[發明專利]具有懸空源漏的隧穿場效應晶體管結構及其形成方法

有效

• 申請號: 201110338222.0
• 申請日: 2011-10-31
• 公開（公告）號: CN102354708A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 崔寧;梁仁榮;王敬;許軍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/10;H01L21/336
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明涉及半導體設計及制造技術領域，特別涉及一種具有懸空源漏的隧穿場效應晶體管結構及其形成方法。

背景技術

長期以來，為了獲得更高的芯片密度、更快的工作速度以及更低的功耗。金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)的特征尺寸一直遵循著所謂的摩爾定律(Moore’s?law)不斷按比例縮小，其工作速度越來越快。當前已經進入到了納米尺度的范圍。然而，隨之而來的一個嚴重的挑戰是出現了短溝道效應，例如亞閾值電壓下跌(Vt?roll-off)、漏極引起勢壘降低(DIBL)、源漏穿通(punch?through)等現象，使得器件的關態泄漏電流顯著增大，從而導致性能發生惡化。

當前，為了減小短溝道效應帶來的負面影響，人們提出了各種各樣的改進措施，其中尤為突出的是隧穿場效應晶體管(tunneling?field?effect?transistor，TFET)。由于MOSFET器件處在亞閾值狀態時，器件為弱反型，此時熱電子發射為主要的導電機制，因此，在室溫下MOSFET的亞閾值斜率受限于60mV/dec。相對于傳統的MOSFET而言，一方面，因為隧穿場效應晶體管器件的有源區本質上為隧穿結，因此，隧穿場效應晶體管具有更弱的甚至沒有短溝道效應；同時，隧穿場效應晶體管的主要電流機制為帶-帶隧穿(band-to-band?tunneling)，在亞閾值區以及飽和區漏極電流與外加的柵源電壓呈指數關系，因此隧穿場效應晶體管具有更低的亞閾值斜率，并且電流幾乎不受溫度的影響。

隧穿場效應晶體管的制備工藝與傳統的互補型金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(CMOSFET)工藝相兼容。TFET晶體管的結構是基于金屬-氧化物-半導體柵控的p-i-n二極管，如圖1所示，為現有技術中一個典型的n型溝道TFET。具體地，n型溝道TFET包含一個p型摻雜的源區1000’和一個n型摻雜的漏區2000’，源區和漏區之間被一個溝道區3000’所隔離開，柵堆疊4000’包含一個位于溝道區上方的柵介質層和一個柵電極。

在TFET器件的關閉狀態，即沒有施加柵壓時，源區1000’和漏區2000’之間形成的結為反向偏置的二極管，而由反向偏置二極管建立的勢壘大于通常互補型MOSFET所建立的勢壘，因此，這就導致了即使溝道長度非常短的時候TFET器件的亞閾值泄漏電流和直接隧穿電流大大降低。當對TFET的柵極施加電壓，在場效應的作用下器件的溝道區3000’產生一個電子的通道，一旦溝道中的電子濃度發生簡并，那么在源區1000’和溝道區3000’之間就會形成一個隧穿結，隧穿產生的隧穿電流通過這個隧穿結。從能帶的角度來看，這種基于柵控P-I-N二極管結構的隧穿場效應晶體管是通過控制柵極電壓來調節源區1000’和溝道區3000’之間所形成的p-n結的隧道長度。

現有技術的缺點是TFET器件的性能還有待提高，特別是源漏電容導致的數字電路的延時增大。

發明內容

本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是減小隧穿場效應晶體管器件的源漏寄生結電容，進一步提供器件的工作速度。

本發明一方面提出了一種具有懸空源漏的隧穿場效應晶體管結構，包括：襯底；形成在所述襯底之上的多個凸起結構，其中，每兩個凸起結構之間具有一定間隙，所述間隙小于30nm；形成在所述每兩個凸起結構之間，且與所述兩個凸起結構頂部相連的懸空層，其中，所述凸起結構頂部的懸空層區域為溝道區，所述凸起結構兩側的懸空層區域分別為導電類型相反的源區和漏區；和形成在所述溝道區頂部的柵堆疊。

在本發明的一個實施例中，所述襯底包括Si或低Ge組分SiGe，所述懸空層包括碳納米管、石墨烯、SiC、高Ge組分SiGe、Ge或III-V族化合物等半導體材料。

在本發明的一個實施例中，所述多個凸起結構為高Ge組分SiGe、Ge或III-V族化合物半導體材料。

在本發明的一個實施例中，所述源區為P型重摻雜，所述溝道區為P型弱摻雜、N型弱摻雜或者本征，所述漏區為N型重摻雜，即形成N型隧穿場效應晶體管。在本發明一個優選的實施例中，所述源區與溝道區之間還可以進一步包括重摻雜的N型區，其中，所述N型區沿著源漏方向的寬度小于5nm。靠近N型隧穿場效應晶體管源端的重摻雜N型區可以縮短電子隧穿的長度，減小器件的亞閾值斜率，增大器件的開態電流。