CN1269222C - 一种非对称栅场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称栅场效应晶体管，目的是提供一种非对称栅场效应晶体管，它可以形成很好的沟道电场分布和电子速度分布，抑制器件的短沟效应、同时提高沟道内载流子的速度，提高器件的驱动电流、跨导及截止频率，且利于小尺寸器件的制作。本发明所提供的非对称栅场效应晶体管，包括栅氧化层、源区、漏区和衬底在内的场效应晶体管本体，在所述衬底的两端置有所述源区和漏区，在所述源区和漏区之间的衬底上置有所述栅氧化层，所述栅氧化层分为两部分，一部分靠近源区，一部分靠近漏区，所述靠近源区的栅氧化层厚度和靠近漏区的栅氧化层厚度之比为tox1/tox2＝2∶1。本发明非对称栅场效应晶体管在特征尺寸缩小以后，仍然可以有效地抑制器件的DIBL效应，改善器件的短沟道特性，是深亚微米器件的一个很好选择。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件中的场效应晶体管，特别涉及一种非对称栅场效应晶体管。
背景技术
不断缩小器件的尺寸、提高集成度以获得更好的性能是集成电路技术追求的目标，但是当器件的特征尺寸进入到深亚微米以后，器件的短沟道效应(Short-Channel-Effect)、漏致势垒降低效应(Drain-Induced-Barrier-Lower Effect，简称DIBL效应)、热载流子效应(Hot-Carrier-Effect，简称HCE效应)等日趋严重，使器件性能退化。现有技术通过沟道工程和栅工程来解决这些问题。沟道工程是通过沟道内的非均匀掺杂来提高器件的性能，所得到的沟道电场分布是连续的；而栅工程则是通过改变器件沟道内的电场分布来改善器件的特性，所得到的沟道电场分布是不连续的。
在沟道工程中，人们提出了许多新的沟道结构器件，如轻掺杂漏(Lightly-Dope-Drain，简称LDD)结构、Pocket和Halo结构等。轻掺杂漏结构可以有效地吸收漏区的电力线，降低器件的漏区电场，抑制热载流子效应(Franklin L.Duan.et al.Electron Devices，IEEE Transactions on，Volume：44 Issue：6，June 1997.Page(s)：972-977.G.-H Lee.et al.Microelectronic Engineer，Volume：28，1995，Page(s)：365-368.)。Pocket和Halo结构器件可以通过对源区进行局部重掺杂，抬高源区势垒，削弱漏区强电场对源区势垒的影响，很好地抑制器件的阈值电压漂移、源漏穿通以及器件的DIBL效应(Bin Yu.et al.Electron Devices，IEEE Transactions on，Volume：44 Issue：4，April.1997 Page(s)：627-634.Tomohisa Mizumo.Electron Devices，IEEE Transactionson，Volume：47 Issue：4，April.2000 Page(s)：756-761.)。
在栅工程中，人们也提出了许多新的栅结构器件，如条纹栅结构、异质栅结构等。一种条纹栅结构器件，在多晶硅栅电极中插入一薄层金属，改变插入的金属层的厚度可以灵活控制器件的阈值电压，从而无需对沟道掺杂进行调整，可以采用本征体区。由于减小了垂直方向电场，使器件的漏区电流和工作速度都得到了提高(R.Koh.1999International Conference on Solid State Devices and Materials，Tokyo，Page(s)：342-343.)；一种异质栅场效应晶体管，采用两种不同功函数的材料做栅电极，改变两个栅电极长度的比值和两种材料之间的功函数差来调整阈值电压，同时获得源区载流子速度过冲以及沟道电势屏蔽效应，从而一方面有效地解决了载流子传输效率问题，另一方面也较好地抑制了器件的短沟道效应以及DIBL效应(Xing Zhou.Electron Devices，IEEETransactions on，Volume：47，January 2000Page(s))。
但是上述LDD结构增加了器件源漏区的串联电阻，会使器件的驱动电流降低；Pocket结构中，当Pocket的注入剂量/能量增加时，器件的阈值电压升高，也使器件的饱和驱动电流降低，这都影响了器件的工作速度。而条纹栅结构和异质栅结构器件，在器件的特征尺寸进入到深亚微米以后，随着细线条越来越难制备，这种复杂的栅结构也更难实现，不利于小尺寸器件的制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种非对称栅场效应晶体管，它可以形成很好的沟道电场分布和电子速度分布，抑制器件的短沟道效应，同时提高沟道内载流子的速度，提高器件的驱动电流、跨导及截止频率，且利于小尺寸器件的制作。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种非对称栅场效应晶体管，包括栅氧化层、源区、漏区和衬底在内的场效应晶体管本体，在所述衬底的两端置有所述源区和漏区，在所述源区和漏区之间的衬底上置有所述栅氧化层，所述栅氧化层分为两部分，一部分靠近源区，一部分靠近漏区，靠近源区部分的栅氧化层厚度大于靠近漏区的栅氧化层厚度。
依上述方案制造出的是非对称的栅氧场效应晶体管。
所述非对称栅场效应晶体管衬底掺杂浓度Np-＝5×1016cm-3，源、漏区N+掺杂浓度Nn+＝1×1020cm-3、源区和衬底的电压Vs＝Vsub＝0V。
所述靠近源区的栅氧化层厚度和靠近漏区的栅氧化层厚度之比为tox1/tox2＝2∶1。其中优选的是靠近源区的栅氧厚度tox1＝20nm，靠近漏区的栅氧厚度tox2＝10nm；或者是靠近源区的栅氧厚度tox1＝4nm，靠近漏区的栅氧厚度tox2＝2nm。
本发明所提供的非对称栅氧场效应晶体管与常规场效应晶体管相比，具有如下优点：
1)具有稳定的源区电势，受漏区电势波动的影响较小；
2)减小了因短沟道效应和DIBL效应引起的阈值电压漂移；
3)提高沟道电场强度，降低了器件的漏区电场，抑制了热载流子效应；
4)提高沟道平均电子速度，解决了沟道载流子输运的瓶颈问题；
5)提高驱动电流，增加器件的驱动能力；
6)特征尺寸缩小以后，仍然可以有效地抑制器件的DIBL效应，改善器件的短沟道特性，是深亚微米器件的一个很好选择。
附图说明
图1为本发明场效应晶体管结构示意图
图2(a)为常规结构器件在不同漏压下的沟道电势分布示意
图2(b)为非对称栅氧结构器件在不同漏压下的沟道电势分布示意图
图3(a)为常规结构与非对称栅氧结构器件的由短沟道效应引起的阈值电压漂移对比图
图3(b)为常规结构与非对称栅氧结构器件的由DIBL效应引起的阈值电压漂移对比图
图4(a)为非对称栅氧结构器件的沟道电场分布图
图4(b)为常规结构器件的沟道电场分布图
图5(a)为非对称栅氧结构器件的沟道电子速度分布图
图5(b)为常规结构器件的沟道电子速度分布图
图6为非对称栅氧结构和常规结构器件的输入输出特性对比图
图7为沟道长度为100nm的非对称栅氧结构和常规结构器件的转移特性对比图
具体实施方式
为了说明本发明提供的非对称栅场效应晶体管的性能，用二维器件模拟软件DESSIS ISE(6.0版本)对非对称栅场效应晶体管的特性进行模拟分析。并且同时与常规结构(即栅氧化层没有变化)场效应晶体管的特性进行对比。本发明非对称栅氧场效应晶体管的结构如图1所示，包括具有栅氧化层1、源区2、漏区3及衬底4在内的场效应晶体管本体，栅氧化层1分为靠近源区11与靠近漏区12两部分，靠近源区部分的栅氧化层11厚度比靠近漏区的栅氧化层12厚度大很多。靠近源区的栅氧化层厚度和靠近漏区的栅氧化层厚度之比为tox1/tox2＝2∶1。
具体实施例中器件的参数为：衬底掺杂浓度Np-＝5×1016cm-3、源、漏区N+掺杂浓度Nn+＝1×1020cm-3、源区和衬底的电压Vs＝Vsub＝0V；非对称栅氧结构中，靠近源区的栅氧厚度tox1＝20nm、长度Ls，靠近漏区的栅氧厚度tox2＝10nm，长度Ld；常规结构中，栅氧化层的厚度tox＝20nm。通过改变器件的漏区电压Vds、源区栅氧长度Ls和漏区栅氧长度Ld来得到器件的特性。模拟中采用流体动力学和量子效应模型；复合模型采用了SRH、Auger、Band2band和Avalanche模型；迁移率模型采用了dopingDependence、High field saturation、Enormal和PhuMob模型。
实施例1：常规结构器件与非对称栅氧场器件在不同漏区电压下的沟道电势分布比较
使栅电压Vgs＝源电压Vs＝0V，漏区电压以1V为步长，由0V变化到5V，得到常规结构器件与非对称栅氧场器件在不同漏区电压下的沟道电势分布情况，如图2(a)、(b)所示。图中横坐标从左至右是器件从源到漏的方向。
从图2(b)可以看出，本发明结构通过非对称栅氧设计，在沟道内造成了一个台阶电势分布，使得当漏区电势发生变化时，大部分漏压降落在tox2区域的下方沟道内，源区沟道电势被钳位在一个固定值，从而源区电势不再受漏区电势波动的影响，漏电压被屏蔽在栅氧化层tox2之下，使得短沟引起的阈值电压漂移以及漏致感应势垒降低(DIBL)效应被有效地抑制。相比之下，常规结构源区的势垒当沟道变得越来越小时，对漏区电势有很大的敏感性，并且随着漏电压的增加而势垒降低，如图2(a)所示。
实施例2：常规结构与非对称栅氧结构器件由短沟效应和DIBL效应引起的阈值电压漂移对比
图3(a)(b)分别给出了非对称栅氧结构和常规结构器件的由短沟道效应和DIBL效应引起的阈值电压漂移。其中，两种结构器件的沟道长度为源区栅氧沿沟道方向的长度和漏区栅氧沿沟道方向的长度之和(即L＝Ls+Ld)。
图3(a)是固定了Ls＝0.5μm，变化Ld，得到不同的沟道长度，从而得到器件在不同沟道长度下的阈值电压漂移(即：VT-rolloff＝VT-L＝0.9μm-VT-L；阈值电压定义为：当漏电流IDS＝1×10-7×(W/L)A/μm时所对应的栅压)。可以看出，当漏区栅氧的长度由0.4μm变化到0.1μm时，非对称栅氧结构器件的阈值电压漂移比常规结构的阈值电压漂移减小了30多毫伏，明显改善了器件的短沟道效应。
图3(b)则是固定沟道长度L＝1μm，变化漏区电压Vds，从而得到器件在不同漏压下的阈值电压漂移(即：VT-rolloff＝VT-Vds＝0.5V-VT-Vds)。由图3(b)可知，当漏区电压Vds由0.5V变化到3.5V时，非对称栅氧结构器件的阈值电压漂移仅有微小变化，而常规结构器件的阈值电压漂移却有较大的变化。这是由于非对称栅氧结构的沟道电势台阶屏蔽效应，使得非对称栅氧结构器件可以有效地抑制器件的DIBL效应。
实施例3：常规结构与非对称栅氧结构器件的沟道电场分布图
图4(a)(b)分别给出了非对称栅氧结构和常规结构器件的沟道电场分布图。由图可以看出，一方面由于非对称栅氧结构沟道电场的台阶效应，引起了其沿沟道方向电场分布的变化。常规结构器件在沟道内的平均电场强度为1.8×104V/cm；而非对称栅氧结构器件的平均电场强度为1.4×105V/cm，即非对称栅氧结构可以使器件的沟道电场整体提高约7倍左右，这就使得其载流子的平均速度有望得到大大提高。另一方面，常规结构器件在漏区有很强的电场，值约为2.0×105V/cm；而非对称栅氧结构器件的漏区平均电场强度约为1.3×105V/cm，比常规结构器件减小了35％，大大降低了器件的漏区电场，削弱了漏区的碰撞离化现象，有效地抑制了器件的热载流子效应。
实施例4：常规结构与非对称栅氧结构器件的沟道电子速度分布图
图5(a)(b)给出了非对称栅氧结构和常规结构器件的沟道电子速度分布图。其中，栅压Vg＝0.1V，而漏压以0.2V为步长，从0.1V变化到0.7V。
由图5(a)，非对称栅氧结构器件的独特沟道电场分布使沟道内的电子速度分布有两个峰值，其中一个较高的峰靠近源区，造成了器件在源区的速度过冲效应，大大提高了载流子在源区的速度，解决了沟道载流子输运的瓶颈问题。
由图5(b)可知，常规结构器件的电子以一个非常低的初速度进入沟道，在向漏区运动的过程中慢慢加速，在漏区达到电子的最大漂移速度(也即电子速度分布仅有一个峰值)，因此电子在漏区运动很快，而在源区速度较低。又由于器件的输运效率主要与沟道中电子的平均输运速度密切相关，所以常规结构器件由于源区载流子的速度较低，导致器件在沟道中的平均速度也远远低于非对称栅氧结构器件。
由此，可以看出，非对称栅氧结构器件的输运效率大大提高。
实施例5：非对称栅氧结构和常规结构器件的输入输出特性对比
图6给出了非对称栅氧结构和常规结构器件的输入输出曲线。其中，非对称栅氧结构器件的沟道长度L＝Ls+Ld＝0.5μm+0.5μm＝1μm，常规器件的沟道长L＝1μm。由于非对称栅氧结构器件的沟道电场的台阶分布及沟道内的载流子速度过冲效应，使得在相同条件下，与常规结构器件相比，非对称栅氧结构器件的驱动电流大大提高。当Vg＝1.0V时，非对称栅氧结构器件的饱和驱动电流是常规结构的1.6倍。可以看出，非对称栅氧结构器件可以增加器件的驱动能力。
实施例6：沟道长度为100nm的非对称栅氧结构和常规结构器件的转移特性对比
为了考察非对称栅氧结构器件在器件的特征尺寸进入到亚微米以后的器件的性能，选取了一组结构参数进行了ISE模拟。取Ls＝Ld＝50nm，沟道长度L＝100nm、衬底掺杂浓度Np-＝1×1018cm-3、源、漏区N+掺杂浓度Nn+＝1×1020cm-3，对于非对称栅场效应晶体管，靠近源区的栅氧厚度tox1＝4nm，靠近漏区的栅氧厚度tox2＝2nm；对于常规结构器件，栅氧化层的厚度tox＝4nm。
图7给出了非对称栅氧结构和常规结构器件的转移特性。可以看出，当漏压Vds＝0.1V时，非对称栅氧结构和常规结构器件的亚阈值斜率分别为81mV/dec，88mV/dec；当Vds＝2.0V时，两种结构器件的亚阈值斜率分别为62mV/dec和66mV/dec。这说明非对称栅氧结构器件保持了较好的亚阈特性。又由图7可知，常规结构器件的由DIBL效应引起的阈值电压漂移为114mV，而非对称栅氧结构的为60mV，即采用非对称栅氧结构可以使器件的阈值电压漂移减小将近1倍左右。这就足以说明当器件的特征尺寸缩小以后，非对称栅氧结构器件仍然可以有效地抑制器件的DIBL效应，改善器件的短沟道特性，为深亚微米器件的一个很好选择。
Claims (4)
1、一种非对称栅场效应晶体管，包括栅氧化层、源区、漏区和衬底在内的场效应晶体管本体，在所述衬底的两端置有所述源区和漏区，在所述源区和漏区之间的衬底上置有所述栅氧化层，其特征在于：所述栅氧化层分为两部分，一部分靠近源区，一部分靠近漏区，所述靠近源区的栅氧化层厚度和靠近漏区的栅氧化层厚度之比为tox1/tox2＝2∶1。
2、根据权利要求1所述的一种非对称栅场效应晶体管，其特征在于：所述非对称栅场效应晶体管衬底掺杂浓度Np-＝5×1016cm-3，源、漏区N+掺杂浓度Nn+＝1×1020cm-3、源区和衬底的电压Vs＝Vsub＝0V。
3、根据权利要求1或2所述的一种非对称栅场效应晶体管，其特征在于：所述靠近源区的栅氧厚度tox1＝20nm，靠近漏区的栅氧厚度tox2＝10nm。
4、根据权利要求1或2所述的一种非对称栅场效应晶体管，其特征在于：所述靠近源区的栅氧厚度tox1＝4nm，靠近漏区的栅氧厚度tox2＝2nm。
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