[发明专利]一种高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管

说明书

本发明属于集成电路半导体技术领域，具体为一种高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管。其结构为以氧化铪作为衬底氧化层，在氧化铪上方是作为沟道和源漏的半椭柱型硅，在沟道上覆盖与沟道同长径比的椭环型氧化铪栅氧化层和金属栅。其中，对源端进行p型高浓度的硼掺杂，对沟道进行轻n掺杂，对漏端进行n型高浓度的磷掺杂。这种场效应管以横向隧穿为主要隧穿机制，可看做一个栅控的p‑i‑n结。仿真软件仿真表明，该隧穿场效应管具有良好的亚阈值特性，最小亚阈值摆幅可以低至20 mV/dec，比传统MOSFET的最小亚阈值摆幅60 mV/dec还要小三倍，为此类隧穿器件的实际开发和应用提供了很好的设计基础。

技术领域

本发明属于集成电路半导体技术领域，具体涉及一种高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管。

背景技术

半导体产业按照“摩尔定律”发展至今，半导体芯片的集成化已经达到了惊人的程度，但是由于沟道长度的减小，漏电流会以指数上升，从而导致功耗的问题变得越来越严重。为了减小功耗，目前最有效的办法就是减小器件工作时电源电压，同时减小晶体管亚阈值漏电流和关态电流。为此，引入了亚阈值摆幅的概念，表现器件开启的速度，S越小，开启速度越快，功耗越小。然而，传统的MOSFET器件的亚阈值摆幅理论上的最小值也不会小于60mV/dec。而隧穿场效应管的工作机理不同于传统的MOSFET，它与温度没有关系，也与载流子的玻尔兹曼分布无关，可以达到更小的亚阈值摆幅，是MOSFET的理想的替代者，成为目前一个热门的研究方向。

TCAD (Technology Computer-Aided Design)是近代半导体材料、工艺和纳米元器件技术发展进程中一种重要的辅助手段。利用TCAD仿真工具可以对各种元器件和工艺特性进行仿真与模拟，计算基本的物理偏微分方程，例如扩散和传输方程，从而有效地分析其物理现象和电流特性。利用工艺模型库和器件物理模型库，TCAD可以让用户在一条虚拟的工艺线上完成芯片制造、测试的整个流程，这样可以让人们可以更加方便快捷的更改和优化设计，从而大大节约由于传统设计中多次流片——测试——修正所造成的时间和成本，可大幅度提高开发者的设计效率和成功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好亚阈值特性的高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管。

本发明提供的高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管，其源、漏、沟道、栅氧化层和栅均为半椭柱型结构，载流子输运通过量子隧穿实现，因此，晶体管的结构为半椭柱型沟道的类FinFET器件。

其中，用Sentaurus Device Edit （SDE）组件创建对应的结构，其鸟瞰图和左侧视图如图1、图2所示。

本发明提供的高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管，其结构包括：

氧化层衬底；该衬底氧化层可以为氧化铪；

在氧化层衬底上方的作为沟道和源、漏的半椭柱型硅；

覆盖在所述沟道上，与沟道同长径比的椭环型栅氧化层和金属栅。

本发明中，所述衬底氧化层、栅氧化层的材料可以为氧化铪；所述金属栅的材料可以为铝或金等。

本发明中，对源端还可有p型高浓度的硼掺杂，对沟道n型还可有型轻浓度的磷掺杂，对漏端还可有n型高浓度的磷掺杂。

本发明提供的这种新型硅基椭圆隧穿场效应晶体管，以横向隧穿为主要隧穿机制，可以看做一个栅控的p-i-n结（i-层实际可以弱掺杂）。