[發明專利]基于InAs材料的鐵電隧穿場效應晶體管及其制備方法

在審

• 申請號: 201610124244.X
• 申請日: 2016-03-04
• 公開（公告）號: CN105576033A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 韓根全;張春福;彭悅;郝躍;張進城;馮倩
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/336;H01L29/08;H01L29/10;H01L29/417;H01L29/20
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

技術領域

本發明屬于電子技術領域，更進一步涉及微電子器件技術領域中的一種基于 InAs材料的鐵電隧穿場效應晶體管及其制備方法。本發明可用于高性能、低功 耗大規模集成電路。

背景技術

隨著集成電路的發展，芯片特征尺寸不斷縮小，單個芯片上集成度隨之提高， 由此帶來的功耗問題也愈發嚴重。據ITRS數據顯示，特征尺寸縮小到32nm節 點時，功耗會是預計趨勢的8倍，即隨著特征尺寸的逐步縮小，傳統MOS器件 就功耗方面將不能滿足性能需求。除此之外，MOSFET尺寸的減小面臨室溫下 亞閾擺幅最小為60mv/decade的限制。隧穿場效應晶體管(TFET，Tunneling Field-EffectTransistor)采用帶帶隧穿(BTBT)的導通機制，通過柵電極來調制源 極與溝道界面處隧穿結的勢壘寬度，進而形成隧穿電流，從而突破傳統MOSFET 亞閾值斜率理論極限中熱電勢kT/q的限制，亞閾擺幅可以低于60mV/dec，具 有相當廣闊的應用前景。

華為技術有限公司在其擁有的專利技術“隧穿場效應晶體管及隧穿場效應晶 體管的制備方法”(申請號：201410336815.7，公開號：104134695A)中公開了 一種隧穿場效應晶體管，其包括：第一摻雜類型襯底；溝道，凸出設置于所述第 一摻雜類型襯底中部；源區，設置于所述第一摻雜類型襯底上，且圍繞所述溝道 設置；外延層，設置于所述源區上，圍繞所述溝道設置；柵介質層，設置于所述 外延層上，且圍繞所述溝道設置；柵極區，圍繞設置于所述柵介質層上；以及漏 區，設置在所述溝道遠離所述襯底的端部。該專利技術實現了較高的驅動電流， 陡直的亞閾值擺幅，較小的泄漏電流以及較高的芯片集成密度。但是其隧穿場效 應晶體管沒有實現晶體管外部工作電壓的減小，導致晶體管功耗無法降低。

北京大學在其擁有的專利技術“一種隧穿場效應晶體管及制備方法”(申請 號：201510173189.9，公開號：104810405A)中公開了一種隧穿場效應晶體管及 制備方法，屬于CMOS超大規模集成電路(VLSI)中場效應晶體管邏輯器件領 域。該隧穿場效應晶體管的隧穿源區及溝道區沿器件垂直方向為異質結構，其中 上層采用具有較寬禁帶寬度半導體材料，中間層為具有較窄禁帶寬度半導體材 料，下層為較寬禁帶寬度半導體襯底。該專利技術可以有效抑制器件轉移特性中 亞閾斜率退化現象，同時顯著降低隧穿場效應晶體管的平均亞閾斜率，并保持了 較陡直的最小亞閾斜率。但是其隧穿場效應晶體管無法獲得較高的導通電流，在 實際運用中驅動電流較小，不能滿足高性能大規模集成電路的應用要求。

發明內容

本發明的目的在于針對上述隧穿場效應晶體管導通電流小、亞閾擺幅無法降 低、開關速度慢的缺點，提供一種基于InAs材料的鐵電遂穿場效應晶體管。該 晶體管能夠在不增大外部工作電壓的同時提高內部柵壓，有效抑制了亞閾值斜率 退化，使亞閾擺幅遠低于60mV/dec。同時，還增大了該晶體管的導通電流，使 其在實際運用中具有較大的驅動電流。

為了實現上述目的，本發明的具體思路是：根據材料特征研究表明，Ⅲ-Ⅴ 材料具有較高的電子遷移率，其中InAs材料作為Ⅲ-Ⅴ材料中的一員，其電子遷 移率比Si材料的電子遷移率高一個數量級，采用InAs材料作為鐵電場效應晶體 管的溝道材料，在進一步提高晶體管導通電流的同時降低亞閾擺幅，從而提高晶 體管的開關速度，并且降低其功耗。

本發明基于InAs材料的鐵電隧穿場效應晶體管包括：包括：襯底、源極、 溝道、漏極、絕緣電介質薄膜、內部柵電極、鐵電柵介質層、柵電極；源極、溝 道和漏極，在襯底上依次由下至上豎直分布，在源極與溝道之間形成隧穿結；絕 緣電介質薄膜、內部柵電極、鐵電柵介質層及柵電極由內而外環繞覆蓋在溝道的 四周。源極、溝道采用InAs材料，漏極采用In_0.53Ga_0.47As材料或InAs材料材料。

本發明基于InAs材料的鐵電隧穿場效應晶體管的制備方法，包括如下步驟：

(1)制備源極：

利用低溫固源分子束外延工藝，在襯底(1)上以固體In和As作為蒸發源，在 200℃的條件下外延生長一層InAs層，采用離子注入工藝對生成的InAs層進行 Te離子注入，形成N⁺型源極區，在400℃條件下對N⁺型源極區熱退火5min， 進行激活處理，得到源極(2)；

(2)制備溝道：