[發明專利]綠色晶體管

有效

• 申請號: 201010118815.1
• 申請日: 2010-03-05
• 公開（公告）號: CN102194860A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 季明華;三重野文健;肖德元
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/735;H01L29/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 李麗

技術領域

本發明涉及半導體制造技術領域，特別是涉及應用于大功率器件制造的綠色晶體管。

背景技術

當前，開發成本低、速度快、存儲密度高、制造簡單且與當前的互補金屬氧化物(CMOS)半導體集成電路工藝兼容性好的新型存儲技術受到世界范圍的廣泛關注。隨著存儲器技術的發展以及器件按比例縮小(scaling)，器件的功耗和功耗密度已經成為一項亟需解決的問題；而導致功耗困難的出現原因是存儲器中陣列密度不斷增大，而電源電壓長期以來保持了以5V作為各級工藝的標準，造成使用MOSFET作為選通管的存儲器產生大量的無效功耗。因此外置電壓源按比例縮小(VDD-scaling)已經愈發成為一個限制存儲器發展的瓶頸。

目前，有人首次提出這樣一種理論，在場效應晶體管中使用柵極偏壓誘導能帶隧穿效應(band?to?band-tunneling)可以不受外置電壓源按比例縮小(VDD-scaling)的限制，載流子在上述效應中無須跨越勢壘而是直接經過隧穿實現載流子的移動，形成電流，可以有效降低器件的能耗。基于上述理論，Chenming?Hu等人在“VLSI?Technology，Systems?and?Applications，2008.VLSI-TSA?2008.International?Symposium?on”(2008年國際超大型積體電路技術、系統暨應用(VLSI-TSA)研討會論文集)的第14至15頁首次公開了通過采用綠色晶體管(green?FET，簡稱gFET)降低外置電壓源，提高晶體管驅動能力的方案，文章名稱為“Green?Transistor-A?VDD?Scaling?Path?for?Future?LowPower?ICs”。

如圖1所示，為上述綠色晶體管的剖面結構圖，包括：絕緣體上硅(SOI)10，所述絕緣體上硅10包括基底11、埋氧層12和頂層硅13；依次位于頂層硅13上的柵介質層16以及柵電極17，兩者構成了綠色晶體管的柵極結構；所述綠色晶體管還包括位于頂層硅13內、柵介質層16兩側的源極14、漏極15，所述源極14與漏極15的摻雜類型相異；還包括位于頂層硅13內的相鄰的口袋注入區18和淺摻雜區19，所述相鄰的口袋注入區18和淺摻雜區19與柵介質層16的位置相對應，所述口袋注入區18的摻雜類型與漏極15相同，并通過淺摻雜區19與漏極15電連接；所述口袋注入區18的深度小于淺摻雜區19，源極14延伸過口袋注入區18的底部與淺摻雜區19相鄰。

綠色晶體管中，N型或P型的定義根據口袋注入區18的摻雜類型而定，例如：P型綠色晶體管即口袋注入區18的摻雜類型為P型、源極14的摻雜類型為N型、漏極15的摻雜類型為P型；而N型綠色晶體管則反之。需要指出的是，綠色晶體管中空穴以及電子均為主要載流子，因此其源極、漏極的劃分與傳統場效應晶體管不同，一般而言將形成有口袋注入區18的一端定義為源極14。下面以P型綠色晶體管為例，對其工作原理進行進一步介紹。

如圖2所示，為圖1中P型綠色晶體管的P型口袋注入區18附近的能帶圖，其中虛線部分為晶體管關閉時的能帶，實線部分為晶體管開啟時的能帶。在關閉狀態下，即柵電極17未加載偏壓時，導帶Ec底部比價帶Ev頂部電勢位高，導帶Ec和價帶Ev之間存在很大的勢壘，此時P型口袋注入區18與N型源極14之間不會產生載流子轉移。在開啟狀態下，即柵極加載負偏壓時，P型口袋注入區18電勢降低，能帶進一步向上彎曲，使得價帶Ev的頂部電勢位超過了導帶Ec底部，在價帶Ev內的共價鍵電子隧道穿過進入導帶Ec內形成自由電子，在價帶Ev內則形成自由空穴，即形成隧道效應。

圖3為現有的P型綠色晶體管開啟時產生導通電流的示意圖，結合圖2以及圖3，當源極14、漏極15之間存在正向電壓(Vsd＞0)，且Vsd大于柵極與漏極15之間的正向電壓Vgd時(如果Vd＝0，則Vs＞Vg，也就是說柵極電壓負向于源極電壓)，P型口袋注入區18的共價鍵電子將向N型源極14隧穿形成連續的電子流，同時P型口袋注入區18內的空穴將經由淺摻雜區19流向P型漏極15，從而器件能夠工作。

與現有的MOSFET主要依靠一種載流子導通不同，綠色晶體管的導電載流子同時包括電子和空穴，因此，其亞閾值電壓擺幅較小，小于60mV/decade，甚至可以小于10mV/decade，且閾值電壓遠低于現有的MOSFET，可以低至0.2V，同等尺寸下的能耗遠小于現有的MOSFET，而在同等驅動電源下能夠產生更大的驅動電流，是深納米尺寸替代MOSFET的良好選擇。