CN105161528A - 基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管 - Google Patents
基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于GeSn/SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管，主要解决现有基于IV族材料的隧穿场效应晶体管性能差的问题。其包括衬底(1)、源极(2)、沟道(3)和漏极(4)。源极采用Sn组分为[0.05,0.12]的单晶GeSn材料；沟道和漏极均采用Ge组分为[0.2,0.5]，Sn组分为[0.1，0.2]的SiGeSn复合材料；源极、沟道、漏极依次竖直分布，且沟道外部依次包裹有绝缘介质(5)与栅电极(6)。本发明通过源极GeSn与沟道SiGeSn两种材料相互接触，形成II型异质隧穿结，降低了隧穿势垒高度，增大了隧穿几率和器件的隧穿电流，可用于制作大规模集成电路。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种II型异质结隧穿场效应晶体管TFET，可用于制作大规模集成电路。
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进一步增多，功耗越来越受到人们的关注。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。另外，场效应晶体管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TFET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。因此，如何提高隧穿几率、增大隧穿电流成为TFET研究的重点。理论和实验已经证明II型异质结TFET比同质结TFET具有更高的隧穿电流及器件性能。
目前，用于隧穿场效应晶体管的半导体材料主要是III-V族材料，由于其具有较高的电子迁移率，且材料来源相对丰富，容易实现异质结，已经成功制备了许多高性能器件。这种III-V族材料存在三方面的缺点，一是污染环境，二是成本非常高，三是与Si基技术不兼容。
为了解决III-V族材料的不足，近年来由各国科学家开始对IV族材料体系在隧穿场效应晶体管方面的应用进行研究。IV族材料体系具有无毒、廉价、且易实现等优点，但是目前将IV族材料体系用于隧穿场效应晶体管仅限于Si、Ge材料，由于Si及SiGe为间接带隙材料且带隙较大，使得目前应用IV族材料体系的隧穿场效应晶体管与III-V族材料相比，性能差距较大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，根据IV族材料体系中GeSn、SiGeSn材料的特性，提供一种基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管，以调节能带结构，减小带隙宽度，降低隧穿势垒，增大隧穿电流，提高器件的整体性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
理论研究和实验证明，通过材料组分的调节，无论是GeSn材料，还是SiGeSn材料都能够由间接带隙材料转变为直接带隙材料，根据此原理本发明基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管，包括：衬底、源极、沟道、漏极、绝缘介质薄膜及栅电极，其特征在于：
所述源极，采用通式为Ge1-xSnx的GeSn单晶材料，其中x为Sn的组分，且0.05≤x≤0.12；
所述沟道和漏极，均采用通式为Si1-y-zGeySnz的SiGeSn复合材料，其中y为Ge的组分，z为Sn的组分，且0.1≤z≤0.2，0.2≤y≤0.5；
所述源极、沟道和漏极，在衬底上依次由下至上竖直分布，在源极与沟道的接触处形成II型异质隧穿结，所述绝缘介质薄膜和栅电极设置在沟道的外围。
制作上述II型异质结隧穿场效应晶体管的方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底上生长Sn组分为0.05～0.12的单晶GeSn材料，形成源极层；
2)利用分子束外延工艺，在源极层上生长Ge组分为0.2～0.5，Sn组分为0.1～0.2的SiGeSn复合材料，形成沟道层；
3)利用分子束外延工艺，在沟道层上生长Ge组分为0.2～0.5，Sn组分为0.1～0.2的SiGeSn复合材料，形成漏极层；
4)利用刻蚀工艺，将源极层、沟道层和漏极层四周多余部分刻蚀掉，在中间形成源极区、沟道区和漏极区的竖直分布结构；
5)对源极区、沟道区和漏极区进行离子注入：
在源极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B元素，形成P+掺杂的源极；
在沟道区中注入能量为20KeV、剂量为1015cm-3的B元素，形成P-掺杂的沟道；
在漏极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的P元素，形成N+掺杂漏极；
6)利用原子层淀积工艺，在240～260℃环境下，在沟道四周环绕依次生成绝缘介质薄膜和栅电极。
本发明采用GeSn单晶材料的源极与SiGeSn单晶材料的沟道接触形成II型异质结，此异质结不仅有助于减小隧穿势垒，而且还能增大隧穿几率，提高了隧穿电流，进而提升隧穿场效应晶体管的整体性能。
附图说明
图1为本发明场效应晶体管的结构图；
图2为本发明场效应晶体管的制作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管包括：衬底1、源极2、沟道3、漏极4、绝缘介质薄膜5及栅电极6，其中源极2、沟道3、漏极4由下而上竖直分布于衬底1上，绝缘介质薄膜5环绕包裹于沟道3四周，栅电极6环绕包裹于绝缘介质薄膜5四周。源极2采用通式为Ge1-xSnx的单晶GeSn材料，其中x为Sn的组分，0.05≤x≤0.12；沟道3和漏极4均采用通式为Si1-y-zGeySnz的SiGeSn复合材料，其中y为Ge组分，z为Sn组分，0.1≤z≤0.2,0.2≤y≤0.5。
由于在GeSn、SiGeSn两种材料特有的能带性质，两种材料在接触处能够形成有效的II型隧穿结，进而提升器件性能。
参照图2，本发明制作基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管的方法，给出如下三种实施例。
实施例1：制作基于Ge0.92Sn0.08-Si0.47Ge0.33Sn0.20材料的II型异质结隧穿场效应晶体管
步骤1：利用分子束外延工艺，在Ge衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在10-4pa的压强下，温度为180℃，生长Sn组分为0.08的GeSn单晶，形成源极层，如图2a；
步骤2：利用分子束外延工艺，在源极层上，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在10-4pa的压强下，温度为180℃，生长Ge组分为0.33、Sn组分为0.20的SiGeSn复合材料，形成沟道层，如图2b；
步骤3：利用分子束外延工艺，在沟道层上，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa、温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.33、Sn组分为0.20的SiGeSn复合材料，形成漏极层如图2c。
步骤4：利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将源极层、沟道层和漏极层四周多余部分刻蚀，在中间形成自下而上的源极区、沟道区和漏极区竖直分布结构，如图2d。
步骤5：对源极区、沟道区和漏极区进行离子注入：
在源极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B元素，形成P+掺杂的源极2；
在沟道区中注入能量为20KeV、剂量为1015cm-3的B元素，形成P-掺杂的沟道3；
在漏极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的P元素，形成N+掺杂漏极4，如图2e；
步骤6：利用原子层淀积工艺，在环境温度为240℃的N2、O2氛围下，先在沟道3四周环绕淀积绝缘介质SiO2形成绝缘介质薄膜5；再在绝缘介质薄膜5的四周环绕淀积金属薄膜形成栅电极6，从而实现在沟道3四周环绕依次生成绝缘介质薄膜5和栅电极6的结构，如图2f，完成器件制作。
实施例2：制作基于Ge0.90Sn0.10-Si0.40Ge0.40Sn0.20材料的II型异质结隧穿场效应晶体管
步骤一：利用分子束外延工艺，在Si衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Sn组分为0.10的GeSn单晶，形成源极层，如图2a。
步骤二：利用分子束外延工艺，在源极层上，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.40、Sn组分为0.20的SiGeSn复合材料，形成沟道层，如图2b。
步骤三：利用分子束外延工艺，在沟道层上，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.40、Sn组分为0.20的SiGeSn复合材料，形成漏极层，如图2c。
步骤四：在中间形成源极区、沟道区和漏极区竖直分布的结构，如图2d。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
步骤五：对源极区、沟道区和漏极区进行离子注入，如图2e
本步骤的具体实现与实施例1的步骤5相同。
步骤六：利用原子层淀积工艺，在250℃环境下，在N2、O2氛围下，先在沟道3四周环绕淀积绝缘介质Al2O3形成绝缘介质薄膜5；再在绝缘介质薄膜5的四周环绕淀积金属薄膜形成栅电极6，从而实现在沟道3四周环绕依次生成绝缘介质薄膜5和栅电极6的结构，如图2f。
实施例3：制作基于Ge0.88Sn0.12-Si0.30Ge0.50Sn0.20材料的II型异质结隧穿场效应晶体管。
步骤A：利用分子束外延工艺，在SOI衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Sn组分为0.12的GeSn单晶，形成源极层，如图2a；
步骤B：利用分子束外延工艺，在源极层上以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.50、Sn组分为0.20的SiGeSn复合材料，形成沟道层，如图2b。
步骤C：利用分子束外延工艺，在沟道层上，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在压强为10-4pa，温度为180℃的条件下，生长Ge组分为0.50、Sn组分为0.20的SiGeSn复合材料，形成漏极层，如图2c；
步骤D：在中间形成源极区、沟道区和漏极区竖直分布的结构，如图2d。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
步骤E：对源极区、沟道区和漏极区进行离子注入，如图2e
本步骤的具体实现与实施例1的步骤5相同。
步骤F：利用原子层淀积工艺，在260℃环境下，在NH3氛围下，先在沟道3四周环绕淀积绝缘介质HfO2形成绝缘介质薄膜5，再在HfO2绝缘介质薄膜5的四周环绕淀积金属薄膜形成栅电极6，从而实现在沟道3四周环绕依次生成绝缘介质薄膜5和栅电极6的结构，如图2f。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管，包括：衬底(1)、源极(2)、沟道(3)、漏极(4)、绝缘介质薄膜(5)及栅电极(6)，其特征在于：
所述源极(2)，采用通式为Ge1-xSnx的GeSn单晶材料，其中x为Sn的组分，且0.05≤x≤0.12；
所述沟道(3)和漏极(4)，均采用通式为Si1-y-zGeySnz的SiGeSn复合材料，其中y为Ge的组分，z为Sn的组分，且0.1≤z≤0.2，0.2≤y≤0.5；
所述源极(2)、沟道(3)和漏极(4)，在衬底(1)上依次由下至上竖直分布，在源极(2)与沟道(3)的接触处形成II型异质隧穿结，所述绝缘介质薄膜(5)和栅电极(6)设置在沟道(3)的外围。
2.如权利要求1所述的基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管，其特征在于：衬底(1)采用单晶Ge材料或其他单晶材料。
3.如权利要求1所述的基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管，其特征在于：绝缘介质薄膜(5)包裹在沟道(3)的外部，栅电极(6)包裹在绝缘介质薄膜(5)的外部，形成由内而外逐层环绕包裹结构。
4.基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底(1)上生长Sn组分为0.05～0.12的单晶GeSn材料，形成源极层；
2)利用分子束外延工艺，在源极层上生长Ge组分为0.2～0.5，Sn组分为0.1～0.2的SiGeSn复合材料，形成沟道层；
3)利用分子束外延工艺，在沟道层上生长Ge组分为0.2～0.5，Sn组分为0.1～0.2的SiGeSn复合材料，形成漏极层；
4)利用刻蚀工艺，将源极层、沟道层和漏极层四周多余部分刻蚀掉，在中间形成源极区、沟道区和漏极区的竖直分布结构；
5)对源极区、沟道区和漏极区进行离子注入：
在源极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的B元素，形成P+掺杂的源极(2)；
在沟道区中注入能量为20KeV、剂量为1015cm-3的B元素，形成P-掺杂的沟道(3)；
在漏极区中注入能量为20KeV、剂量为1019cm-3的P元素，形成N+掺杂漏极(4)；
6)利用原子层淀积工艺，在240～260℃环境下，在沟道(3)四周环绕依次生成绝缘介质薄膜(5)和栅电极(6)。
5.如权利要求4所述的基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管的制作方法：其中所述步骤1)的分子束外延工艺，是以固体Ge和Sn作为蒸发源，温度为180℃，在10-4pa的压强下外延GeSn层。
6.如权利要求4所述的基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管的制作方法：其中所述步骤2)和3)的分子束外延工艺，均是以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，温度为180℃，在10-4pa的压强下外延SiGeSn层。
7.如权利要求4所述的基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管的制作方法：其中所述步骤4)的刻蚀工艺，是利用氯基原子团，在光刻胶的掩蔽作用下，刻蚀GeSn和SiGeSn材料。
8.如权利要求4所述基于GeSn-SiGeSn材料的II型异质结隧穿场效应晶体管的制作方法：其中所述步骤6)的原子层淀积工艺，是先在沟道(3)四周环绕淀积绝缘介质形成绝缘介质薄膜(5)，再在绝缘介质薄膜(5)的四周环绕淀积金属薄膜形成栅电极(6)。
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2015
- 2015-08-11 CN CN201510490383.XA patent/CN105161528A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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