CN1527398A - 一种组合栅场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场效应晶体管，目的是提供一种低静态功耗、低关态电流、高电流开关比的场效应晶体管器件。本发明的技术方案为：一种场效应晶体管，包括栅、源端、漏端和衬底在内的场效应晶体管本体，所述源端和漏端设于所述衬底的两端，所述栅设于所述源端和漏端之间的衬底，所述栅分为三部分，分别为靠近源端部分栅，靠近漏端部分栅，和中间部分栅，所述中间部分栅为多晶硅材料。对本发明的模拟结果表明：适当提高靠近源端栅材料的功函数，降低靠近漏端栅材料的功函数能够显著降低器件的关态泄漏电流，减小器件的静态功耗，提高器件的电流开关比，当源、漏端的功函数为一定值时，mpolypoly结构和mpolym结构的由DIBL效应引起的阈值电压漂移有一个最小值。

Description

一种组合栅场效应晶体管

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别涉及一种场效应晶体管。

背景技术

制造高速度、低功耗的半导体器件是半导体工艺的核心。在场效应晶体管的制备技术中，一个关键问题是要降低关态泄漏电流，减小器件的静态功耗，提高器件的电流开关比、尽可能减小由DIBL效应引起的阈值电压漂移。解决这个问题对制造高速、低功耗的集成电路有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低静态功耗、低关态电流、高电流开关比的场效应晶体管器件，为改善器件性能提供一个优化的方向。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种场效应晶体管，包括栅、源端、漏端和衬底在内的场效应晶体管本体，所述源端和漏端设于所述衬底上的两端，所述栅设于所述源端和漏端之间的衬底上，所述栅分为三部分，分别为靠近源端部分栅，靠近漏端部分栅，和中间部分栅，所述中间部分栅为多晶硅材料。

所述晶体管有三种结构：polypolym型、mpolypoly型、以及mpolym型。

所述polypolym型场效应晶体管的特征为：器件靠近源端以及中间部分的栅材料为多晶硅，靠近漏端的栅材料功函数为变量。

所述mpolypoly型场效应晶体管的特征为：器件靠近漏端以及中间部分的栅材料为多晶硅，而靠近源端栅材料的功函数为变量。

所述mpolym型场效应晶体管的特征为：器件的栅仅中间部分为多晶硅，靠近源、漏两端栅材料的功函数均为变量。

所述晶体管沟道长度为100nm。

所述晶体管栅氧化层厚度为5nm。

所述晶体管源漏区掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，结深为100nm。

所述晶体管轻掺杂漏(LDD)区的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深为50nm；

所述晶体管衬底的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

所述组合栅场效应晶体管的优选结构为：mpolypoly型或mpolym型，适当提高靠近源端栅材料的功函数，降低靠近漏端栅材料的功函数。

在本发明中，所说的金属功函数是指一个电子越过金属和绝缘体接触的表面势垒时所需要的能量，即：功函数Φ_m为真空能级E₀和金属的费米能级E_fm之差，Φ_m＝E₀-E_fm。而半导体的功函数由能带图可得：

${\mathrm{\Φ}}_s={\mathrm{\χ}}_s+\frac{E_g}{2}+q{\mathrm{\Φ}}_f\left(\mathrm{eV}\right)$ (p型)；

${\mathrm{\Φ}}_s={\mathrm{\χ}}_s+\frac{E_g}{2}-{\mathrm{q\Φ}}_f\left(\mathrm{eV}\right)$ (n型)

其中，亲和能χ为半导体和绝缘体接触时的表面势垒高度，即真空能级E₀和导带底能级Ec之差，χ＝E₀-Ec。硅的费米势 ${\mathrm{\Φ}}_f{=V}_t\ln \left(\frac{N_b}{n_i}\right)\left(V\right).$

本发明所提出的组合栅场效应晶体管，栅材料的功函数对器件特性影响的模拟结果表明：适当提高靠近源端栅材料的功函数，降低靠近漏端栅材料的功函数能够显著降低器件的关态泄漏电流，减小器件的静态功耗，提高器件的电流开关比，当靠近源、漏两端栅材料的功函数为一定值时，mpolypoly结构和mpolym结构的阈值电压漂移有一个最小值。本发明为场效应晶体管器件的性能优化、栅材料工程的优化指明了一个方向。

附图说明

图1为本发明场效应晶体管的结构示意图。

图2为三种结构器件的靠近源、漏两端栅材料功函数变化对Ioff的影响的比较结果

图3为三种结构器件的靠近源、漏两端栅材料功函数变化对Ion的影响的比较结果

图4为三种结构器件的靠近源、漏两端栅材料功函数变化对的电流开关比的影响的比较结果

图5为三种栅结构器件的由DIBL效应引起的阈值电压漂移的比较结果

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细阐述。

如图1所示，本发明所述组合栅场效应晶体管包括源端1、漏端2、栅、衬底4、栅氧化层9在内的场效应晶体管本体，源端1和漏端2设于衬底4上的两端，栅设于源端1和漏端2之间的衬底4上，栅分为三个部分：靠近源端的部分6、中间部分7以及靠近漏端的部分8；中间部分7为多晶硅材料。其中，沟道5的长度为100nm；栅氧化层厚度为5nm；源漏区掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，结深为100nm；轻掺杂漏(LDD)区10的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深为50nm；衬底的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。用二维器件模拟软件—ISE对器件的特性进行了模拟。

实施例1：三种结构器件的靠近源、漏端栅材料功函数变化对Ioff的影响

如图2所示，对Ioff而言：mpolypoly结构中，靠近源端栅材料功函数越高，Ioff越小；mpolym结构中，靠近源、漏两端栅材料的功函数都同时变小，Ioff降低很多，但好处相对mpolypoly结构而言不大；而在polypolym结构中，靠近漏端栅材料的功函数的变化对Ioff基本上没有影响。三条曲线的交点即为栅材料是多晶硅的常规器件结构情况。所以可以看出，mpolypoly结构和mpolym结构均显示了优于常规结构器件的特性。当靠近源、漏两端栅材料的功函数为5.6时，mpolypoly结构和mpolym结构器件的Ioff要比常规结构器件的Ioff小将近6个量级。而polypolym结构的Ioff与常规结构的Ioff差别不大。

实施例2：三种结构器件的靠近源、漏两端栅材料功函数变化对Ion的影响

如图3所示，对Ion而言：polypolym结构中，靠近漏端栅材料功函数越低越好；在mpolypoly结构中，靠近源端栅材料的功函数越低越好；mpolym结构中，靠近源、漏两端栅材料的功函数同时变低也很好，但是和mpolypoly结构相差不多。又由纵坐标可知，三种结构Ion的变化均是同一量级上的变化。当靠近源、漏两端栅材料的功函数大于4.64时，虽然mpolypoly结构和mpolym结构的Ion小于常规结构器件，但是它的变化很小，对器件的工作速度影响不大。而polypolym结构的Ion与常规结构相比几乎没有变化。

实施例3：三种结构器件的靠近源、漏两端栅材料功函数变化对电流开关比的影响

图4为三种结构器件的电流开关比的比较结果。当靠近源、漏两端栅材料的功函数大于4.64时，mpolypoly结构和mpolym结构器件的电流开关比要大于常规结构及polypolym结构器件。当靠近源、漏两端栅材料的功函数为5.6时，polypolym结构器件的电流开关比比其他两种结构低将近6个量级。

综上，要降低器件的关态泄漏电流，减小器件的静态功耗，提高器件的电流开关比，一个非常有效的方法就是适当提高靠近源端栅材料的功函数，降低靠近漏端栅材料的功函数。这一点为栅材料工程提供了优化的方向。

实施例4：三种栅结构器件的DIBL效应的比较结果

图5为三种栅结构器件的DIBL效应的比较结果。可以看出，在polypolym结构中，随靠近漏端栅材料功函数的增加，由DIBL效应引起的阈值电压漂移显著增大；而在mpolypoly和mpolym结构中，随靠近源、漏两端栅材料功函数的变化，DIBL效应对这两种结构器件的阈值电压漂移的影响不大。当靠近源、漏两端栅材料的功函数为5.6时，polypolym结构的由DIBL效应引起的阈值电压漂移比其他两种栅结构器件的阈值电压漂移大500多mV。而当靠近源、漏两端栅材料的功函数为5.0时，mpolypoly和mpolym结构的阈值电压漂移有一个最小值。

由实施例1、2、3、4可知：要降低器件的关态泄漏电流，减小器件的静态功耗，提高器件的电流开关比，一个非常有效的方法就是适当提高靠近源端栅材料的功函数，降低靠近漏端栅材料的功函数；且通过调整靠近源、漏两端栅材料的功函数，可以使由DIBL效应引起的阈值电压漂移有一个最小值。

Claims (8)

1、一种场效应晶体管，包括栅、源端、漏端和衬底在内的场效应晶体管本体，所述源端和漏端设于所述衬底上的两端，所述栅设于所述源端和漏端之间的衬底上，其特征在于：所述栅分为三部分，分别为靠近源端部分栅，靠近漏端部分栅，和中间部分栅，所述中间部分栅为多晶硅材料。

2、根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述场效应晶体管为有三种结构：polypolym型、mpolypoly型、以及mpolym型。

3、根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述场效应晶体管源漏区掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，结深为100nm。

4、根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述场效应晶体管LDD区的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深为50nm。

5、根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述场效应晶体管衬底的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

6、根据权利要求1、2、3、4、5所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述场效应晶体管为：polypolym型、mpolypoly型、以及mpolym型。

7、根据权利要求6所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述polypolym型场效应晶体管的靠近源端栅材料为多晶硅。

8、根据权利要求6所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述mpolypoly型场效应晶体管的靠近漏端漏材料为多晶硅。

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