[发明专利]垂直非均匀掺杂沟道的短栅隧穿场效应晶体管及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于CMOS超大规模集成电路(ULSI)中场效应晶体管逻辑器件领域，具体涉及一种垂直非均匀掺杂沟道的短栅隧穿场效应晶体管。

背景技术

自第一块集成电路诞生以来，集成电路技术一直沿着“摩尔规律”的轨迹发展，半导体器件尺寸不断减小。同时，由于传统MOSFET的亚阈值斜率受到热电势kT/q的限制而无法随着器件尺寸的缩小而同步减小，使得器件泄漏电流增大，整个芯片的能耗不断上升，芯片功耗密度急剧增大，严重阻碍了芯片在系统集成中的应用。为了适应集成电路的发展趋势，新型超低功耗器件的开发和研究工作就显得特别重要。隧穿场效应晶体管（TFET，TunnelingField-Effect Transistor）采用带带隧穿（BTBT）新导通机制，是一种非常有潜力的适于系统集成应用发展的新型低功耗器件。TFET通过栅电极控制沟道能带位置，使得源端价带电子隧穿到沟道导带（或沟道价带电子隧穿到源端导带）形成隧穿电流。这种新型导通机制突破传统MOSFET亚阈值斜率理论极限中热电势kT/q的限制，可以实现低于60mV/dec的超陡亚阈值斜率，降低器件静态漏泄电流进而降低器件静态功耗。

但是，TFET输出特性与传统MOSFET完全不同，在传统MOSFET的输出特性中，输出电流随着漏端电压增大而增大，是通过漏端电压提高载流子迁移速率实现的。在TFET中，输出电流随着漏端电压增大而增大的过程，是通过漏端电压降在源端隧穿结处，非常有效地改变隧穿结隧穿宽度从而使输出隧穿电流增大实现的。由于输出隧穿电流值与隧穿宽度λ成e指数关系，漏端电压与输出隧穿电流呈现一种超e指数关系。因而TFET输出特性曲线前段的非饱和区域，是一种超e指数的非线性曲线，即器件在电路应用中的输出电阻相当大。TFET的这种输出特性非常不利于器件的电路应用，因此改善TFET输出特性是TFET电路应用中一个非常重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直非均匀掺杂沟道的短栅隧穿场效应晶体管。该器件结构可以显著改善隧穿场效应晶体管的输出特性。

本发明提供的垂直非均匀掺杂沟道的短栅隧穿场效应晶体管，如图1所示。该隧穿场效应晶体管包括源区，漏区，沟道区以及控制栅。其特征在于，具有垂直沟道并且沟道区掺杂为缓变非均匀掺杂，沟道掺杂浓度沿垂直方向呈高斯分布并且靠近漏端处沟道掺杂浓度较高，一般高于1E14cm^-3，靠近源端处沟道掺杂浓度较低，一般约比漏端处掺杂浓度低2-3个数量级；另外，在垂直沟道两侧具有双控制栅并且控制栅为L型短栅结构，在靠近漏端处沟道存在一个没有栅覆盖的区域，而在源区存在一个栅过覆盖区域。对于N型器件来说，源区为P型重掺杂（约1E19cm^-3-1E21cm^-3），漏区为N型重掺杂（约1E19cm^-3-1E21cm^-3），沟道区为缓变非均匀P型掺杂（靠近漏区部分沟道较高掺杂浓度取值可在1E14cm^-3-1E17cm^-3之间）。而对于P型器件来说，源区为N型重掺杂，漏区为P型重掺杂，沟道区为缓变非均匀N型掺杂。

所述器件中栅漏之间控制栅未覆盖沟道区长度取值与具体器件的整个沟道长度有关，过短的控制栅未覆盖沟道区长度起不到明显地改善TFET输出特性的效果，过长的控制栅未覆盖沟道区长度将会使器件沟道区栅控过弱，导致器件性能退化，控制栅未覆盖沟道区长度一般优化在整个沟道长度（源区边缘与漏区边缘之间的长度）的50%及以上，取值可以在10nm-5um之间。

所述器件中垂直沟道区靠近漏端较重掺杂沟道区域的掺杂浓度，过低的掺杂浓度无法有效屏蔽漏端电场，过高的掺杂浓度则容易在漏端形成P⁺-N⁺结，在漏端处发生隧穿形成泄漏电流，一般取值在1E14cm^-3-1E17cm^-3之间。

本发明场效应晶体管是一种非均匀沟道掺杂以及短栅结构的垂直沟道晶体管，可以应用于硅基半导体材料，也可以应用于其他半导体材料。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了相应制备方法来实现TFET的垂直非均匀掺杂沟道和双栅结构，具体包括以下步骤：

（1）衬底准备：轻掺杂或未掺杂的半导体衬底；

（2）初始热氧化并淀积一层氮化物，并光刻出垂直沟道图形；

（3）刻蚀出垂直沟道区，同时暴露出源区，进行源区杂质注入；