CN103824880A - 双轴张应变GeSn n沟道隧穿场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有双轴张应变的GeSnn沟道隧穿场效应晶体管（10），其结构包括衬底（101）、源极（102）、漏极（104）、GeSnn沟道（103）、绝缘介电质薄膜（105）以及栅电极（106）。源极、n沟道、漏极形成竖直的器件结构。源极区域材料的晶格常数比GeSnn沟道（103）晶格常数大。GeSnn沟道形成XY面内的双轴张应变，这种应变有利于沟道GeSn从间接带隙转变为直接带隙，从而发生直接量子隧穿，隧穿电流增大，进而提高器件性能。

Description

双轴张应变GeSn n沟道隧穿场效应晶体管
技术领域
  本发明涉及一种双轴张应变GeSn n沟道TFET(TunnelingField-effect Transistor：隧穿场效应晶体管)。
背景技术
随着集成电路的进一步发展，芯片特征尺寸的进一步缩小，单个芯片上集成的器件数目的增多，功耗越来越成为人们所关注的问题。根据ITRS数据显示，当特征尺寸缩小到32nm节点时，功耗会是预计趋势的8倍，即随着特征尺寸的逐步缩小，传统的MOS器件就功耗方面将不能满足需求（Nature,vol479,329-337,2011）。另外，MOSFET尺寸的减小面临着室温下亚阈值斜率最小为60mv/decade的限制。基于量子隧穿效应的隧穿场效应晶体管与MOSFET相比,没有亚阈值斜率最小为60mv/decade的限制，并且可以有效的降低功耗。但如何增大隧穿几率、增大隧穿电流成为TFET研究的重点。理论和实验已经证明直接隧穿比间接隧穿具有更大的隧穿几率（Journal of applied physics 113,194507,2013）。
理论证实，当Sn的组分达到6.5%~11%时，弛豫的GnSn材料会转变为直接带隙（Journal of Applied Physics113,073707,2013）。此时则会在源与沟道之间形成直接隧穿，有效的增大隧穿几率，增大隧穿电流，提高器件的性能。但是，Sn组分的增加会使整个材料的质量以及热稳定性变差，通过增加Sn的组分得到直接带隙的GeSn是困难的。理论计算显示，GeSn中引入双轴张应变有利于材料向直接带隙的转变。（Appl.Phys.Lett.,vol.98,no.1,pp.011111-1-011111-3,2011）。
发明内容
本发明的目的是提出一种双轴张应变的GeSn n沟道的隧穿场效应晶体管（TFET）的结构。其中源极区域材料的晶格常数比沟道材料的晶格常数大，形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内的双轴张应变。这种应变有利于沟道GeSn由间接带隙转变为直接带隙，在源与沟道之间形成直接量子隧穿，增大隧穿几率，从而增大隧穿电流，进而提高器件性能。
为实现发明目的，本发明提出以下技术方案：
一种双轴张应变的GeSn n沟道的隧穿场效应晶体管，其具有一GeSn n沟道、一衬底、一源极、一漏极、一绝缘介电质薄膜、一栅极。 
所述源极是通过外延生长或是键合的方式生长在衬底上，其材料为弛豫的单晶半导体材料GeSn，源极、 n沟道、漏极形成竖直的器件结构；
所述绝缘介电质薄膜环绕生长在GeSn n沟道上；
所述栅电极覆盖在绝缘介电质薄膜上；
所述源极材料的晶格常数比 n沟道GeSn晶格常数大；形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内的双轴张应变。
 本发明的隧穿场效应晶体管能够在GeSn沟道形成XY面内的双轴张应变，这种应变有利于 n沟道GeSn从间接带隙转变为直接带隙，从而发生直接量子隧穿，隧穿电流增大，进而提高器件性能。
附图说明
图1为GeSn n沟道TFET的XZ面剖面图。
图2为GeSn n沟道TFET制造的第一步。
图3为GeSn n沟道TFET制造的第二步。
图4为GeSn n沟道TFET制造的第三步。
图5为GeSn n沟道TFET制造的第四步。
图6为GeSn n沟道TFET制造的第六步。
具体实施方式
为了更为清晰地了解本发明的技术实质，以下结合附图和实施例详细说明本发明的结构和工艺实现：
参见图1所示的双轴张应变GeSn n沟道隧穿场效应晶体管，其包括：
一衬底101，材料为单晶Ge；
一 n沟道103，材料为单晶GeSn，通式为Ge1-x Sn x （0≤y≤0.25），如采用Ge0.95Sn0.05；
一源极102，材料为单晶GeSn，通式为Ge1-y Sn y （0<x≤0.25，x>y）如可采用Ge0.9Sn0.1
 一绝缘介电质薄膜105，生长在沟道上，如采用H-k（高k值）材料二氧化铪HfO2；
一栅电极106，覆盖在所述绝缘介电质薄膜上；
一漏极104，材料为单晶Ge。
参见图2-图6，为双轴张应变GeSn n沟道TFET（10）的制造过程：
第一步，如图2所示，在衬底101上外延生长一层弛豫的单晶材料作源极102；
   第二步，如图3所示，在源极102上生长 n沟道103；
   第三步，如图4所示，在 n沟道103上外延生长Ge漏极104；
   第四步，如图5所示，利用光刻或刻蚀形成竖直器件结构；
   第五步，如图6所示，在 n沟道上环绕生成绝缘介质薄膜105和栅电极106。
虽然本发明已以实例公开如上，然其并非用以限定本分明，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，这些改动和变形在本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形，本发明的保护范围当视权利要求为准。

Claims (4)

1.一种带有双轴张应变的GeSn n沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，具有一GeSn n沟道、一衬底、一源极、一漏极、一绝缘介质薄膜、一栅电极；
    所述源极是通过外延生长或是键合的方式生长在衬底上，其材料为弛豫的单晶半导体材料GeSn，源极、n沟道、漏极形成竖直的器件结构；
所述绝缘介电质薄膜环绕生长在GeSn n沟道上；
所述栅电极覆盖在绝缘介电质薄膜上；
所述源极材料的晶格常数比 n沟道GeSn晶格常数大；形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内的双轴张应变。
2.如权利要求1所述的带有双轴张应变的GeSn n沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述 n沟道GeSn材料的通式为Ge1-x Sn x， 其中0≤x≤0.25。
3.如权利要求2所述的带有双轴张应变的GeSn n沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述源极GeSn材料的通式为Ge1-y Sn y 其中，0≤y≤0.25，y>x。
4.如权利要求3所述的带有双轴张应变的GeSn n沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述衬底和漏极采用的是单晶Ge材料。
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