被导电层(6)三面包围；栅电极(8)内嵌于隧穿绝缘层(7)内，并被隧穿绝缘层(7)三面包围；阻挡绝缘层(11)单个高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管的上方。

【技术特征摘要】
1.高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:采用只包含单晶硅衬底(1)的体硅晶圆作为生成器件衬底，或采用同时包含单晶硅衬底(1)和晶圆绝缘层(2)的SOI晶圆作为生成器件的衬底；发射区(3)、基区(4)和集电区(5)位于体硅晶圆的单晶硅衬底(1)或SOI晶圆的晶圆绝缘层(2)的上方；发射极(9)位于发射区(3)的上方；集电极(10)位于集电区(5)的上方；导电层(6)内嵌于基区⑷内，并被基区⑷三面包围；隧穿绝缘层⑵内嵌于导电层(6)内，并被导电层(6)三面包围；栅电极⑶内嵌于隧穿绝缘层(7)内，并被隧穿绝缘层(7)三面包围；阻挡绝缘层(11)单个高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管的上方。2.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:发射极(9)与集电极(10)之间通过阻挡绝缘层(11)隔离；发射区⑶与集电区(5)之间通过阻挡绝缘层(11)隔离。3.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:栅电极⑶、隧穿绝缘层(7)和导电层(6)均内嵌于基区⑷内，只有上表面与阻挡绝缘层(11)接触。4.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:栅电极⑶与发射区⑶之间依次夹有隧穿绝缘层(7)、导电层(6)和基区(4)。5.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:栅电极⑶与集电区(5)之间依次夹有隧穿绝缘层(7)、导电层(6)和基区(4)。6.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:栅电极(8)是控制隧穿绝缘层(7)产生隧穿效应的电极，是控制器件开启和关断的电极。7.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:隧穿绝缘层(7)为用于产生栅绝缘层隧穿电流的绝缘层。8.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生电容内嵌栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:导电层(6)与基区(4)形成欧姆接触，导电层(6)是金属材料或者是同基区(4)具有相同杂质类型的、且掺杂浓度大于1018每立方厘米的半导体材料。9.根据权利要求1所述的高转移特性低寄生...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳晓诗，刘溪，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21