CN104576721A - 一种具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，属于半导体器件领域。本发明具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管包括半导体衬底1、源区2、本征区3、漏区4、栅氧层5、金属栅6、侧墙9，还包括位于本征区内的介质块10，所述介质块10设置在本征区与源区的交界面上，所述介质块可改变隧穿结位置的电场分布，使隧穿结处电场线更集中，从而提升开态电流。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管(TFET)的结构。
背景技术
随着传统的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的特征尺寸不断缩小，器件的短沟道效应越来越严重，器件的泄漏电流增加，使得器件的使得器件的开态电流与关态电流的比值(即开关比值Ion/Ioff)不断下降，功耗问题日益严峻。为了解决该问题，人们开始寻找替代MOSFET的新型器件。
TFET(Tunneling Field Effect Transistor，隧穿场效应)晶体管是一种基于载流子隧穿场效应的量子力学器件，结构是基于金属-氧化物-半导体栅控的P-I-N二极管，相对于传统的MOS晶体管而言，它具有较弱的短沟道效应和更小的泄漏电流。在TFET器件的关闭状态，即没有施加栅压时，源区、本征区、漏区之间形成的结为反向偏置的P-I-N二极管，而反向偏置二极管的势垒很高，势垒宽度很大，因此TFET器件具有很低的泄漏电流。当对TFET的栅极施加电压时，本征区的能带降低，当源区的价带高于本征区的导带，而且势垒变薄时，源区的价带电子可以通过带间隧穿进入本征区的导带，产生隧穿电流，此时TFET处于开启状态。
典型的隧穿场效应晶体管是栅控的P-I-N管，也称为横向隧穿场效应晶体管，其器件结构如图1所示。包括半导体衬底1，源区2，本征区3，漏区4，栅氧层5，金属栅6，该结构中，隧道击穿发生在源区2和本征区3交界面处、受栅控制的表面区域，发生隧穿的面积有限，器件的开态电流较小。这成为了隧穿场效应晶体管目前仍无法取代MOSFET的一个重要原因，因此，如何克服开态电流较小的问题成为了隧穿场效应晶体管研究的重点。
为了改善隧穿场效应晶体管开态电流小的问题，研究人员提出了一种纵向隧穿场效应晶体管，其器件结构如图2所示。包括半导体衬底1，源区2，本征区3，漏区4，栅氧层5，金属栅6，该结构与横向隧穿场效应晶体管的区别在于，栅极位于源区2的上方，使得器件的隧穿途径由原来的从源区2向本征区3隧穿变成了从源区2内部向源区2表面的隧穿，这样就可通过控制栅长度来控制发生隧穿区域的面积，从而有效提升开态电流。然而，纵向隧穿场效应晶体管对开态电流的增强完全依赖于增大栅长，而栅长增大会导致器件的尺寸增大，这与减小器件尺寸、提高集成电路集成度的发展趋势相悖。
基于横向隧穿场效应晶体管的“源-口袋”隧穿场效应晶体管也是一种为了提高开态电流的较为有效的晶体管结构的改进方式，其器件结构如图3所示。包括半导体衬底1，源区2，本征区3，漏区4，栅氧层5，金属栅6，“源-口袋”区7，该结构中，在源区2和本征区3之间加入了一个与源区相反掺杂的“源-口袋”区7，使得P+N+结相较于N+I结的耗尽区更窄，隧穿结的电场更大，能带弯曲更陡峭，导致隧穿距离减小，隧穿几率增大，开态电流得到明显提升。但是，由于“源-口袋”区7需要全耗尽，这就要求“源-口袋”区很薄，而“源-口袋”区又需要极高浓度的重掺杂，这就大大增加了工艺的难度。
使用窄禁带材料以减小隧穿距离也是提高隧穿场效应晶体管开态电流的一个重要方向，目前，对基于横向与纵向的隧穿场效应晶体管的SiGe异质结器件都有研究。图4为典型的应用SiGe外延层的纵向隧穿场效应晶体管结构，包括半导体衬底1，源区2，本征区3，漏区4，栅氧层5，金属栅6，SiGe外延层8，侧墙9，由于SiGe为窄禁带材料，SiGe价带较Si材料低，器件开启时，只需要较低的栅压就能使价带弯曲到与导带重叠并发生隧穿，降低了器件开启的阈值电压和亚阈值摆幅S，增大了器件的开启电流。但是窄禁带材料在增大器件开态电流的同时也增大了器件的关态电流，增大了器件的静态功耗。
因此，寻找一种在不增大隧穿场效应晶体管关态电流的同时增大器件开态电流，即在解决开启电流较小问题的同时增大开关电流比，使隧穿场效应晶体管符合新一代器件的要求，成为了亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，在隧穿场效应晶体管的本征区内、本征区与源区的交界面上增加了一个低介电常数的介质块，提升了器件的开态电流，增大了器件的开关电流比。
本发明的技术方案如下：
一种具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底1、源区2、本征区3、漏区4、栅氧层5、金属栅6、侧墙9，其特征在于，还包括位于本征区内的介质块10，所述介质块10设置在本征区与源区的交界面上，所述介质块可改变隧穿结位置的电场分布，使隧穿结处电场线更集中，从而提升开态电流。
进一步地，所述介质块还可以用不填充的孔代替，所述不填充的孔同样可以改变隧穿结位置的电场分布，使隧穿结处电场线更集中，从而提升开态电流。
进一步地，所述介质块10的介电常数低于本征区半导体材料的介电常数。
进一步地，所述隧穿场效应晶体管为横向隧穿场效应晶体管或纵向隧穿场效应晶体管。
当隧穿场效应晶体管为横向隧穿场效应晶体管时，所述具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管包括半导体衬底1，形成于半导体衬底之上的源区2、本征区3和漏区4，所述本征区位于源区和漏区之间，形成于本征区之上的栅氧层5和金属栅6，形成于栅氧层5和金属栅6两侧的侧墙9，其特征在于，还包括位于本征区内的介质块10，所述介质块10设置在本征区和源区的交界面上，介质块的上表面与本征区的上表面之间的距离D满足：0＜D≤5nm。
优选地，上述介质块的上表面与本征区的上表面之间的距离为5nm。
当隧穿场效应晶体管为纵向隧穿场效应晶体管时，所述具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管包括半导体衬底1，形成于半导体衬底之上的源区2、本征区3和漏区4，所述本征区位于源区和漏区之间，形成于部分源区上表面、部分源区和本征区上表面、部分源区和本征区和部分漏区上表面的栅氧层5和金属栅6，所述栅氧层5和金属栅6两侧为侧墙9，所述部分源区上方和本征区区域上方还有外延的本征区，其特征在于，还包括位于本征区内的介质块10，所述介质块10设置在本征区和源区的交界面上，且介质块10的上表面与源区2的上表面齐平。
其中，外延本征区的上表面与源区的上表面之间的距离为5～10nm。
优选地，上述外延本征区的上表面与源区的上表面之间的距离为5nm。
进一步地，上述介质块的介电常数低于本征区半导体材料的介电常数。
进一步地，上述介质块的截面为矩形、正方形、梯形等。
优选地，当上述介质块的截面为正方形时，介质块的宽度和高度均为5nm。
进一步地，上述介质块可以采用将SOI硅片的BOX层与顶层硅刻蚀掉，保留介质块区域的BOX层与顶层硅，然后在刻蚀区域内外延生长单晶硅得到。
进一步地，上述介质块还可以采用离子注入工艺(SIMOX)，在介质块区域注入氧离子，然后退火处理得到。
本发明的有益效果为：本发明通过在本征区内、本征区与源区的交界面上设置介电常数低于本征区半导体材料介电常数的介质块或者设置不填充的孔，使得当漏区指向源区的电场线经过此介质块或孔时，一部分电场线会绕开该介质块或孔，由发生隧穿的主要区域指向源区，使得隧穿结位置的电场线更集中，电场更大，导致隧穿结的能带弯曲更加陡峭，减小隧穿距离，增大隧穿几率从而增大器件的开态电流。
附图说明
图1为典型的横向隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图2为典型的纵向隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图3为“源-口袋”隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图4为具有SiGe外延隧穿层结构的纵向隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图5为现有的一种本征区外延的纵向隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图6为本发明中采用介质块调整隧穿结电场的纵向隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图7为本发明中采用介质块调整隧穿结电场的横向隧穿场效应晶体管器件的剖面图；
图8为本发明实施例使用的SOI硅片；
图9为本发明实施例制作了SiN掩膜后的SOI硅片；
图10为本发明实施例刻蚀掉BOX层和顶层硅后的硅片；
图11为本发明实施例在刻蚀区外延单晶硅后的硅片；
图12为本发明实施例去掉掩膜，并对顶层硅减薄平整化后的硅片；
图13为本发明实施例中对普通硅片的介质块区域进行掩膜离子注入；
图14为本发明实施例中对离子注入的硅片退火处理后得到的具有SiO2介质块的硅片；
图15为本发明实施例中加入了介质块的纵向隧穿场效应晶体管(图6所示)和未加入介质块的纵向隧穿场效应晶体管(图5所示)器件的转移特性曲线。
其中，1为半导体衬底，2为源区，3为本征区，4为漏区，5为栅氧层，6为金属栅，7为“源-口袋”区，8为SiGe外延层，9为侧墙，10为介质块，11为SOI硅片，12为SOI硅片BOX层，13为SOI硅片顶层硅，14为掩膜板，15为外延单晶硅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
一种具有低介电常数介质块的纵向隧穿场效应晶体管，该晶体管的剖面图如图6所示，包括半导体衬底1，形成于半导体衬底1之上的源区2、本征区3和漏区4，所述本征区位于源区和漏区之间，部分源区上方和本征区区域上方还有外延的本征区，部分源区上方外延的本征区上方为栅氧层5和金属栅6，所述栅氧层5和金属栅6的两侧为侧墙9，其特征在于，还包括位于本征区内、本征区和源区交界面上的介质块，所述介质块的上表面与源区的上表面齐平，所述介质块的截面为正方形，其高度和宽度均为5nm。
进一步地，所述介质块的介电常数低于本征区内半导体材料的介电常数。
进一步地，所述外延本征区的上表面与源区的上表面之间的距离为5nm。
进一步地，上述具有低介电常数介质块的纵向隧穿场效应晶体管可以采用如图8所示的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)硅片制作，SOI工艺较成熟，其顶层硅质量好、厚度均匀、表面平整性好，是一种优良的制备晶体管的方法，具体方法如下：首先，在如图8所示的SOI硅片表面淀积一层刻蚀阻挡层，通常采用氮化硅做掩膜，掩膜的厚度由对硅与二氧化硅的刻蚀深度决定，将介质块区域与不需要制作器件的区域用掩膜保护，对有源区掩膜进行刻蚀，如图9所示；然后对曝光区域的顶层硅和BOX层进行各向异性干法刻蚀，控制各向异性刻蚀选择比以保证刻蚀槽侧面的陡直性以及保证BOX层被刻蚀干净，确保后续工艺中生长的单晶硅的质量，如图10所示；然后对刻蚀区域进行单晶硅外延，如图11所示；由于单晶硅上才能生长单晶硅，故需要将BOX层二氧化硅去除干净，并在外延之前对槽内杂质进行清洗，并去除氮化硅掩膜，再采用CMP等工艺对顶层硅进行平整化和减薄处理，如图12所示；最后采用传统CMOS工艺进行器件制作，得到剖面图如图6所示的隧穿场效应晶体管。
进一步地，上述具有低介电常数介质块的纵向隧穿场效应晶体管也可以采用离子注入工艺(SIMOX)制备，具体方法如下：首先将普通硅片上介质块区域以外的区域用掩膜保护形成一个离子注入窗口，如图13所示；然后向离子注入窗口内注入氧离子，退火使硅氧化为二氧化硅介质块，如图14所示；最后采用传统CMOS工艺制作，得到剖面图如图6所示的隧穿场效应晶体管。
图15为图5所示纵向隧穿场效应晶体管和图6所示本发明提出的带介质块的隧穿场效应晶体管的转移特性曲线，由图15可知，本发明加入介质块后，器件的开态电流得到了明显的提升。
本发明在纵向隧穿场效应晶体管的基础上，在本征区内、本征区与源区的交界面上增加了一个低介电常数的介质块，当漏区指向源区的电场线经过该介质块时，一部分电场线会绕开该介质块，由源区上方的外延本征区指向源区，使源区靠近本征区位置的隧穿结处电场增大，能带弯曲更陡峭，减小了隧穿距离，增大了隧穿几率，增大了器件的开态电流，从一定程度上减缓了纵向隧穿场效应晶体管对栅长增大的依赖。同理，在横向隧穿场效应晶体管的本征区内、本征区与源区的交界面上增加一个低介电常数的介质块，同样也可达到增强隧穿结处电场，增大器件开态电流的效果。
Claims (10)
1.一种具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底(1)、源区(2)、本征区(3)、漏区(4)、栅氧层(5)、金属栅(6)、侧墙(9)，其特征在于，本征区内还包含一个介质块(10)，所述介质块(10)设置在本征区与源区的交界面上，所述介质块可改变隧穿结位置的电场分布，使隧穿结处电场线更集中，提升开态电流。
2.一种具有电场集中效果增强开态电流的横向隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底(1)，形成于半导体衬底之上的源区(2)、本征区(3)和漏区(4)，所述本征区位于源区和漏区之间，形成于本征区之上的栅氧层(5)和金属栅(6)，形成于栅氧层(5)和金属栅(6)两侧的侧墙(9)，其特征在于，还包括位于本征区内的介质块(10)，所述介质块(10)设置在本征区和源区的交界面上，介质块的上表面与本征区的上表面之间的距离D满足：0＜D≤5nm。
3.一种具有电场集中效果增强开态电流的纵向隧穿场效应晶体管，包括半导体衬底(1)，形成于半导体衬底之上的源区(2)、本征区(3)和漏区(4)，所述本征区位于源区和漏区之间，形成于部分源区上表面、部分源区和本征区上表面、部分源区和本征区和部分漏区上表面的栅氧层(5)和金属栅(6)，所述栅氧层(5)和金属栅(6)两侧为侧墙(9)，所述部分源区上方和本征区区域上方还有外延的本征区，其特征在于，还包括位于本征区内的介质块(10)，所述介质块(10)设置在本征区和源区的交界面上，且介质块(10)的上表面与源区(2)的上表面齐平。
4.根据权利要求1至3中任一项所述具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述介质块(10)的介电常数低于本征区半导体材料的介电常数。
5.根据权利要求1至3中任一项所述具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述介质块可采用不填充的孔代替，所述不填充的孔同样可改变隧穿结位置的电场分布，使隧穿结处电场线更集中，提升开态电流。
6.根据权利要求3所述的具有电场集中效果增强开态电流的纵向隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述外延本征区的上表面与源区的上表面之间的距离为5～10nm。
7.根据权利要求4所述的具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述介质块(10)的截面为矩形、正方形或梯形。
8.根据权利要求4所述的具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述介质块(10)的截面为正方形时，其边长为5nm。
9.根据权利要求4所述的具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述介质块(10)采用将SOI硅片的BOX层与顶层硅刻蚀掉，保留介质块区域的BOX层与顶层硅，然后在刻蚀区域内外延生长单晶硅得到。
10.根据权利要求4所述的具有电场集中效果增强开态电流的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述介质块(10)采用离子注入工艺在介质块区域注入氧离子，然后退火处理得到。
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