带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管制造技术

本发明专利技术涉及半导体器件技术，本发明专利技术的目的是克服目前TFET器件在提升开态电流时会造成如关态泄漏电流随之增加的缺陷或导致器件频率特性衰退的问题，提供了一种带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，其技术方案可概括为：在现有纵向隧穿场效应晶体管基础上增加了栅场板介质区及栅场板电极，栅场板介质区设置于本征区上方，且与本征区的上表面相接触，其厚度大于等于栅氧化物的厚度，一侧与栅氧化物的一侧及栅电极的一侧相接触，栅场板电极设置在栅场板介质区上，且与栅场板介质区的上表面相接触，栅场板电极的一侧与栅电极的一侧相接触。本发明专利技术的有益效果是，开态电流增加且同时获得较低的平均亚阈值摆幅，适用于隧穿场效应晶体管。

【技术实现步骤摘要】
带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管
本专利技术属于半导体器件领域，具体涉及隧穿场效应晶体管(TFET,TunnelingFieldEffectTransistor)技术。
技术介绍
随着集成电路中MOSFET尺寸的不断减小，小尺寸、高电场造成的短沟道效应，漏诱生势垒降低和热载流子效应导致器件性能显著退化；更重要的是，由热载流子注入机制决定的MOSFET的亚阈值摆幅(SS)无法低于60mV/dec，造成较大的关态泄漏电源。上述缺点造成了MOSFET在尺寸进一步缩小时遇到严重的困难，研究人员正在积极寻找其他新原理器件来代替MOSFET在大规模集成电路中的应用。基于带带隧穿原理的TEFT相比于MOSFET具有更低的关态电流，更小的亚阈值摆幅，并且与传统CMOS工艺相兼容，因而成为未来最有希望取代MOSFET的器件。典型的隧穿场效应晶体管本质上是一个基于金属-氧化物-半导体结构的栅控P-I-N二极管，属于横向隧穿场效应晶体管(LTFET)，其结构如图1所示，包括半导体衬底1、源区2、本征区3、漏区4、栅氧化物6及栅电极7，其中，源区2、本征区3及漏区4分别设置在半导体衬底1的上方，且分别与半导体衬底1的上表面相接触，源区2的一侧与本征区3的一侧相接触，本征区3的另一侧与漏区4的一侧相接触，栅氧化物6覆盖在本征区3的上表面，栅电极7设置在栅氧化物6的上方，且与栅氧化物6的上表面相接触。以N型TFET为例，当栅电极偏压为零时，P-I-N二极管反偏，源区2与漏区4之间只有很小的反向饱和电流流过；当栅电极施加较大的正电压时，本征区3能带下移，源区2和本征区3之间势垒增大，若源区2价带高于本征区3导带，则电子可以从源区2价带隧穿到本征区3导带，进而在本征区3的高电场下漂移到漏区4，产生较大的漏源电流。横向隧穿场效应晶体管中发生的是点隧穿，即隧穿只发生在源区和本征区界面(接触区)处靠近栅氧化物界面的很小区域内，由于隧穿区域面积很小导致无法获得较大的开态电流。为了提高开态电流，研究人员提出了多种解决方案。方法之一是在隧穿区使用窄带隙材料，如GeSi(锗硅合金)。窄带隙材料能有显著低隧穿势垒从而增加隧穿几率，提高开态电流。但材料的带隙变窄后本征载流子浓度较高，关态泄漏电流随之增加。另一种方法是采用纵向结构的隧穿场效应晶体管(VTFET，纵向隧穿场效应晶体管)，其结构如图2所示，包括半导体衬底1、源区2、本征区3、漏区4、外延区5、栅氧化物6及栅电极7，其中，源区2、本征区3及漏区4分别设置在半导体衬底1的上方，且分别与半导体衬底1的上表面相接触，源区2的一侧与本征区3的一侧相接触，本征区3的另一侧与漏区4的一侧相接触，外延区5设置在源区2的上方，且与源区2的上表面相接触，外延区5的一侧与本征区3相接触，设外延区5从与本征区3相接触的一侧至另一侧的长度为其横向长度，源区2从与本征区3相接触的一侧至另一侧的长度为其横向长度，则外延区5的横向长度小于源区2的横向长度，外延区5的上表面与本征区3及漏区4的上表面齐平，栅氧化物6覆盖在外延区5的上表面，栅电极7设置在栅氧化物6的上方，且与栅氧化物6的上表面相接触。在这种结构中，非对称的源区2和漏区4结面积以及相对较低的漏区4掺杂浓度能有效抑制双极导电。栅压控制的隧穿发生在垂直方向由栅覆盖的源区2与外延区5界面(即源区2与外延区5相接触的区域)，而薄的外延区5厚度能有效减小隧穿距离，显著提高开态电流并降低亚阈值摆幅。这种结构中发生的是线隧穿，即隧穿区域的面积与覆盖它的栅的尺寸成正比，通过增加覆盖长度可以提高开态电流，但同时也增加了栅-源电容，导致器件频率特性衰退。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服目前TFET器件在提升开态电流时会造成如关态泄漏电流随之增加的缺陷或导致器件频率特性衰退的问题，提供一种带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管。本专利技术解决其技术问题，采用的技术方案是，带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底、源区、本征区、漏区、外延区、栅氧化物及栅电极，其特征在于，还包括栅场板介质区及栅场板电极，所述栅场板介质区设置于本征区上方，且与本征区的上表面相接触，其厚度大于等于栅氧化物的厚度，一侧与栅氧化物的一侧及栅电极的一侧相接触，栅场板电极设置在栅场板介质区上，且与栅场板介质区的上表面相接触，栅场板电极的一侧与栅电极的一侧相接触。具体的，所述栅场板介质区的厚度不大于30nm。根据仿真实验结果，栅场板介质区的厚度过大会无效，因而选择一个较优的范围。进一步的，当栅电极从与栅场板电极接触那一侧至另一侧的长度大于60nm时，根据现有技术中的电极材料，则栅电极与栅场板电极的材料为金属或多晶硅或硅化物，反之，为避免多晶硅耗尽造成的栅控能力减弱，则栅电极与栅场板电极的材料为金属。具体的，当栅电极与栅场板电极的材料为金属时，其各自采用的金属材料相同或不同。选择相同或不同的金属材料并不会影响整体效果，这样可增加金属材料的选择范围。再进一步的，当栅电极从与栅场板电极接触那一侧至另一侧的长度不大于60nm时，所述栅氧化物采用高K介质，其相对介电常数大于20。具体的，所述栅场板介质的相对介电常数范围为6～14。再进一步的，当栅电极从与栅场板电极接触那一侧至另一侧的长度不大于60nm时，所述栅氧化物厚度小于10nm，所述外延区厚度不大于10nm，所述本征区从与源区接触那一侧至与漏区接触那一侧的长度范围为10nm～30nm。具体的，当该带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管为N型纵向隧穿场效应晶体管时，源区为P型掺杂，漏区为N型掺杂；当该带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管为P型纵向隧穿场效应晶体管时，源区为N型掺杂，漏区为P型掺杂。再进一步的，所述源区及漏区的掺杂浓度范围为1×1017～1×1019cm-3，且源区掺杂浓度大于漏区掺杂浓度。具体的，所述外延区采用N型掺杂或P型掺杂，其掺杂浓度小于1×1017cm-3；所述本征区采用N型掺杂或P型掺杂，其掺杂浓度小于1×1017cm-3。本专利技术的有益效果是，上述带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，以其为N型纵向隧穿场效应晶体管为例，在关态或栅压较小时，由于本征区载流子浓度很小，外加的源漏电压主要降落在本征区，而隧穿结所分压降很小；在开态或栅压较大时，在栅场板的控制下，其下方本征区载流子浓度因能带弯曲而有显著提高，外加源漏电压在本征区压降变小而隧穿结上分压变大，隧穿结电场增强，开态电流增加且同时获得较低的平均亚阈值摆幅。另一方面，横向方向上源与本征区间的界面也因为被场板覆盖而成为受栅压控制的隧穿结，额外贡献开态电流。此外，栅场板的引入改善了本征区上部的电场分布，使电场分布更加均匀，在该器件作为大尺寸器件应用时，能够避免在本征区产生电场峰值从而导致击穿的发生。附图说明图1为现有技术中横向隧穿场效应晶体管剖面图；图2为现有技术中纵向隧穿场效应晶体管剖面图；图3为本专利技术中带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管剖面图；图4为本专利技术实施例1中带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管与普通纵向隧穿场效应晶体管在Vgs＝1.5V及Vds＝1.0V时的本征区3中线位置的电场分布示意图；图5为本专利技术实施例1中带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管与普通纵向隧穿场效应晶体管在Vds＝1.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底、源区、本征区、漏区、外延区、栅氧化物及栅电极，其特征在于，还包括栅场板介质区及栅场板电极，所述栅场板介质区设置于本征区上方，且与本征区的上表面相接触，其厚度大于等于栅氧化物的厚度，一侧与栅氧化物的一侧及栅电极的一侧相接触，栅场板电极设置在栅场板介质区上，且与栅场板介质区的上表面相接触，栅场板电极的一侧与栅电极的一侧相接触。

【技术特征摘要】
1.带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底、源区、本征区、漏区、外延区、栅氧化物及栅电极，其特征在于，还包括栅场板介质区及栅场板电极，所述栅场板介质区设置于本征区上方，且与本征区的上表面相接触，其厚度大于等于栅氧化物的厚度，一侧与栅氧化物的一侧及栅电极的一侧相接触，栅场板电极设置在栅场板介质区上，且与栅场板介质区的上表面相接触，栅场板电极的一侧与栅电极的一侧相接触。2.如权利要求1所述的带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述栅场板介质区的厚度不大于30nm。3.如权利要求1所述的带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，其特征在于，当栅电极从与栅场板电极接触那一侧至另一侧的长度大于60nm时，则栅电极与栅场板电极的材料为金属或多晶硅或硅化物，反之，则栅电极与栅场板电极的材料为金属。4.如权利要求3所述的带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，其特征在于，当栅电极与栅场板电极的材料为金属时，其各自采用的金属材料相同或不同。5.如权利要求1所述的带栅场板结构的纵向隧穿场效应晶体管，其特征在于，当栅电极从与栅场板电极接触那一侧至另一侧的长度不大于60nm时，所述栅氧化物采用高K介质，其相对介电常数大于20。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向展，曹雷，孟思远，李竞春，罗谦，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51