一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管制造技术

一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管，属于超大规模集成电路中的逻辑器件与电路领域。本发明专利技术隧穿场效应晶体管在源区顶部通过InN或InxGa1‑xN材料形成极化隧穿层，利用InN或InxGa1‑xN的极化效应形成极化电场，增强了源区向极化隧穿区的载流子隧穿能力，提高了开态下的隧穿电流；由于关态下外延本征区的导带不变，载流子无法越过势垒漂移扩散至该区域，有效降低了器件的关态电流；外延本征区以及极化隧穿区的厚度都可以做到5nm及以上，有利于工艺的实现。本发明专利技术隧穿场效应晶体管在保证低的关态电流的前提下，有效提升了器件的开态电流，且降低了工艺难度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超大规模集成电路中的逻辑器件与电路领域，具体涉及一种可提高开态电流的小尺寸隧穿场效应晶体管(TFET)。
技术介绍
在摩尔定律的指导下，微处理器的集成度不断提高，推动了逻辑开关器件的发展。而在逻辑开关器件中，隧穿场效应晶体管(TFET)因其具有较高的开态电流、较低的关态电流、较小的亚阈值摆幅以及优秀的开关比，已成为半导体器件领域中研究的热点。隧穿场效应晶体管(TFET)不同于以往的场效应晶体管，它是以量子力学为依据，通过带-带隧穿进行工作的；通过施加栅压，改变本征区的能带，使得源区的载流子能够越过势垒隧穿到本征区。在N型TFET器件中，栅极接高电位、源区接低电位、漏区接高电位，其源区与本征区、漏区形成反偏二极管P-i-N，源区电子即可隧穿到本征区。在P型TFET中，栅极接低电位、源区接高电位、漏区接低电位，其漏区与本征区、源区形成反偏二极管P-i-N，源区电子即可隧穿到本征区。最早提出的隧穿场效应晶体管(TFET)为横向隧穿器件，如图1所示，其核心部分包括源区101、本征区102、漏区103、栅氧层104、栅105，这种横向TFET器件的栅电极电场为垂直方向，而隧穿为P区向i区的横向方向，故实际上栅极电压形成的电场只能调节靠近源区的栅氧层表面下很近的P-i结，即栅控隧穿区域较小，这就导致开态电流很难达到理想效果。为了提升栅控能力，研究人员提出了如图2所示的纵向隧穿场效应晶体管(TFET)，其核心结构包括源区201、外延本征区202、漏区203、中间本征区204、栅氧层205、栅206，这类TFET器件工作时，隧穿主要发生在源区与外延本征区之间，隧穿方向为纵向隧穿，与栅电极形成的纵向电场方向一致，即栅控面积扩大成源区与外延本征区的接触面积，在不改变低的关态电流的前提下有效提升了开态电流。虽然纵向隧穿器件的栅控能力较横向隧穿器件有一定的提升，但是受硅材料禁带宽度较大的限制，其开态电流仍然无法达到较好的效果。通过加大源区掺杂、增大栅极电压可增加隧穿几率，但是高掺杂形成的单边突变结给半导体工艺带来较大的难题。文献(Vijayvargiya V,Vishvakarma S K.Effect of drain doping profile on double-gate tunnel field-effect transistor and its influence on device RF performance[J].IEEE Transactions on Nanotechnology,2014,13(5):974-981.)提出了一种双栅TFET，即在本征区下方再加上一个栅电极，形成双栅结构，器件结构如图3所示，包括源区301、本征区302、漏区303、顶部栅氧层304、顶部栅极305、底部栅氧层306、底部栅极307。虽然在双栅的作用下，栅控能力得到有效提升，器件能较好地导通和关闭；但是其隧穿区域仍只是靠近表面处的P-i结，栅控区域相当于单栅横向TFET的栅控区域的简单叠加，其顶部和底部栅形成的纵向电场大小未改变，开态电流只是简单的叠加，提升效果不明显，并且双栅TFET结构在常用的平面半导体工艺中实现难度较大，工艺成本较高，很难推广用于超大规模集成电路中。另外，文献(Li W,Sharmin S,Ilatikhameneh H,et al.Polarization-engineered III-nitride heterojunction tunnel field-effect transistors[J].IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits,2015,1:28-34.)公开了一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物隧穿器件，器件结构如图4所示，包括源区401、本征区402、漏区403、栅氧层404、栅405、侧墙406，该器件通过栅压控制漏区的导带升降实现器件的关断和开启，本征区采用InN材料，InN材料可引入极化效应，从而增加器件的开态电流。但是该器件存在如下问题：其一，本征区和漏区厚度极薄，均低于3nm，工艺实现难度较大；其二，栅压对漏区的控制能力较弱，导致器件的关态电流较大。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种新型的提高开态电流的隧穿场效应晶体管。本专利技术隧穿场效应晶体管在源区顶部通过InN或InxGa1-xN材料形成极化隧穿层，利用InN或InxGa1-xN的极化效应形成极化电场，增强了源区向极化隧穿区的载流子隧穿能力，提高了开态下的隧穿电流；由于关态下外延本征区的导带不变，载流子无法越过势垒漂移扩散至该区域，有效降低了器件的关态电流；外延本征区以及极化隧穿区的厚度都可以做到5nm及以上，有利于工艺的实现。本专利技术隧穿场效应晶体管在保证低的关态电流的前提下，有效提升了器件的开态电流，且降低了工艺难度。本专利技术的技术方案如下：一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、中间本征区、漏区、极化隧穿区、外延本征区、栅氧层、栅和侧墙，所述极化隧穿区形成于源区内、且与外延本征区接触，其远离中间本征区的一侧与栅远离中间本征区的一侧位于同一直线上，用于增强源区载流子向极化隧穿区的隧穿。一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、中间本征区、漏区、极化隧穿区、栅氧层、栅和侧墙，所述极化隧穿区形成于源区内、且与中间本征区接触，其上表面与源区上表面重合，用于增强源区载流子向极化隧穿区的隧穿。进一步地，所述极化隧穿区采用具有极化效应的材料形成。进一步地，所述极化隧穿区采用InN、InxGa1-xN(0＜x＜1)中的一种或两种形成。若采用InxGa1-xN形成极化隧穿区，则可通过调节x的取值来调节器件的极化强度；若采用InN和InxGa1-xN两种材料形成极化隧穿区，则首先形成InxGa1-xN作为缓冲层，再在其上生长InN薄膜，从而得到极化隧穿区。进一步地，纵向TFET器件中所述极化隧穿区的厚度为10nm以内。进一步地，横向TFET器件中所述极化隧穿区的长度为10nm以内。进一步地，所述极化隧穿区的掺杂浓度不限，可以为轻掺杂，也可以为重掺杂。进一步地，所述源区材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、硅或锗等半导体材料，源区材料的电子亲和势应低于极化隧穿区材料的电子亲和势，这样有利于源区载流子向极化隧穿区隧穿；源区的材料还应与极化隧穿区的材料有晶格失配，能够引起极化隧穿区的极化效应。进一步地，纵向TFET器件中所述外延本征区材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、硅或锗等半导体材料，外延本征区材料的电子亲和势应低于极化隧穿区材料的电子亲和势，这样可以形成能带差，以保证在器件关态时，外延本征区的能带势垒能抑制极化隧穿区的载流子漂移扩散。进一步地，横向TFET器件中所述中间本征区材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、硅或锗等半导体材料，中间本征区材料的电子亲和势应低于极化隧穿区材料的电子亲和势，这样可以形成能带差，以保证在器件关态时，中间本征区的能带势垒能抑制极化隧穿区的载流子漂移扩散。进一步地，所述中间本征区与漏区之间可设置介质层，用于隔离。进一步地，所述隧穿场效应晶体管的衬底可以为普通硅衬底或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、中间本征区、漏区、极化隧穿区、外延本征区、栅氧层、栅和侧墙，所述极化隧穿区形成于源区内、且与外延本征区接触，其远离中间本征区的一侧与栅远离中间本征区的一侧位于同一直线上，用于增强源区载流子向极化隧穿区的隧穿。

【技术特征摘要】
1.一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、中间本征区、漏区、极化隧穿区、外延本征区、栅氧层、栅和侧墙，所述极化隧穿区形成于源区内、且与外延本征区接触，其远离中间本征区的一侧与栅远离中间本征区的一侧位于同一直线上，用于增强源区载流子向极化隧穿区的隧穿。2.一种提高开态电流的隧穿场效应晶体管，包括源区、中间本征区、漏区、极化隧穿区、栅氧层、栅和侧墙，所述极化隧穿区形成于源区内、且与中间本征区接触，其上表面与源区上表面重合，用于增强源区载流子向极化隧穿区的隧穿。3.根据权利要求1或2所述的提高开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述极化隧穿区采用具有极化效应的材料形成。4.根据权利要求1或2所述的提高开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述极化隧穿区采用InN、InxGa1-xN中的一种或两种形成，0＜x＜1。5.根据权利要求1所述的提高开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述极...

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