CN103262249A - 隧道场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及微电子晶体管制造领域，尤其涉及具有提高的导通电流电平而不具有相应增大的截止电流电平的隧道场效应晶体管的制造，这是通过在隧道场效应晶体管的源极与本征沟道之间添加过渡层来实现的。
Description
背景技术
本描述的实施例一般涉及微电子器件制造领域，尤其涉及隧道场效应晶体管的制造。
附图说明
本公开的主题在说明书的结论部分被特别指出并清楚要求保护。本公开的前述及其它特征根据以下描述和所附权利要求并结合附图将变得更加完全地明显。应理解，附图仅描绘了根据本公开的几个实施例，因而不应被视为对其范围的限制。通过使用这些附图将利用附加特性和细节来描述本公开，使得本公开的优点可被更容易地确定，在附图中：
图1a示出本领域已知的隧道场效应晶体管的示图。
图1b是本领域已知的图1a的隧道场效应晶体管处于“截止”状态下的一般曲线图。
图1c是本领域已知的图1a的隧道场效应晶体管处于“导通”状态下的一般曲线图。
图2示出根据本描述的实施例的隧道场效应晶体管的示图。
图3是根据本描述的实施例的处于“截止”状态下的图2隧道场效应晶体管的曲线图。
图4是根据本描述的实施例的处于“导通”状态下的图2隧道场效应晶体管的曲线图。
图5是图2的隧道场效应晶体管的导带的曲线图，其中在接近过渡层处存在突变。
图6示出根据本描述的实施例的利用多层过渡层使突变平滑的示图。
图7示出根据本描述的实施例的便携式电子设备的实施例。
图8示出根据本描述的实施例的计算机系统的实施例。
图9是根据本描述的实施例的电子系统的框图。
具体实施方式
下面的详细描述参照附图，附图以例示方式示出可实践所要求保护的主题的特定实施例。充分详细地描述这些实施例，以使本领域技术人员将该主题投入实践。要理解，各实施例尽管是不同的，但不一定是相互排斥的。例如，这里结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可在其它实施例中实现而不脱离所要求保护的主题的精神和范围。另外应理解，可修改各公开实施例中的各个要素的位置或配置而不脱离所要求保护的主题的精神和范围。因此，下面的详细描述不具有限定意义，并且主题的范围仅由适当解释的所附权利要求连同这些权利要求被授权的等效物的全部范围来定义。在附图中，相同的附图标记指代若干视图中的相同或类似的元件或功能，并且附图中元件并不一定彼此按比例绘制，个别元件可被放大或缩小以便在本描述的上下文中更容易理解这些元件。
本描述的实施例一般涉及微电子晶体管制造领域，尤其涉及具有提高的导通电流电平而不具有相应增大的截止电流电平的隧道场效应晶体管的制造，这是通过在隧道场效应晶体管的源极结构与本征沟道之间添加过渡层来实现的。
图1a示出本领域已知的隧道场效应晶体管的示图，且图1b和图1c示出其操作的理想化曲线图。如图1a所示，隧道场效应晶体管100可包括由本征沟道130隔开的源极结构110和漏极结构120，且具有邻近本征沟道130形成的栅极140。参见图1a和图1b，当隧道场效应晶体管100处于“截止”状态下时，漏极结构120处的电压（“Vd”）可为正，且栅极140处的电压（“Vg”）可基本上为零。在该“截止”状态下，电子将不会流过源极结构110和漏极结构120之间的本征沟道130。如图1c所示，当晶体管处于“导通”状态下时，漏极120处的电压（“Vd”）为正，且栅极140处的电压（“Vg”）为正。在该“导通”状态下，电子流过（用箭头150区别）源极结构110和漏极结构120之间的本征沟道130，因为栅极140的电压（“Vg”）将本征沟道130的带隙（“Bc”）相对于带隙（“Bs”）移位，这使电子流动。
本领域技术人员将会理解，隧道场效应晶体管可用于获得比常规金属上硅场效应晶体管（MOSFET）更高的导通电流/截止电流。隧道场效应晶体管可获得更低的截止电流以及更陡峭的亚阈值斜率，这可能是低工作电压和低功率应用所需要的。但是，维持高的导通电流可能是困难的。
增大导通电流的一种方法是向更低带隙、更低有效质量的系统迁移。尽管这将会用来增大导通电流，截止状态电流由于增大的泄漏而变差。
在隧道场效应晶体管100中，导通电流（“Ion”）和截止电流（“Ioff”）由不同于传统金属上硅场效应晶体管（“MOSFET”）的参数来支配。隧道场效应晶体管100的导通电流可通过载流子（即，电子或空穴）的有效质量、在源极结构110与本征沟道130之间的结处的电场以及有效带隙（本征沟道130的导带（“Ec”）与n型隧道场效应晶体管的源极结构的价带（“Ev”）之间的能量差，或者沟道的价带（“Ev”）与源极的导带（“Ec”）之间的能量差）来限定。截止电流（“Ioff”）通过载流子从源极结构110到漏极结构120的反向注入（反之亦然）、任何雪崩载流子产生以及额外载流子的生成来限定，对于理想的隧道场效应晶体管，可使用窄带隙源极（“Bs”）和宽带隙沟道（“Bc”）,如图1a和图1b示出的能带图中所示。
另外，对材料的选择可能影响隧道场效应晶体管的导通电流和截止电流。表1概述了两个III-V族隧道场效应晶体管的参数。表1中的第一示例具有由镓（“Ga”）、砷（As）和锑（Sb）的合金（“GaAsSb”）制成的源极结构110以及由磷化铟（“InP”）形成的本征沟道130。选择磷化铟来形成宽带隙（“Bc”）沟道会将有效带隙限制为约0.54eV。为了获得更小的有效带隙，磷化铟本征沟道130可被更小带隙系统替代，例如铟（In）、镓（Ga）和砷（As）的合金（“InGaAs”）。但是，这样做会牺牲Ioff。
| 源极材料 | 源极EG(eV) | 沟道材料 | 沟道EG(eV) | 隧道EG(eV) | ΔEc(ev) |
| GaAsSb | 0.72 | InP | 1.35 | 0.54 | 0.18 |
| GaAsSb | 0.72 | InGaAs | 0.74 | 0.25 | 0.47 |
表1
图2示出本描述的一个实施例，其中过渡层210可在源极结构110和本征沟道130之间形成，并且可与源极结构110和本征沟道130隔开，以形成隧道场效应晶体管200（与源极结构110和漏极结构130的连接未示出）。过渡层210可有效地增大导通电流，而对截止电流的影响可忽略。
在一个实施例中，隧道场效应晶体管200可由化学元素周期表的III、IV和V族中的半导体元素制成，包括但不限于铝、锑、砷化物、镓、锗、锡、铟、氮、硅以及磷。在本描述的实施例中，源极结构110可以是镓/砷/锑合金（GaAsSb），过渡层210可以是砷化铟（InAs），且本征沟道130可以是磷化铟(InP)。在本描述的另一实施例中，源极结构110可以是镓/砷/锑合金（GaAsSb），过渡层210可以是铟镓砷化物合金（InGaAs），且本征沟道130可以是磷化铟(InP)。在本描述的又一实施例中，源极结构110可以是铟/镓/砷合金（InGaAs），过渡层210可以是砷化铟（InAs），且本征沟道130可以是磷化铟(InP)。在本描述的再一实施例中，源极结构110可以是铟/镓/砷合金（InGaAs），过渡层210也可以是铟含量高于源极结构110的铟/镓/砷合金（InGaAs）的铟/镓/砷合金（InGaAs），且本征沟道130可以是磷化铟(InP)。应理解，源极结构110、过渡层210和本征沟道130的合金中的每一种成分可具有相对于每个合金内另一成分的任意适当原子百分比。
过渡层210可由单个层或多个层组成。此外，过渡层210可足够薄，使得过渡层210不需要与源极结构110或本征沟道130晶格匹配来防止缺陷。而且，过渡层210可被掺杂，如本领域技术人员将会理解的。
图3和图4示出处于截止状态（图3）和导通状态（图4）的隧道场效应晶体管200的实施例。一般截止状态机制类似于在图1b中针对隧道场效应晶体管100所述的机制，且一般导通状态机制类似于在图1c中针对隧道场效应晶体管100所述的机制。应注意，图3和图4中包括的过渡层210并不指定过渡层210的任何具体厚度。甚至过渡层210的位置也仅仅为了清楚才被包括。在图3和图4所示的一个实施例中，源极层可以是镓/砷/锑合金（GaAsSb），过渡层可以是铟镓砷化物合金（InGaAs），且本征沟道可以是磷化铟(InP)，其中源极层和过渡层与沟道晶格匹配。
如图5所示，突变300可形成在接近过渡层210（参见图2）的导带（“Ec”）中。突变300可俘获载流子，其可对隧道场效应晶体管200（参见图2）的可靠性产生不利后果，如本领域技术人员将会理解的。
已经发现突变300可通过提供附加的异质结来衰减。如本领域技术人员已知的，异质结是在不相似晶体半导体和不相等带隙的两个层或区域之间出现的界面。如图6所示，过渡层210（参见图2）可被形成为具有两个层，第一过渡层210a 和第二过渡层210b。邻接源极结构110的第一过渡层210a形成第一异质结220。邻接第一过渡层210a的第二过渡层210b形成第二异质结230。邻接第二过渡层210b的本征沟道130形成第三异质结240。多个过渡层（例如，第一过渡层210a和第二过渡层210b）和多个异质结（例如，第一异质结220、第二异质结230和第三异质结240）的构造可使突变平滑，以产生足够小的突变300使得载流子能在室温下热化出或者可从所施加的电场获得逃出突变所需要的能量，如本领域技术人员将会理解的。应进一步理解，尽管在图6中示出两个过渡层，但是任何适当数量的层可用于形成过渡层210。
尽管在本文中没有具体描述可用于制造适当场效应晶体管200的方法，但是应理解，此类方法在本领域中是公知的，且可包括：分子束外延、光刻法、蚀刻、薄膜沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、平面化（诸如化学机械抛光（CMP））、扩散、计量学、牺牲层的使用、止蚀层的使用、平面化停止层的使用、和/或与微电子组件制造相关联的任何其它动作。
本领域技术人员将会理解，隧道场效应晶体管200可用于多种集成电路和设备，包括但不限于微处理器、专用集成电路、芯片组和存储器设备。
图7示出便携式设备510的实施例，诸如蜂窝电话或个人数据助理（PDA）、数字媒体播放器等等。便携式设备510可包括外壳530内的基板520。基板520可具有与其电耦合的多种电子组件，包括微处理器540，诸如中央处理单元（CPU）、芯片组、图形处理器、ASIC或其它命令/数据处理设备，并且包括至少一个存储器设备550，该至少一个存储器设备550具有至少一个存储器单元，该至少一个存储器单元具有完全或部分移除的阻挡层部分，如本描述所述。基板520可附连至多种外围设备，包括诸如键区560之类的输入设备以及诸如LCD显示器570之类的显示设备。
图8示出计算机系统610的实施例。计算机系统610可包括外壳630内的基板或主板620。主板620可具有与其电耦合的多种电子组件，包括微处理器640，诸如中央处理单元（CPU）、芯片组、图形处理器、ASIC或其它命令/数据处理设备，以及至少一个存储器设备650，包括但不限于BIOS芯片、固态驱动器等等。微处理器640和/或存储器设备650具有至少一个隧道场效应晶体管，该至少一个隧道场效应晶体管具有位于源极结构和本征沟道之间的过渡层，如上所述。基板或主板620可附连至多种外围设备，包括诸如键盘660和/或鼠标670之类的输入设备以及诸如监视器680之类的显示设备。
图9示出电子系统700的框图。电子系统700可对应于例如图7的便携式系统510、图8的计算机系统610、过程控制系统、或使用处理器及关联存储器的任何其它系统。电子系统700可具有微处理器702（具有处理器核704和控制单元706）、存储器设备706以及输入/输出设备708（当然应理解，在多个实施例中电子系统700可具有多个处理器、控制单元、存储器设备单元和/或输入/输出设备）。在一个实施例中，电子系统700可具有一组指令，这些指令定义要由处理器704对数据执行的操作以及在处理器704、存储器设备708和输入/输出设备710之间的其它事务。控制单元706通过一组操作循环来协调处理器704、存储器设备708和输入/输出设备710的操作，其中该组操作导致从存储器设备708检索指令并执行这些指令。存储器设备708可包括具有至少一个微电子单元的闪存，该至少一个微电子单元在字线方向上具有完全或部分移除的阻挡层部分。
还应理解，本描述的主题并不一定限于图1-9所示的具体应用。主题可应用于其它晶体管器件和应用，如本领域技术人员将会理解的。
本详细描述已通过使用例示、框图、流程图和/或示例描述了设备和/或过程的多个实施例。在这些例示、框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域内技术人员应当理解，每个例示、框图、流程图或示例内的每一功能和/或操作可通过宽泛范围的硬件、软件、固件或实际上其任意组合单独和/或共同地实现。
所描述的主题有时示出不同的组件，该不同的组件包含在不同的其它组件中或与其它组件相连。应理解这些例示只是示例性的，并且可采用许多替代性结构以获得相同的功能。在概念的意义上，实现相同功能的组件的任何布置被有效地“关联”以实现期望功能。因此，本文中组合以实现特定功能的任何两个组件可视为彼此“关联的”以实现期望功能，不管其结构或中间组件如何。同样，如此关联的任意两个组件也可被视为彼此“可操作地连接”或者“可操作地耦合”以实现期望功能，并且能够如此关联的任意两个组件也可被视为彼此“可操作地耦合”以实现期望功能。可操作地耦合的具体示例包括但不仅限于，可物理匹配和/或物理交互的组件和/或可无线互动和/或无线交互的组件和/或逻辑交互和/或可逻辑互动的组件。
本领域内技术人员将会理解，这里使用的术语，尤其是所附权利要求书中使用的术语一般旨在作为“开放性”术语。一般地，术语“包含”或“包括”应当分别解释成“包含但不仅限于”或“包括但不仅限于”。另外，术语“具 有”应当解释为“至少具有”。
详细描述中的复数和/或单数术语的使用可根据上下文和/或应用的需要从复数转化成单数和/或从单数转化成复数。
本领域技术人员将会进一步理解，如果在权利要求中使用要素数目的表示，则如此限定权利要求的意图将在权利要求中明确地说明，并且在没有这种说明的情况下就不存在这种意图。另外，如果对具体数目引入的权利要求的说明是明确说明过的，则本领域技术人员将认识到这种说明通常应当解释成表示“至少”所引述的数目。
在本说明书中对术语“一实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“另一实施例”或“其它实施例”的使用可能意味着结合一个或多个实施例所描述的特定特征、结构或特性可被包括在至少某些实施例中，但不一定被包括在所有实施例中。在本详细描述中术语“一实施例”、“一个实施例”、“另一实施例”或“其它实施例”的多次出现不一定都指代相同的实施例。
尽管在这里已使用各种方法和系统描述和示出了某些示例性技术，然而本领域技术人员应当理解，可作出多种其它的修改并可替换以等效物而不脱离所要求的主题或其精神。另外，可作出许多修改以适应所要求主题的教导的特殊情况而不脱离本文描述的核心理念。因此，旨在使所要求保护的主题不仅限于所公开的特定示例，但这些要求保护的主题也可包括落在所附权利要求书及其等效物范围内的所有实现。
Claims (20)
1.一种隧道场效应晶体管，包括：
源极结构；
邻近所述源极结构的过渡层；
邻近所述过渡层的本征沟道；以及
邻近所述本征沟道的漏极结构。
2.如权利要求1所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述源极结构是铝、锑、砷化物、镓、铟、氮或磷的合金。
3.如权利要求2所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述源极结构是镓/砷/锑合金。
4.如权利要求2所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述源极结构是铟/镓/砷合金。
5.如权利要求1所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述过渡层是铝、锑、砷化物、镓、铟、氮或磷的合金。
6.如权利要求2所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述过渡层是砷化铟。
7.如权利要求2所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述过渡层是铟/镓/砷化物合金。
8.如权利要求1所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述本征层是铝、锑、砷化物、镓、铟、氮或磷的合金。
9.如权利要求2所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述本征层是磷化铟。
10.如权利要求2所述的隧道场效应晶体管，其特征在于，所述本征层是由多个层形成的。
11.一种电子系统，包括：
处理器；以及
与所述处理器数据通信的存储器设备；
其中所述处理器和所述存储器设备中的至少一个包括至少一个隧道场效应晶体管，所述至少一个隧道场效应晶体管包括：
源极结构；
邻近所述源极结构的过渡层；
邻近所述过渡层的本征沟道；以及
邻近所述本征沟道的漏极结构。
12.如权利要求11所述的电子系统，其特征在于，所述源极结构是铝、锑、砷化物、镓、铟、氮或磷的合金。
13.如权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述源极结构是镓/砷/锑合金。
14.如权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述源极结构是铟/镓/砷合金。
15.如权利要求11所述的电子系统，其特征在于，所述过渡层是铝、锑、砷化物、镓、铟、氮或磷的合金。
16.如权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述过渡层是砷化铟。
17.如权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述过渡层是铟/镓/砷化物合金。
18.如权利要求11所述的电子系统，其特征在于，所述本征层是铝、锑、砷化物、镓、铟、氮或磷的合金。
19.如权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述本征层是磷化铟。
20.如权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述本征层是由多个层形成的。
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