隧穿场效应晶体管及其形成方法技术

本发明专利技术提供了一种隧穿场效应晶体管，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有鳍；第一栅极和第二栅极，分别形成在所述鳍两侧的半导体衬底之上，在所述第一栅极与鳍的第一侧面及半导体衬底之间，以及在所述第二栅极与鳍的第二侧面及半导体之间具有栅介质层；第一掺杂区和第二掺杂区，分别位于第一栅极和第二栅极一侧的半导体衬底中。本发明专利技术通过控制鳍的宽窄来实现窄隧穿结，提高了隧穿电流，并通过增大有效隧穿面积进一步提高导通电流。此外，还可以抑制与缺陷相关的漏电流，改善器件的亚阈值特性。

【技术实现步骤摘要】
隧穿场效应晶体管及其形成方法
本专利技术涉及半导体器件领域，特别涉及一种隧穿场效应晶体管及其形成方法。
技术介绍
随着器件尺寸的不断缩小，单位面积芯片上的器件数目越来越多，如何降低功耗成为日益突出的问题。常规的隧穿场效应晶体管(conventional-TFET)的结构主要包括衬底(沟道)、栅介质层、栅极以及栅极两侧的源/漏区，它主要基于量子隧穿效应工作的，以P型隧穿场效应晶体管为例，在栅极上施加负电压，沟道区的电势升高，源区到沟道区发生量子隧穿，隧穿产生的电子和空穴从源区和漏区流出。对于常规的隧穿场效应晶体管，其亚阈值摆幅(SS)可以小于60meV/dec,为降低功耗提供一种途径。但为了降低亚阈值摆幅和提高导通电流，需要隧穿结越窄越好，但现有结构的隧穿场效应晶体管，在注入和热处理过程总会引起杂质的扩散分布，很难实现窄的隧穿结。此外，在常规的隧穿场效应晶体管中，源漏区都是高掺杂，掺杂势必会引入缺陷，与这些缺陷相关的漏电流会破坏亚阈值摆幅的降低。而且，常规的隧穿场效应晶体管具有在正负栅电压下都能开启的双极特性，会导致器件难以完全关断。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在解决上述技术缺陷，提供一种隧穿场效应晶体管及其制造方法。本专利技术提供了一种隧穿场效应晶体管，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有鳍；第一栅极和第二栅极，分别形成在所述鳍两侧的半导体衬底之上，在所述第一栅极与鳍的第一侧面及半导体衬底之间，以及在所述第二栅极与鳍的第二侧面及半导体衬底之间具有栅介质层；第一掺杂区和第二掺杂区，分别位于第一栅极和第二栅极一侧的半导体衬底中。可选地，第一掺杂区和第二掺杂区分别位于第一栅极一侧之下和第二栅极一侧之下的半导体衬底中。可选地，所述第一掺杂区和第二掺杂区分别位于第一栅极和第二栅极侧面的半导体衬底中，第一掺杂区与第一栅极之间以及第二掺杂区与第二栅极之间具有栅介质层，所述第一栅极和所述第二栅极部分埋入半导体衬底中。可选地，鳍的宽度小于10nm。此外，本专利技术还提供了一种隧穿场效应晶体管的形成方法，包括步骤：提供半导体衬底；在半导体衬底上形成鳍；在鳍的两侧壁以及鳍两侧的半导体衬底上形成栅介质层；在鳍两侧的栅介质层上分别形成第一栅极和第二栅极；在第一栅极和第二栅极一侧的衬底中分别形成第一掺杂区和第二掺杂区。可选地，形成鳍的步骤包括：在半导体衬底上形成图案化的牺牲层；在牺牲层的侧壁形成鳍盖层；去除牺牲层；以鳍盖层为掩蔽，去除部分的半导体衬底，以形成鳍。可选地，形成鳍之后的步骤包括：在鳍的两侧壁以及两侧的部分半导体衬底上形成栅介质层；在栅介质层上、鳍的两侧壁形成栅极盖层，在栅介质层上、栅极盖层的侧壁形成间隙层；在间隙层两侧的半导体衬底中分别形成第一掺杂区和第二掺杂区；去除栅极盖层，并填充形成第一栅极和第二栅极。可选地，形成鳍、栅介质层以及第一栅极、第二栅极的步骤具体包括：在半导体衬底上形成鳍盖层，以及在鳍盖层的两侧壁形成第一栅盖层和第二栅盖层，以及覆盖第一栅盖层和第二栅盖层侧的半导体衬底形成掺杂区盖层；去除第一栅盖层和第二栅盖层以及其下的部分半导体衬底，形成第一开口和第二开口，以及在鳍盖层下形成鳍；在第一开口和第二开口的侧壁形成栅介质层，并进行填充，以形成第一栅极和第二栅极。可选地，形成鳍盖层、第一栅盖层和第二栅盖层和掺杂区盖层的步骤具体包括：在半导体衬底上形成图案化的牺牲层；在牺牲层的侧壁形成鳍盖层；在鳍盖层的侧壁形成第一栅盖层；在第一栅盖层侧的衬底上形成第一掺杂区盖层；去除牺牲层；在鳍盖层的另一侧壁上形成第二栅盖层；覆盖第二栅盖层一侧的半导体衬底，以形成第二掺杂区盖层。可选地，在形成第一栅盖层与形成第一掺杂区盖层的步骤之间，在第一栅盖层侧的衬底内形成第一掺杂区；在形成第二盖层与形成第二掺杂区盖层的步骤之间，在第二栅盖层侧的衬底内形成第二掺杂区。本专利技术实施例提供的隧穿场效应晶体管，通过在鳍的两侧形成栅极，构成了一种双栅器件。该结构的隧穿场效应晶体管可通过控制鳍的宽窄来实现不受杂质注入扩散限制的窄隧穿结，提高了隧穿电流，并通过增大有效隧穿面积进一步提高导通电流。同时，本专利技术的晶体管结构，其隧穿发生于鳍沟道区中，由于隧穿层是非掺杂或低掺杂的，因此可降低与缺陷相关的漏电流，从而改善器件的亚阈值特性。此外，由于采用双栅控制，因此能更好控制双极导通特性，实现器件关断。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1-图14示出了根据本专利技术第一实施例的隧穿场效应晶体管的各个形成阶段的示意图；图15-图24示出了根据本专利技术第二实施例的隧穿场效应晶体管的各个形成阶段的示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术旨在提出一种新的隧穿场效应晶体管结构，以克服现有的隧穿场效应晶体管结构难以实现窄的隧穿结。参考图14所示，所述隧穿场效应晶体管包括：半导体衬底100，所述半导体衬底上形成有鳍110；第一栅极150和第二栅极152，分别形成在所述鳍两侧的半导体衬底之上，在所述第一栅极150与鳍110的第一侧面及半导体衬底100之间，以及在所述第二栅极152与鳍110的第二侧面及半导体衬底100之间具有栅介质层140；第一掺杂区130和第二掺杂区132，分别位于第一栅极150和第二栅极152一侧的半导体衬底100中。本专利技术的隧穿场效应晶体管为鳍式晶体管，在本专利技术的隧穿场效应晶体管结构中，在鳍的两个相对的侧面上形成栅极，这样形成了一种双栅器件。在两侧栅极上施加不同电压，鳍的两侧面处于不同的电势，当此电势差大于沟道材料的禁带宽度，导带和价带间发生量子隧穿。隧穿产生的载流子(电子和空穴)通过源和漏流出，从而形成导通回路。该结构的隧穿场效应晶体管可通过控制鳍的宽窄来实现不受杂质注入扩散限制的窄隧穿结，提高了隧穿电流，并通过增大有效隧穿面积进一步提高导通电流。此外，由于本专利技术的晶体管的隧穿区可不掺杂或仅低掺杂，从而大幅降低与缺陷相关的电流，能实现更低的亚阈值摆幅。在本专利技术实施例中，鳍110的宽度可以控制在大约10nm或更窄，以实现窄的隧穿结。所述鳍110优选为带隙小的材料，例如可以为单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、硅锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其他化合物半导体。在本专利技术实施例中，所述鳍由SOI(绝缘体上硅)衬底的部分顶层硅形成。所述栅介质层140可以为氧化硅、氮氧化硅或高k介质材料等，高k介质材料例如铪基氧化物，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO等，以及其他高k材料，例如La2O3，TiO2等。所述栅介质层可以为一层或多层结构，第一和第二栅极可以包括金属栅电极或多晶硅等，例如可以包括：Ti、TiAlx、TiN、TaNx、HfN、TiCx、TaCx、HfCx、Ru、TaNx、TiAlN、WCN、MoAlN、RuOx、多晶硅或其他合适的材料，或它们的组合。第一掺杂区130和第二掺杂区132为源极区或漏极区，对于N型器件，漏极区为N型重掺杂，源极区为P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧穿场效应晶体管，其特征在于，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有鳍；第一栅极和第二栅极，分别形成在所述鳍两侧的半导体衬底之上，在所述第一栅极与鳍的第一侧面及半导体衬底之间，以及在所述第二栅极与鳍的第二侧面及半导体衬底之间具有栅介质层；第一掺杂区和第二掺杂区，分别位于第一栅极和第二栅极一侧的半导体衬底中。

【技术特征摘要】
1.一种隧穿场效应晶体管，其特征在于，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有鳍；第一栅极和第二栅极，分别形成在所述鳍两侧的半导体衬底之上，在所述第一栅极与鳍的第一侧面及半导体衬底之间，以及在所述第二栅极与鳍的第二侧面及半导体衬底之间具有栅介质层；第一掺杂区和第二掺杂区，分别位于第一栅极和第二栅极一侧的半导体衬底中；所述第一掺杂区和第二掺杂区分别位于第一栅极和第二栅极侧面的半导体衬底中，第一掺杂区与第一栅极之间以及第二掺杂区与第二栅极之间具有栅介质层，所述第一栅极和所述第二栅极部分埋入半导体衬底中。2.根据权利要求1所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，鳍的宽度小于10nm。3.一种隧穿场效应晶体管的形成方法，其特征在于，包括步骤：提供半导体衬底；在半导体衬底上形成鳍；在鳍的两侧壁以及鳍两侧的半导体衬底上形成栅介质层；在鳍两侧的栅介质层上分别形成第一栅极和第二栅极；在第一栅极一侧和第二栅极一侧的衬底中分别形成第一掺杂区和第二掺杂区；形成鳍、栅介质层以及第一栅极、第二栅极的步骤具体包括：在半导体衬底上形成鳍盖层，以及在鳍盖层的两侧壁形成第一栅盖层和第二栅盖层，以及覆盖第一栅盖层和第二栅盖层两侧的半导体衬底形成掺杂区盖层；去除第一栅盖层和第二栅盖层以及其下的部分半导体衬底，形成第一开口和第二开口，以及在鳍盖层下形成鳍；在第一开口和第二开口的侧壁形成栅介...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱正勇，朱慧珑，许淼，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11