[发明专利]一种阻变栅隧穿场效应晶体管及制备方法

权利要求书

1.一种阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，包括一个控制栅层、一个栅介质层(4)、一个半导体衬底(1)、一个隧穿源区(2)、一个低掺杂漏区(8)和一个沟道区(3)；

所述的控制栅采用栅叠层结构，自下而上依次为底层——底电极层(5)，中间层——挥发性阻变材料层(6)和顶层——顶电极层(7)；所述挥发性阻变材料层(6)为具有挥发性阻变特性的材料层，具体表现为在较低的正向偏压下，通过顶电极层/挥发性阻变层/底电极层组成的栅结构能实现阻变材料由高阻向低阻跃变，且撤去电压激励后该材料能从低阻自行返回为高阻状态；

所述沟道区(3)位于隧穿源区(2)的上方，且位置与隧穿源区(2)部分重叠，在沟道区与隧穿源区界面处形成隧穿结；控制栅位于沟道区(3)与隧穿源区(2)重叠部分的上方；低掺杂漏区(8)位于控制栅的水平方向的另一侧，且与控制栅之间有水平间距L_ud；

低掺杂漏区(8)和隧穿源区(2)掺有不同掺杂类型的杂质；半导体衬底(1)和沟道区(3)的掺杂类型和隧穿源区(2)一致。

2.如权利要求1所述的阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，沟道区(3)厚度小于20nm；所述的水平间距L_ud的范围为10nm-1μm；对于N型器件来说，隧穿源区(2)为P型掺杂，低掺杂漏区(8)为N型掺杂；对于P型器件来说，隧穿源区(2)为N型掺杂，低掺杂漏区(8)为P型掺杂；低掺杂漏区(8)的掺杂浓度在5×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁹cm^-3之间，隧穿源区(2)的掺杂浓度在1×10¹⁹cm^-3至1×10²¹cm^-3之间；半导体衬底(1)和沟道区(3)的掺杂浓度在1×10¹⁴cm^-3至1×10¹⁷cm^-3之间。

3.如权利要求1所述的阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，所述底电极层和顶电极层为惰性金属材料，或是多种所述的金属材料的叠层结构；各层的厚度范围为20-200nm。

4.如权利要求1所述的阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，所述挥发性阻变材料层的材料是能在焦耳热的诱导下发生从绝缘体到金属转换的低价金属氧化物，其金属性表现为存在金属性的导电通道；厚度范围为10-50nm。

5.如权利要求1所述的阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，所述挥发性阻变材料层的材料为VO₂、NbO₂、Ti₂O₃或Fe₃O₄。

6.如权利要求1所述的阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，所述半导体衬底和沟道区材料为Si、Ge、SiGe、GaAs或其他II-VI，III-V和IV-IV族的二元或三元化合物半导体、绝缘体上的硅或绝缘体上的锗。

7.如权利要求1所述的阻变栅隧穿场效应晶体管，其特征是，所述栅介质层材料包括SiO₂、Si₃N₄和高K栅介质材料；厚度范围为1-5nm。

8.一种阻变栅隧穿场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

1)在半导体衬底上通过浅槽隔离定义有源区；

2)光刻暴露出隧穿源区，以光刻胶为掩膜，进行离子注入形成隧穿源区；

3)外延生长一层沟道区，后生长栅介质层；

4)淀积控制栅叠层：首先淀积底电极层，然后淀积一层挥发性阻变材料介质层，在淀积的挥发性阻变材料层上淀积顶淀积层，形成顶电极/挥发性阻变层/底电极层栅结构；

5)接着用光刻和刻蚀的方法，形成器件的栅结构图形；

6)光刻暴露出低掺杂漏区，以光刻胶为掩膜，进行离子注入形成具有相反掺杂类型的低掺杂漏区，并快速高温热退火激活杂质；

7)光刻并刻蚀沟道区，使得暴露出隧穿源区；

8)最后进入常规CMOS后道工序，包括淀积钝化层、开接触孔以及金属化，即可制得所述的阻变栅隧穿场效应晶体管。