隧道场效应晶体管及其制造方法技术

根据本发明专利技术的隧道场效应晶体管（TFET）与迄今为止的现有技术相比尤其是具有两个优点。首先，提供了缩短的隧道势垒，并且由此提供了缩短的隧道结。这通过如下方式来实现：在源极区域中，一方面设置硅化并且此外设置掺杂物分离，它们导致更陡峭的隧道边沿。另一方面，通过选择性和自调校的硅化，隧道面积自身扩大，其中在根据本发明专利技术的隧道场效应晶体管（TFET）中设置与栅极的电场线平行延伸的隧道结。根据本发明专利技术的隧道场效应晶体管（TFET）因此将与栅极的电场线平行的隧道结与栅极之下的经扩大的隧道区域相连接，所述隧道区域具有拥有较窄带隙的材料。根据本发明专利技术的用于制造TFET的方法包括选择性的自调校的硅化并且此外包括掺杂物分离。通过这些步骤可以精确到几纳米地可再现地制造隧道结。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】隧道场效应晶体管及其制造方法
本专利技术涉及一种具有垂直隧道路径的隧道场效应晶体管以及一种用于制造这样的隧道场效应晶体管（TFET）的方法。
技术介绍
为了开发越来越高性能的具有较高功率的移动设备以及计算机，能效较高的晶体管是不可或缺的。晶体管大小的不断缩小和每芯片高于109个晶体管的封装密度增加造成了过高的能耗，并且与之相关联地造成有问题的发热。尽管常规场效应晶体管（MOSFET）一直在改善并且由此能耗也被减小，但是接通特性在原则上限制了能效。这涉及被注射到晶体管沟道中的载流子在室温下的热学上展宽的能量分布。接通特性可以通过所谓的逆亚阈值斜率（S）描述，逆亚阈值斜率说明：为了将输出电流（Ion）提高十倍（dec）必须将栅极电压提高多少毫伏（mV）。在室温下，得出最小S为60mV/dec。在如用在高性能处理器中的短沟道晶体管的情况下，短沟道效应将S在32nm栅极长度的情况下扩大到大约100mV/dec。所述原理性限制也提高了在给定阈值电压情况下的关断电流（Ioff）并且因此提高了损耗。为了减少晶体管的能耗，应当减少运行电压（=漏极电压（Vdd））和逆亚阈值斜率（S）。当附加地考虑到开关频率时，动态能耗与Vdd的平方成比例变化，甚至与Vdd的三次幂成比例变化。S的缩小使得能够缩小阈值电压而没有Ioff的显著升高。为了满足这些要求，需要一种新型开关元件、所谓的“陡坡器件”。属于最有前景的方案的是所谓的带到带隧道晶体管（Band-to-bandtunneling(BTBT)transistors）、在此称为隧道FET（TFET）、以及具有前置能量过滤器的MOSFET。后者由于巨大的技术问题而还未被实现。迄今为止制造的隧道场效应晶体管通常还未满足预期，因为输出电流过小并且S仅仅在小得不可用的栅极电压范围内<60mV/dec。图1示意性地示出了常规MOSFET和隧道场效应晶体管的开关特性。示出了漏极侧的电流（Id）相对于栅极电压的转移特征曲线。虚线示出了具有60mV/dec的MOSFET的最小逆亚阈值斜率S。Vt表示阈值电压。根据模拟计算，隧道场效应晶体管可以实现S<60mV/dec。此外，隧道场效应晶体管可以在显著更小的栅极电压下就已经完全接通。由此可以与MOSFET相比减小阈值电压Vt（由于较小的S）而不提高Ioff，并且因此实现较高的能效。图2示出了平面隧道场效应晶体管的原理性构造，其由具有栅极装置203、204的源极-沟道-漏极结构、例如p-i-n结构构成，其中栅极装置有利地包括具有大介电常数（k）的栅极电介质203、比如HfO2。栅极接触部（栅电极）204借助于金属层（例如TiN）来实现。源极206和漏极205在对称构建的晶体管的情况下可以交换。隧道结202可以任选地实现在源极或漏极侧。201表示本征硅。为了简化，针对所述现有技术选择源极到沟道过渡的隧道结。晶体管在截止方向上被连接到极，也就是说，针对p型TFET，n+型掺杂的源极被置于V=0，以及在p+型掺杂的漏极和栅极上施加负电压。针对n型TFET，类似地交换源极和栅极、以及漏极电压或栅极电压的极性。由此在沟道和漏极区域中通常提高了导带和价带。在足够大电压的情况下，产生电子带走向，其中少数载流子（在此为空穴）从源极的导带遂穿到沟道材料的价带中。根据WKB近似的隧道概率TWKB由下式给定：（方程1）在此，Λ表示自然长度（英语：naturallength），m*表示载流子的有效质量，Eg表示带隙，ΔΦ表示沟道中的价带下边缘与源极中的导带上边缘之间的电势差，q表示电子电荷和ћ表示普朗克常数除以2π。自然长度Λ是Λg与ΛCH之和。第一加数Λg是通过栅极对晶体管的静电控制的度量，第二加数ΛCH描述隧道结的锐度。隧道电流的场依赖性由Kane模型来给定。相应地，带到带遂穿随着隧道结处的电场呈指数型增长。利用模拟计算来计算：杂散电场（英语：fringingfield）从具有高介电常数的栅极电介质出发导致更好的特性。L.Knoll,Q.T.Zhao,LarsKnoll,A.Nichau,S.Trellenkamp,S.Richter,A.Schäfer,D.Esseni,L.Selmi,K.K.Bourdelle,S.Mantl,"InvertersWithStrainedSiNanowireComplementaryTunnelField-EffectTransistors",IEEEELECTRONDEVICELETTERSVOL.34,NO.6,第813-815页,2013。迄今为止实现的纳米线带到带隧道场效应晶体管显示出仅仅在非常小漏极电流情况下的小于60mV/dec的逆亚阈值斜率S，其主要归因于隧道结由于使用具有随后的掺杂物分离的硅化源极区域而经改善的陡度。还已经提出或制造了具有拥有较小带隙的半导体的TFET。从K.Bhuwalka等人（P-ChannelTunnelFieldEffectTransistorsdowntoSub-50nmChannelLength"Jap.J.ofAppl.Physics45(2006)第3106-3109页）公知了针对具有硅锗（Si-Ge）的平面TFET的模拟，由此可以证明较小带隙的优点。M.M.Schmidt、R.A.Minamisawa、SRichter、R.Luptak、J.-M.Hartmann、D.Buca,Q.T.Zhao和S.Mantl“ImpactofstrainandGeconcentrationonthePerformanceofplanarSiGeband-to-band-tunnelingtransistors”,Proc.ofULIS2011Conference的实验结果证实了该优点，但是其中S>60mV/dec。在该方案中，研究了由Si-Ge合金构成的源极、沟道和漏极，其中Ge含量为30-65at%（原子百分比）。垂直的ln0.53Ga0.47As0.47带到带隧道场效应晶体管迄今为止也不利地未提供预期结果。C.Hu“GreenTransistorasaSolutiontotheICPowerCrisis”（Proc.ofICSICTConference,Peking,2008(978-1-4244-22186-2/08@2008IEEE）的深入的方案使用了复杂的异质结构，其中n+型掺杂的应变硅薄层被引入在栅极之下、源极侧上直到p+型掺杂Ge上的晶体管的大致栅极中心。由此产生了由p+型掺杂Ge/n+型掺杂应变硅构成的隧道结。该方案包括隧道区域中具有较小带隙的材料的集成的上面提到的优点，并且此外隧道结的面积通过栅极之下的集成而被扩大。该方案的一个大缺点是难以实施，这迄今为止已经妨碍了实现。Bhuwalka等人（Proc.ESSDERC2004,0-7803-8478-4/04@2004IEEE）的为了改善隧道电流而将具有清晰交界面的超薄SiGe德尔塔层引入隧道结的提议也仅仅导致小的改善。从US8,258,031B2中公知了TFET的制造，其中隧道结平行于栅极的电场延伸。具有相反掺杂的阱（Tasche）的垂直隧道结扩大了隧道横截面并因此扩大了隧道电流。在此，该制造方本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于制造隧道场效应晶体管（TFET）的方法，所述隧道场效应晶体管（TFET）包括源极区域、沟道区域和漏极区域，该方法具有下列步骤：‑将外延层（102，123）布置到硅衬底（101，121）上；‑在所述外延层上施加具有栅电极（104，125）和栅电极（104，125）的栅极装置，其中在栅电极与Si衬底之间布置栅极电介质（103，124）；‑在栅极电介质（103，124）之下与源极区域相邻地构造经掺杂的阱区域（106，123）；其特征在于，‑在源极区域中构造选择性地硅化的区域（108，128），所述区域（108，128）延伸直到栅极之下；以及‑在源极区域中附加地通过掺杂物从硅化区域（108，128）中的向外扩散与阱区域（106，128）相邻地构造与阱区域相反掺杂的区域（111，129），由此实现与栅电极（104，25）的电场线平行的隧道结。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.15 DE 102014018382.31.用于制造隧道场效应晶体管（TFET）的方法，所述隧道场效应晶体管（TFET）包括源极区域、沟道区域和漏极区域，该方法具有下列步骤：-将外延层（102，123）布置到硅衬底（101，121）上；-在所述外延层上施加具有栅电极（104，125）和栅电极（104，125）的栅极装置，其中在栅电极与Si衬底之间布置栅极电介质（103，124）；-在栅极电介质（103，124）之下与源极区域相邻地构造经掺杂的阱区域（106，123）；其特征在于，-在源极区域中构造选择性地硅化的区域（108，128），所述区域（108，128）延伸直到栅极之下；以及-在源极区域中附加地通过掺杂物从硅化区域（108，128）中的向外扩散与阱区域（106，128）相邻地构造与阱区域相反掺杂的区域（111，129），由此实现与栅电极（104，25）的电场线平行的隧道结。2.根据权利要求1所述的方法，其中针对外延层使用Si-Ge、Ge、Ge-Sn或者Si-Ge-Sn。3.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中掺杂区域（111，129）通过源极区域（108，128）的选择性硅化、接着的掺杂以及掺杂物的紧接着的向外扩散来生成。4.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中掺杂区域（111，129）通过源极区域（110）的掺杂、紧接着的选择性硅化以及掺杂物的紧接着的向外扩散来生成。5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中进行掺杂物从硅化区域（108，128）直到阱区域（106，128）中的向外扩散。6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中掺杂区域（111，129）被构造为自调校的。7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中构造缺陷少的隧道结。8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中使用平面Si衬底，并且在经掺杂的阱区域（106）之下生成相反掺杂的区域（111）。9.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中使用Si纳米线，并且在环绕的经掺杂的阱区域（123）的中心处生成相反掺杂的区域（129）。10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中漏极区域（105）与经掺杂的阱区域（106，123）相同地掺杂。11.一种隧道场效应晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵清太，S曼特尔，S布勒泽，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE