CN105870170A - 一种肖特基结隧穿场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肖特基结隧穿场效应晶体管，包括第一栅极、源区、漏区、沟道区、重掺杂pocket区、第一栅介质层、第二栅极和第二栅介质层；本发明在漏区利用金属或金属硅化物代替重掺杂的硅或者其他的半导体材料从而在漏区与沟道接触面形成了一个肖特基接触，由于肖特基势垒的存在使器件沟道区的能带弯曲变得缓慢从而使增大器件的隧穿势垒宽度，并且肖特基势垒的存在有效地调节了器件沟道区和漏区的电场分布，从而降低了肖特基结附近的电场强度，因此肖特基结隧穿晶体管可以有效的抑制短沟道效应，当其特征尺寸缩小到亚10纳米后仍然具有较好的开关特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路用器件,主要是一种肖特基结隧穿场效应晶体管。
背景技术
为了使TFET器件可以作为理想的开关器件应用在超低功耗电路中，所以TFET器件特征尺寸的缩小规律必须满足国际半导体技术发展路线(International Technology Roadmap for Semiconductor,ITRS)。然而，随着器件特征尺寸的不断缩小，短沟道效应严重影响了器件的开关特性。由于TFET器件发生带带隧穿的区域很小，所以，即使在没有采用先进技术的情况下，传统的p-i-n结构TFET器件也具有良好的可伸缩性。然而，当TFET的特征尺寸缩小至亚30纳米范围内也将严重影响器件的性能，这主要由于在一定的漏极偏压下器件中形成一定强度的电场导致了源区和沟道区中价带中的电子可以直接隧穿到达漏区导带中而形成亚阈值区泄漏电流。一些技术方法，比如：高k栅介质材料、双栅结构、优化体硅厚度等，已经被用来增强栅极与沟道耦合强度来增加栅极对隧穿结的控制能力。尽管这些技术方法可以通过增强器件的栅控能力来尽可能的限制短沟道效应，但是当器件的特征尺寸缩小到亚20纳米范围内，由于源区和漏区距离变得非常小电子由源极直接隧穿到达漏区的几率显著增大因而短沟道效应会非常明显。因此，当器件的特征尺寸缩小到亚15纳米范围内继续通过增加栅控能力来抑制短沟道效应将会变得非常局限。
近期有文章在理论上详细分析了较短特征尺寸的p-i-n TFET器件，研究结果表明TFET器件只有在较长特征尺寸时的转移特性才比相应尺寸时MOSFET的好，当器件特征尺寸的缩小到一定范围时TFET器件的可伸缩性退化速度远大于其对比器件MOSFET。当器件的特征尺寸缩小到亚10纳米时，采用非对称沟道即渐变的异质结来解决短沟道效应问题已发表在相关文章中。然而这种方法需要更加先进的工艺技术所以给制造工艺带来了很大挑战。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种肖特基结隧穿场效应晶体管，该器件与传统的p-i-n结构的不同之处在于漏极区的重掺杂区由金属硅化物代替从而在漏极区与沟道接触面形成了一个肖特基接触即形成p-i-s(s代表金属硅化物)，这里称这种新结构的TFET器件为非对称漏区肖特基结隧穿晶体管(Asymmetric Schottky-junction Drain Tunnel Field-Effect Transistor,简称ASD-TFET，肖特基结隧穿晶体管)。器件的源或漏区采用硅化物代替硅主要有以下优点：有效抑制寄生效应、较好的缩小特性、工艺简单、较低热预算。由于硅化物具有较低电阻以及与硅接触面可以形成突变结，所以SB-MOSFET的特征长度被证实可以缩小到亚10纳米。本章所提出的这一结构——ASD-TFET，目的就是将肖特基的这些优势应用到TFET器件中，从而使TFET器件的特征长度缩小至亚10纳米以后依然能够具有较好的开关特性实现本发明目的技术方案。
一种肖特基结隧穿场效应晶体管，包括第一栅极、源区、漏区、沟道区、重掺杂pocket区、第一栅介质层、第二栅极和第二栅介质层；其中沟道区的上下两侧分别设有第一栅介质层和第二栅介质层；第一栅介质层上方设有第一栅极，第二栅介质层下方设有第二栅极；第一栅极、第一栅介质层、第二栅极和第二栅介质层保持上下对称；源区和漏区设置在沟道区的两侧，重掺杂pocket区在源区与沟道区之间；
所述的源区掺杂浓度不低于5×1019cm-3。
所述的漏区是由金属或者金属硅化物构成，且与沟道区中的硅或其它半导体材料形成肖特基接触。
所述的沟道区为本征区或低掺杂浓度，且掺杂浓度不高于1×1017cm-3。
所述的重掺杂pocket区掺杂浓度为1×1019cm-3—9×1019cm-3，且宽度为1nm—4nm。
本发明在漏区利用金属或金属硅化物代替重掺杂的硅或者其他的半导体材料从而在漏区与沟道接触面形成了一个肖特基接触，由于肖特基势垒的存在使器件沟道区的能带弯曲变得缓慢从而使增大器件的隧穿势垒宽度，并且肖特基势垒的存在有效地调节了器件沟道区和漏区的电场分布，从而降低了肖特基结附近的电场强度，因此肖特基结隧穿晶体管可以有效的抑制短沟道效应，当其特征尺寸缩小到亚10纳米后仍然具有较好的开关特性。
附图说明
图1是肖特基结隧穿晶体管结构示意图。
图2是肖特基结隧穿晶体管与传统隧穿晶体管器件在不同栅长小的转移特性曲线图。
图3(a)是肖特基结隧穿晶体管与传统隧穿晶体管当栅长均为10nm且处于关态时能带分布图。
图3(b)是肖特基结隧穿晶体管与传统隧穿晶体管当栅长均为10nm且处于关态时电场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明进行具体阐述。
如图1所示一种肖特基结隧穿场效应晶体管，包括第一栅极1、源区2、漏区3、沟道区4、重掺杂pocket区5、第一栅介质层6、第二栅极8和第二栅介质层7；其中沟道区4的上下两侧分别设有第一栅介质层6和第二栅介质层7；第一栅介质层6上方设有第一栅极1，第二栅介质层7下方设有第二栅极8；第一栅极1、第一栅介质层6、第二栅极8和第二栅介质层7保持上下对称；源区2和漏区3设置在沟道区4的两侧，重掺杂pocket区5在源区2与沟道区4之间；
所述的源区2掺杂浓度不低于5×1019cm-3。
所述的漏区3是由金属或者金属硅化物构成，且与沟道区4中的硅或其它半导体材料形成肖特基接触。
所述的沟道区4为本征区或低掺杂浓度，且掺杂浓度不高于1×1017cm-3。
所述的重掺杂pocket区5掺杂浓度为1×1019cm-3—9×1019cm-3，且宽度为1nm—4nm。
如图2所示，是不同栅极长度下肖特基结隧穿晶体管(ASD-TFET)与传统隧穿晶体管器件(C-TFET)转移特性曲线比较示意图。两器件的n+pocket区长度均为2nm，n+pocket区掺杂浓度均为5×1019atoms/cm3，肖特基结隧穿晶体管漏区肖特基结的金属功函数Φm＝4.57eV。当偏压VGS＝0V且VDS＝0.4V时，器件处于关态，从图2可以清晰的看出肖特基结隧穿晶体管器件拥有更小的泄露电流，肖特基结隧穿晶体管器件的漏极电流相比传统隧穿晶体管器件小了2～3个数量级。而对于肖特基结隧穿晶体管器件与传统隧穿晶体管器件的开态电流相差并不太大。所以由仿真结果可以得出肖特基结隧穿晶体器件不论栅长为10纳米还是亚10纳米都表现出了较好的开关特性，而传统隧穿晶体管器件却表现出了显著的短沟道效应，尤其当栅长缩小到亚10纳米以内该效应尤为显著。
如图3所示，肖特基结隧穿晶体管与传统隧穿晶体管当栅长均为10nm且处于关态时能带和电场分布图。从图3(a)可看出ASD-TFET器件从沟道至漏区的能带弯曲比C-TFET的变得缓慢，因此这样会使ASD-TFET器件比C-TFET器件有一个较大的隧穿势垒宽度。这样使器件在亚10纳米范围内可以有效的抑制载流子由源区直接隧穿到达漏区从而有效地减小了器件在关断状态时的泄漏电流。同时由图3(b)可以看到，ASD-TFET器件沟道和漏区的电场强度比C-TFET明显减小了很多，这是主要由于在ASD-TFET中漏区硅化物与沟道中半导体材料硅之间形成了肖特基接触。由于带带隧穿电流的大小主要取决于器件隧穿结处的电场强度以及隧穿势垒宽度，由图3可以看出ASD-TFET器件在关态时具有较大的隧穿势垒宽度以及较小的电场强度所以ASD-TFET器件就有更小的关态泄漏电流。ASD-TFET器件中由于肖特基势垒的存在使器件沟道区的能带弯曲变得缓慢从而使增大器件的隧穿势垒宽度，并且肖特基势垒的存在有效地调节了器件沟道区和漏区的电场分布，从而降低了肖特基结附近的电场强度，因此ASD-TFET器件可以有效的抑制短沟道效应，当其特征尺寸缩小到亚10纳米后仍然具有较好的开关特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种肖特基结隧穿场效应晶体管，特征在于，包括第一栅极(1)、源区(2)、漏区(3)、沟道区(4)、重掺杂pocket区(5)、第一栅介质层(6)、第二栅极(8)和第二栅介质层(7)；其中沟道区(4)的上下两侧分别设有第一栅介质层(6)和第二栅介质层(7)；第一栅介质层(6上方设有第一栅极(1)，第二栅介质层(7)下方设有第二栅极(8)；第一栅极(1)、第一栅介质层(6)、第二栅极(8)和第二栅介质层(7)保持上下对称；源区(2)和漏区(3)设置在沟道区(4)的两侧，重掺杂pocket区(5)在源区(2)与沟道区(4)之间。
2.根据权利要求1所述一种肖特基结隧穿场效应晶体管，其特征在于：源区(2)掺杂浓度不低于5×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述一种肖特基结隧穿场效应晶体管，其特征在于：漏区(3)是由金属或者金属硅化物构成，且与沟道区(4)中的硅或其它半导体材料形成肖特基接触。
4.根据权利要求1和3所述的一种肖特基结隧穿场效应晶体管，其特征在于：沟道区(4)为本征区或低掺杂浓度，且掺杂浓度不高于1×1017cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种肖特基结隧穿场效应晶体管，其特征在于：，重掺杂pocket区(5)掺杂浓度为1×1019cm-3—9×1019cm-3，且宽度为1nm—4nm。
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