[發明專利]負電子壓縮率-超陡亞閾斜率場效應晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201710165309.X
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN106887460B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 黃如;王慧敏;黃芊芊
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/10;H01L29/08;H01L29/06;H01L21/336;B82Y40/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種負電子壓縮率?超陡亞閾斜率場效應晶體管及其制備方法。本發明在器件亞閾區，第一常規柵介質層和第二常規柵介質層構成常規柵介質電容，負電子壓縮率柵介質層構成NEC電容，使得常規柵介質電容的電容大于NEC電容的絕對值，從而兩個串聯電容為負值，實現柵控制系數小于1，抑制了柵泄露電流，從而使柵壓對溝道表面勢有超常的控制能力使器件擁有超陡亞閾值斜率；并且，器件中NEC柵介質層在電子尺度的變化能夠使其宏觀特性不再回滯并且無材料疲勞性，所以在降低器件功耗的基礎上，解決了傳統鐵電NCFET的問題，對于未來的低功耗集成電路產業發展，具有廣闊應用前景。

技術領域

本發明涉及場效應晶體管邏輯器件，具體涉及一種負電子壓縮率-超陡亞閾斜率場效應晶體管及其制備方法。

背景技術

二十世紀以來，集成電路產業在經濟和技術的雙輪驅動下隨著摩爾定律不斷快速發展，如今，傳統金屬-氧化物半導體場效應晶體管MOSFET特征尺寸已經縮小至納米尺度，然而隨之面臨的器件尺寸縮小帶來的問題也日益嚴峻。器件不斷的等比例縮小，使得短溝道效應越來越嚴重，熱電子效應、漏致勢壘降低效應以及漏PN結擊穿等將引起關態電流的增大的問題，與此同時，傳統MOSFET器件亞閾值斜率無法隨著尺寸等比例縮小而同步減小，因為一方面受到熱電勢kT/q的限制，另一方面由于正電容分壓使柵壓對表面勢的控制作用受到限制，導致器件功耗較高。因此解決功耗問題成為現在集成電路產業發展的燃眉之急。

而為了解決器件功耗高問題，在傳統MOSFET方面，減薄氧化層厚度或者采用多柵甚至圍柵器件，能夠提高MOSFET柵壓對溝道表面勢控制作用，有效抑制短溝道效應，但是這種方式對柵控提高仍然有限。因此，為了利用超陡亞閾值斜率器件來降低功耗，一方面，采用新型導通機制替代傳統MOSFET導通機制已經成為研究焦點，其中包括柵控P-I-N結構的隧穿場效應晶體管(TFET)，通過隧穿開啟機制突破傳統MOSFET亞閾值斜率60的限制；另一方面，利用非常規柵氧化層材料形成負電容效應來放大柵壓，也能夠實現超陡亞閾值器件，包括以鐵電為柵材料的負電容場效應晶體管NCFET。但是由于鐵電材料晶格結構限制，鐵電NCFET具有回滯大，頻率依賴性大，材料易疲勞等問題。所以，利用其它機制材料來實現柵壓放大成為緊迫的重要問題。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種負電子壓縮率場效應晶體管(NECFET)，以實現超陡亞閾值斜率器件來降低器件應用功耗。

本發明的一個目的在于提出一種負電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應晶體管。

本發明的負電子壓縮率超陡亞閾斜率場效應晶體管包括：襯底、源區、漏區、第一常規柵介質層、負電子壓縮率NEC柵介質層、第二常規柵介質層、控制柵、隔離層、柵電極、源電極和漏電極；其中，在襯底上淀積常規柵介質材料形成第一常規柵介質層；負電子壓縮率柵介質層轉移至在第一常規柵介質層上，負電子壓縮率柵介質層采用負電子壓縮率材料；在負電子壓縮率柵介質層上電子束蒸發種籽層材料，形成種籽層，自然氧化形成介質，在介質上淀積常規柵介質材料，與介質一起形成第二常規柵介質層；在第二常規柵介質層上形成控制柵；第一常規柵介質層、負電子壓縮率NEC柵介質層、第二常規柵介質層和控制柵構成柵疊層；對柵疊層兩端的襯底分別進行離子注入，分別形成源區和漏區；在源區、漏區和控制柵上淀積形成隔離層；在隔離層中形成接觸孔，在接觸孔中分別形成連接源區的源電極、連接控制柵的柵電極以及連接漏區的漏電極；第一常規柵介質層和第二常規柵介質層構成常規柵介質電容，負電子壓縮率柵介質層構成NEC電容，兩個電容串聯；根據第一和第二常規柵介質層以及負電子壓縮率柵介質層的材料，調整第一和第二常規柵介質層以及負電子壓縮率柵介質層的厚度，使得常規柵介質電容的電容值大于NEC電容的電容值的絕對值，從而兩個串聯電容為負值，實現柵控制系數小于1，同時溝道表面勢對柵壓的響應大于1。