一种沟道势垒高度控制的隧穿场效应器件的制作方法

一种沟道势垒高度控制的隧穿场效应器件的制作方法
【专利说明】一种沟道势垒高度控制的隧穿场效应器件
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于半导体集成电路领域，具体涉及一种沟道势皇高度控制的隧穿场效应器件。
【背景技术】
[0003]隧穿型场效应管基于载流子的能带间隧穿输运，采用了与传统金属氧化物半导体场效应器件结构不同的工作机理，具有优越的亚阈值特性，在室温下可以低于传统金属氧化物半导体场效应器件60 mV/dec的物理极限，具有非常低的泄漏电流。但由于隧穿型场效应管是基于能带间载流子的量子隧穿实现载流子输运，其开态电流偏小，驱动能力较弱，另一方面，除了在源端的载流子可以实现能带间输运，在漏端的载流子也可以实现能带间输运，而源和漏的掺杂类型是相反的，就形成了同时导通的双极性电流，这种双极性是不利因素。
[0004]为了改善隧穿型场效应器件的结构，有双材料栅隧穿型场效应器件结构、在沟道中采用两段掺杂的隧穿型场效应器件结构被提出，这两种结构都在一定程度上改善了隧穿型场效应器件的特性，但对电流的调制仍然主要通过隧穿结厚度的控制实现。传统的金属氧化物半导体场效应器件属于沟道势皇高度控制的结构，具有较大的开态电流，但其载流子基于热激发，其亚阈值斜率在室温下不能低于60 mV/dec的物理极限。

【发明内容】

[0005]本发明所要解决的技术问题是为提供一种有大开态电流和小双极性导通电流特性的隧穿场效应器件。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
一种沟道势皇高度控制的隧穿场效应器件，其中心为沟道，沟道两端为导电类型不同的源端和漏端，源端与沟道之间形成隧穿结，所述沟道采用三段或三段以上的势皇区组成，其中中间段的势皇区的能带高于沟道中靠近漏端和源端的能带；还有栅氧层全覆盖沟道，栅氧层又被栅电极全覆盖。
[0007]源端与漏端的掺杂浓度可调，沟道中掺杂类型和掺杂浓度均可调。
[0008]所述源端与漏端采用同一材料。
[0009]所述的源端与漏端可以采用掺杂的碳纳米管材料。
[0010]本器件的沟道部分不同势皇区采用不同掺杂浓度或类型的材料，在沟道中形成三段或更多段的势皇结构。所述的沟道可以采用掺杂的碳纳米管材料。
[0011 ] 所述的栅氧层可以采用氧化硅。
[0012]本发明器件源端和沟道靠近源端的地方，形成隧穿载流子注入区，实现普通隧穿型场效应管器件的载流子冷注入，保证器件的亚阈值斜率低于常温下60 mV/dec的物理极限。
[0013]沟道中间段的势皇和沟道中靠近漏端的部分，形成控制区，用于控制器件的开关状态转换。在开态下，加载栅极的电压，使得沟道中的势皇整体降低，使得源、漏间的载流子实现隧穿；在关态下，由于沟道中的势皇高度整体高于源、漏中的禁带，阻断源、漏间的载流子隧穿。使用沟道中的势皇实现对器件中源、漏能带间隧穿的调节，通过调节靠近源端的沟道段掺杂，可以调节开态电流；通过调节势皇区的掺杂和靠近漏端的沟道段掺杂，可以控制关态电流；从而获得高开关电流比的隧穿型半导体器件。
[0014]所述多段掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件的众多参数可调:
1、其沟道的总长度、宽度可调；
2、其沟道不同分段的长度可调；
3、其沟道的半导体材料可调；
4、其源端的掺杂材料、掺杂浓度、掺杂类型可调；
5、其沟道区不同分段、掺杂材料、掺杂浓度、掺杂类型可调；
6、其漏端的掺杂材料、掺杂浓度、掺杂类型(与源端相反)可调；
7、其栅氧层的材料可调；
8、其栅氧层的厚度可调；
9、其金属栅的长度可调；
10、其金属栅的功函数可调；
本发明提出的多段掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件，在源漏端和沟道区宽度、沟道总长度、栅绝缘层材料和厚度、源漏端掺杂浓度等与沟道一段掺杂的隧穿场效应器件、沟道两段掺杂的隧穿场效应器件等一致的条件下进行了比较。多段掺杂的沟道势皇的引入使得隧穿场效应器件关态电流变小，开态电流变大，开关电流比增大。因此本发明进一步优化了隧穿场效应器件的综合性能，推动了沟道掺杂工程的发展。
[0015]本发明在现有隧穿型场效应器件研宄基础上，通过沟道中三段或多段掺杂，在沟道中形成势皇结构，其中势皇部分的能带显著高于相邻区域，把隧穿型场效应器件和传统的沟道势皇高度控制器件原理相结合，通过栅极调节沟道中的势皇高度，控制源漏隧穿电流，来获得器件性能的综合优化。本发明能够增加隧穿型场效应器件的开态电流和抑制双极性导通电流，并在室温下获取低于60 mV/dec物理极限的亚阈值斜率，对改善性能，缩小尺寸，促进半导体集成电路的发展，具有积极作用。
【附图说明】
[0016]图1，本发明多段掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件截面示意图，及掺杂带来的沟道中势皇示意图；
图2，改变隧穿器件栅极电压，对沟道中电势造成的影响；
图3，相同结构参数下，多段掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件和对应的单段沟道掺杂隧穿场效应器件、双段沟道掺杂隧穿场效应器件的器件沟道区能带分布图；
图4，相同结构参数下，多段掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件和对应的单段沟道掺杂隧穿场效应器件、双段沟道掺杂隧穿场效应器件的转移特性曲线；
图5，固定隧穿器件其他参数，改变沟道段一掺杂时对器件能带结构的影响； 图6，固定隧穿器件其他参数，改变沟道段三掺杂时对器件能带结构的影响；
图7，固定隧穿器件其他参数，在沟道三段掺杂器件结构中，对沟道段一采用两段掺杂，形成沟道中，比三段更多的(四段)掺杂器件结构。
[0017]图8，固定隧穿器件其他参数，在沟道三段掺杂器件结构中，对沟道段三采用两段掺杂，形成沟道中，比三段更多的(四段)掺杂器件结构。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施实例(η型沟道多段掺杂的 沟道势皇控制隧穿场效应器件)对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施实例。
[0019]如图1所示，本发明的多段掺杂的沟道势皇控制隧穿场效应器件包括源端1，靠近源的沟道段一 2，沟道中间部分沟道段二 3，靠近漏的沟道段三4，漏端5，栅电极6，栅氧层
7。该器件结构以轴心呈现对称性，中心为沟道2，3，4，沟道两端为同一材料的源漏端I和5，该器件的源端I为P型重掺杂，漏端2为η型重掺杂，沟道段一 2和沟道段三4为η型轻掺杂，沟道段三4为本征区；栅氧化层7全覆盖沟道2，3，4，在氧化物之上又被栅电极6全覆盖。其中固定的参数如下:源端I为一定掺杂浓度的碳纳米管材料，漏端5为一定掺杂浓度的碳纳米管材料，沟道2，3，4为一定掺杂浓度的碳纳米管材料；器件宽度为2 nm，栅氧层7是厚度为Inm的氧化硅，栅电极6为金属，碳纳米管材料的禁带宽度为0.7 eV?本发明的多段掺杂的沟道势皇控制隧穿场效应器件性能是基于三维的NanoTCAD ViDES软件模拟研宄得到的。
[0020]实施例1:沟道长度为60纳米，源、漏长度为各20纳米，多段掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件的能带结构，随栅电压而产生的变化。
[0021]如图2所示，沟道区中三端不同的掺杂，使电势在沟道段一，沟道段二和沟道段三的能带高度不同，其中沟道中间位置的沟道段二能带高于沟道段一和沟道段三，形成势皇；随着栅电压从O伏特增大到0.4伏特，这个势皇一直存在，但高度随着栅电压而改变，受到栅极的调控，可以用来调控源漏间隧穿电流。
[0022]实施例2:沟道长度为60纳米，源、漏长度为各20纳米，多段沟道掺杂的隧穿场效应器件和对应的单段沟道掺杂、双段沟道掺杂隧穿场效应管器件对沟道区能带的影响。
[0023]如图3中的能带结构，及图4中的转移特性曲线所示，与传统型单段沟道掺杂器件相比，沟道段一中的掺杂使得源-沟道结的斜率增大，增加了源-沟道之间的载流子隧穿，因而增加器件的开态电流；另一方面，与两段沟道掺杂器件相比，沟道段二中的掺杂，使得沟道-漏结的斜率减小，减小了沟道-漏之间的载流子隧穿，抑制了双向导通特性，从而减小关态电流。通过仿真对比分析，在一定参数合理设置下进行能带分布的权衡，可以获得良好的器件综合性能。
[0024]实施例3:沟道长度为60纳米，源、漏长度为各20纳米，改变沟道段一的掺杂浓度对能带结构的影响。
[0025]如图5所示，随着沟道段一掺杂浓度的增大，其与源、和沟道段二的掺杂浓度变化加剧，增加了沟道段一对应的能带弯曲。
[0026]实施例4:沟道长度为60纳米，源、漏长度为各20纳米，改变沟道段三的掺杂浓度对能带结构的影响。
[0027]如图6所示，随着沟道段三掺杂浓度的增大，其与漏、和沟道段二的掺杂浓度变化加剧，增加了沟道段三对应的能带弯曲。
[0028]实施例5:沟道长度为60纳米，源、漏长度为各20纳米，在沟道中势皇最高段靠近源的一侧，采用两段掺杂。
[0029]如图7所示，在沟道中势皇最高端靠近源的一侧，两段掺杂形成了有变化的能带结构，在整个沟道中，形成四段的(多于三段)掺杂的沟道结构。
[0030]实施例6:沟道长度为60纳米，源、漏长度为各20纳米，在沟道中势皇最高段靠近漏的一侧，采用两段掺杂。
[0031]如图8所示，在沟道中势皇最高端靠近漏的一侧，两段掺杂形成了有变化的能带结构，在整个沟道中，形成四段的(多于三段)掺杂的沟道结构。
[0032]由以上实例1-6可知，本发明提出的三段或多段沟道掺杂的沟道势皇高度控制隧穿场效应器件可以在沟道中构建一个势皇，该势皇能够增加源-沟道结的能带弯曲，调控源漏隧穿电流，增加器件的开态电流，抑制器件的双向导通特性，提高开关电流比，改善器件综合性能，增强隧穿场效应器件的竞争力。
【主权项】
1.一种沟道势皇高度控制的隧穿场效应器件，其特征在于，其中心为沟道，沟道两端为导电类型不同的源端和漏端，源端与沟道之间形成隧穿结，所述沟道采用三段或三段以上的势皇区组成，其中中间段的势皇区的能带高于沟道中靠近漏端和源端的能带；还有栅氧层全覆盖沟道，栅氧层又被栅电极全覆盖。2.根据权利要求1所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述源端与漏端采用同一材料。3.根据权利要求2所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述的源端与漏端采用掺杂的碳纳米管材料。4.根据权利要求1所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述沟道部分不同势皇区采用不同掺杂浓度或类型的材料。5.根据权利要求4所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述的沟道采用掺杂的碳纳米管材料。6.根据权利要求1所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述的栅氧层采用氧化硅。7.根据权利要求1所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述源端和沟道靠近源端的地方，形成隧穿载流子注入区。8.根据权利要求1所述的隧穿场效应器件，其特征在于，所述沟道中间段的势皇和沟道中靠近漏端的部分，形成控制区。
【专利摘要】本发明属于半导体集成电路领域，具体涉及一种沟道势垒高度控制的隧穿场效应器件。其中心为沟道，沟道两端为导电类型不同的源端和漏端，源端与沟道之间形成隧穿结，所述沟道采用三段或三段以上的势垒区组成，其中中间段的势垒区的能带高于沟道中靠近漏端和源端的能带；还有栅氧层全覆盖沟道，栅氧层又被栅电极全覆盖。该器件的沟道部分采用不同掺杂浓度或类型的材料，在沟道中形成三段或更多段的势垒结构。本发明的仿真研究结果表明，该结构的沟道势垒高度控制的隧穿器件结构能够有效减小器件关态泄露电流，降低亚阈值斜率，抑制短沟道效应和漏致势垒降低效应，同时保持良好的跨导特性，从而实现器件的性能综合优化。
【IPC分类】H01L29/78, H01L29/06, H01L29/10
【公开号】CN104882484
【申请号】CN201510257549
【发明人】王豪, 常胜, 何进, 黄启俊
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月19日