一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管及其制造方法，本发明专利技术所述器件具有矩形栅极和左右对称的结构特征，具有较强的栅极控制能力并且可以通过调节源漏可互换电极电压控制第二类杂质重掺杂源漏可互换区作为源区或漏区，改变隧穿电流方向。本发明专利技术具有低静态功耗和反向泄漏电流、较强的栅极控制能力、低亚阈值摆幅和可实现双向开关功能的优点。对比于普通MOSFETs型器件，利用隧穿效应实现更优秀的开关特性；对比于普通的隧穿场效应晶体管，本发明专利技术具有普通的隧穿场效应晶体管所不具备的源漏可互换的双向对称开关特性，因此适合推广应用。

A rectangular gate controlled U shaped channel bidirectional switch tunneling transistor and its manufacturing method

The present invention relates to a rectangular grid control U shaped channel bidirectional switch tunneling transistor and its manufacturing method, the structure characteristics of the device of the invention has a rectangular grid and symmetrical, with strong gate control ability and can be adjusted by the source drain electrode voltage control of second kinds of interchangeable heavy impurity doped source and drain region as interchangeable source area or the drain region, change the tunneling current direction. The invention has the advantages of low static power and reverse leakage current, strong gate control ability, low threshold swing and can realize bidirectional switch function. Compared to the common MOSFETs devices, using the tunneling effect to achieve better switching characteristics; compared to the common tunneling field effect transistor, the invention has the symmetrical switching characteristics of ordinary tunneling field effect transistor do not have the source drain interchangeable, so it is suitable for popularization and application.

【技术实现步骤摘要】
一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管及其制造方法
本专利技术涉及超大规模集成电路制造领域，具体涉及一种适用于低功耗集成电路制造的具有低泄漏电流的矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管及其制造方法。
技术介绍
集成电路的基本单元MOSFETs根据摩尔定律的要求，尺寸会变得越来越小，随之而来的不仅仅是在制造工艺上的难度加深，各种不良效应也越发的凸显。如今集成电路设计所采用的MOSFETs型器件由于其工作时自身产生电流的物理机制的限制，其亚阈值摆幅始终不能低于60mV/dec。而普通隧穿场效应晶体管作为开关型器件使用时，利用载流子在半导体能带之间发生隧穿效应作为电流的导通机制，其亚阈值摆幅要明显优于MOSFETs型器件的60mv/dec极限。然而，普通隧穿场效应晶体管的源区和漏区采用不同导电类型的杂质，这种非对称结构特征导致其无法在功能上完全取代具有对称结构特征的MOSFETs型器件。以N型隧穿场效应晶体管为例，如果将其源极和漏极互换，即漏极为低电位，源极为高电位，则隧穿场效应晶体管将始终处于导通状态，导通电流的大小不再能够依靠栅电极而得到良好控制和调节，这使得整个隧穿场效应晶体管的开关特性失效。
技术实现思路
专利技术目的为了有效结合和利用MOSFETs型器件源极、漏极可互换和普通隧穿场效应晶体管低亚阈值摆幅摆幅的优点，解决MOSFETs型器件亚阈值摆幅无法降低和普通隧穿场效应晶体管只能作为单向开关的不足，本专利技术提出一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管及其制造方法。该晶体管具有逻辑功能与当前基于MOSFETs集成电路完全兼容的优势特点，源漏两端结构的对称性使其可以通过对源极和漏极的电压互换实现源漏双向对称开关的功能，即具有源漏电极可互换的双向开关特性、此外还具有正反向电流比高、低亚阈值摆幅、高正向导通电流等工作特性。技术方案本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管，包含SOI晶圆的硅衬底，其特征在于：SOI晶圆的硅衬底上方为SOI晶圆的衬底绝缘层，SOI晶圆的衬底绝缘层的上方为单晶硅薄膜、第一类杂质重掺杂区和绝缘介质阻挡层的部分区域；其中，单晶硅薄膜为杂质浓度低于1016cm-3的单晶硅半导体材料；第一类杂质重掺杂区位于单晶硅薄膜底部的中间部分，其掺杂的杂质导电类型决定器件的导通类型，其内部不受栅电极场效应影响控制，为杂质浓度不低于1017cm-3的半导体材料；绝缘介质阻挡层的部分区域对单晶硅薄膜所形成的U形凹槽结构的下方部分的外侧表面形成四面围绕，绝缘介质阻挡层与SOI晶圆的衬底绝缘层上表面接触的部分区域的上表面与栅电极和栅电极绝缘层相互接触；栅电极绝缘层为绝缘体材料，位于单晶硅薄膜的外侧表面的上方部分，且栅电极绝缘层的内侧表面与单晶硅薄膜所形成的U形凹槽结构的两侧垂直部分的前后和左右两侧的外侧表面的上方部分相互接触，栅电极绝缘层的内侧表面和夹在单晶硅薄膜所形成的U形凹槽结构内部的绝缘介质阻挡层的前后外侧表面相互接触，栅电极绝缘层对单晶硅薄膜的外侧表面上方部分形成四面围绕；栅电极由金属材料或多晶硅材料构成，与栅电极绝缘层的外侧表面相互接触，并对栅电极绝缘层形成四面围绕，俯视观看呈现矩形结构特征，栅电极对单晶硅薄膜所形成的U形凹槽结构的两侧垂直部分的上方部分，即对源漏可互换本征区a和源漏可互换本征区b具有明显的场效应控制作用；栅电极绝缘层在栅电极和单晶硅薄膜之间形成绝缘阻挡；栅电极仅对源漏可互换本征区a和源漏可互换本征区b有明显场效应控制作用，而对单晶硅薄膜的其它区域和位于单晶硅薄膜底部中间部分的第一类杂质重掺杂区无明显控制作用；第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b分别通过对单晶硅薄膜所形成的U形凹槽结构的两侧垂直部分的上方部分掺杂形成，其中第二类杂质重掺杂源漏可互换区a的外侧与源漏可互换本征区a相互接触，并被其三面围绕；第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的外侧与源漏可互换本征区b相互接触，并被其三面围绕；单晶硅薄膜、第一类杂质重掺杂区、源漏可互换本征区a、源漏可互换本征区b、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b共同组成了一个凹槽结构；源漏可互换电极a由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区a的上方；源漏可互换电极b也由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的上方，源漏可互换电极a和源漏可互换电极b的外侧左右分别与绝缘介质阻挡层的部分区域相接触；第一类杂质重掺杂区和位于第一类杂质重掺杂区上方的部分绝缘介质阻挡层的左右两侧呈对称结构，能够在源漏可互换电极a和源漏可互换电极b对称互换的情况下实现同样的输出特性。一种所述矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管的制造方法，其特征在于：其制造步骤如下：步骤一：提供一个SOI晶圆，最下方为SOI晶圆的硅衬底，硅衬底的上面是衬底绝缘层，衬底绝缘层的上表面为单晶硅薄膜，通过离子注入或扩散工艺，对SOI晶圆上方的单晶硅薄膜的中间区域掺杂，初步形成第一类杂质重掺杂区；步骤二：通过光刻、刻蚀工艺除去部分单晶硅薄膜和部分第一类杂质重掺杂区，在SOI晶圆上进一步形成单晶硅薄膜和第一类杂质重掺杂区；步骤三：在刻蚀后的第一类杂质重掺杂区的上方淀积绝缘介质并平坦化表面，初步形成部分绝缘介质阻挡层；步骤四：通过光刻、刻蚀工艺将衬底绝缘层上方的单晶硅薄膜的四周部分刻蚀至露出衬底绝缘层；步骤五：在上一步露出的衬底绝缘层上方淀积绝缘介质并进行部分刻蚀，进一步形成绝缘介质阻挡层；步骤六：在上一步形成的部分绝缘介质阻挡层上紧贴单晶硅薄膜与第一类杂质重掺杂区上方的部分绝缘介质阻挡层的外侧表面的上方部分，通过氧化或淀积工艺后，再通过刻蚀工艺形成栅电极绝缘层；步骤七：在步骤五形成的部分绝缘介质阻挡层上淀积金属或多晶硅，并通过表面平坦化工艺露出栅电极绝缘层的上表面、单晶硅薄膜的上表面、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a的上表面和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的上表面，形成栅电极；步骤八：通过离子注入或扩散工艺，对步骤三所形成的部分绝缘介质阻挡层左右两侧上方的单晶硅薄膜进行掺杂，形成第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b；步骤九：在栅电极的上表面、栅电极绝缘层的上表面、单晶硅薄膜的上表面、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a的上表面和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的上表面淀积绝缘介质，平坦化表面后形成部分绝缘介质阻挡层，再在第二类杂质重掺杂金属源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂金属源漏可互换区b的上方刻蚀绝缘介质阻挡层至露出第二类杂质重掺杂金属源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂金属源漏可互换区b的上表面后，向形成的通孔中注入金属至通孔被完全填充，最后将表面平坦化处理，形成源漏可互换电极a和源漏可互换电极b。优点及效果本专利技术具有如下优点及有益效果：1.源漏对称可互换的双向开关特性：本专利技术所述器件为一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管，在单晶硅薄膜1靠近栅电极绝缘层7两侧的部分分别具有彼此独立的隧穿结构，由于器件具有左右对称结构，在栅电极8的控制作用下，单晶硅薄膜1两侧上方在与栅电极绝缘层7接触的表面附近同时发生隧穿，通过调节源漏可互换电极a9和源漏可互换电极b10的电压控制第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管，包含SOI晶圆的硅衬底（12），其特征在于：SOI晶圆的硅衬底（12）上方为SOI晶圆的衬底绝缘层（11），SOI晶圆的衬底绝缘层（11）的上方为单晶硅薄膜（1）、第一类杂质重掺杂区（2）和绝缘介质阻挡层（13）的部分区域；其中，单晶硅薄膜（1）为杂质浓度低于10

【技术特征摘要】
1.一种矩形栅控U形沟道双向开关隧穿晶体管，包含SOI晶圆的硅衬底（12），其特征在于：SOI晶圆的硅衬底（12）上方为SOI晶圆的衬底绝缘层（11），SOI晶圆的衬底绝缘层（11）的上方为单晶硅薄膜（1）、第一类杂质重掺杂区（2）和绝缘介质阻挡层（13）的部分区域；其中，单晶硅薄膜（1）为杂质浓度低于1016cm-3的单晶硅半导体材料；第一类杂质重掺杂区（2）位于单晶硅薄膜（1）底部的中间部分，其掺杂的杂质导电类型决定器件的导通类型，其内部不受栅电极（8）场效应影响控制，为杂质浓度不低于1017cm-3的半导体材料；绝缘介质阻挡层（13）的部分区域对单晶硅薄膜（1）所形成的U形凹槽结构的下方部分的外侧表面形成四面围绕，绝缘介质阻挡层（13）与SOI晶圆的衬底绝缘层（11）上表面接触的部分区域的上表面与栅电极（8）和栅电极绝缘层（7）相互接触；栅电极绝缘层（7）为绝缘体材料，位于单晶硅薄膜（1）的外侧表面的上方部分，且栅电极绝缘层（7）的内侧表面与单晶硅薄膜（1）所形成的U形凹槽结构的两侧垂直部分的前后和左右两侧的外侧表面的上方部分相互接触，栅电极绝缘层（7）的内侧表面和夹在单晶硅薄膜（1）所形成的U形凹槽结构内部的绝缘介质阻挡层（13）的前后外侧表面相互接触，栅电极绝缘层（7）对单晶硅薄膜（1）的外侧表面上方部分形成四面围绕；栅电极（8）由金属材料或多晶硅材料构成，与栅电极绝缘层（7）的外侧表面相互接触，并对栅电极绝缘层（7）形成四面围绕，俯视观看呈现矩形结构特征，栅电极（8）对单晶硅薄膜（1）所形成的U形凹槽结构的两侧垂直部分的上方部分，即对源漏可互换本征区a（3）和源漏可互换本征区b（4）具有明显的场效应控制作用；栅电极绝缘层（7）在栅电极（8）和单晶硅薄膜（1）之间形成绝缘阻挡；栅电极（8）仅对源漏可互换本征区a（3）和源漏可互换本征区b（4）有明显场效应控制作用，而对单晶硅薄膜（1）的其它区域和位于单晶硅薄膜（1）底部中间部分的第一类杂质重掺杂区（2）无明显控制作用；第二类杂质重掺杂源漏可互换区a（5）和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b（6）分别通过对单晶硅薄膜（1）所形成的U形凹槽结构的两侧垂直部分的上方部分掺杂形成，其中第二类杂质重掺杂源漏可互换区a（5）的外侧与源漏可互换本征区a（3）相互接触，并被其三面围绕；第二类杂质重掺杂源漏可互换区b（6）的外侧与源漏可互换本征区b（4）相互接触，并被其三面围绕；单晶硅薄膜（1）、第一类杂质重掺杂区（2）、源漏可互换本征区a（3）、源漏可互换本征区b（4）、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a（5）和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b（6）共同组成了一个凹槽结构；源漏可互换电极a（9）由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区a（5）的上方；源漏可互换电极b（10）也由金属材料构成，位于第二类杂质...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳晓诗，高云翔，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