一种高性能硅基椭圆栅隧穿场效应晶体管的制作方法

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。

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技术实现要素：

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sentaurusdeviceedit（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）。

本发明中，场效应晶体管的基本组成部件的尺寸范围为：沟道长度10-40nm，源、漏长度5-10nm，衬底氧化层厚度toxb50-300nm，沟道半椭圆柱的长径r1为5-15nm，栅氧化层厚度为2-6nm，金属栅厚度为2-4nm，半椭圆柱的长短轴之比范围在03-0.7。

本发明中，对源端进行p型掺杂（硼）浓度为10²⁰-5×10²⁰cm^-3，沟道n型掺杂（磷）浓度为10¹⁶-10¹⁷cm^-3，漏端进行n+型掺杂（磷）浓度为5×10¹⁸-10¹⁹cm^-3。

由于本发明所用的半椭圆柱沟道的结构在实际实验中存在着一定的难度，因此我们利用sentaurus软件对其仿真，可以在理论上知道它的相关电学特性。专业仿真软件sentaurus仿真表明，这样设计的隧穿场效应管，具有良好的亚阈值特性，最小亚阈值摆幅可以低至20mv/dec，比传统mosfet的最小亚阈值摆幅60mv/dec还要小三倍，为今后此类隧穿器件的实际开发和应用提供了很好的设计基础。

附图说明

图1本发明硅基椭圆栅隧穿场效应管的鸟瞰图。

图2本发明硅基椭圆栅隧穿场效应管的左视图。

图3沿沟道长度方向不同位置的沟道电势，vd=0.5v，vg=1.0v。

图4器件在栅压分别为0v和1v时源-沟道接触处的能带图。其中，实线为导带底能量，虚线为价带顶能量。vd=0.5v。

图5沟道电流与栅压之间关系图。vd=0.5v。

图6器件亚阈值摆幅与栅压关系图。vd=0.5v。

图7最小亚阈值摆幅与栅氧化层厚度关系图。vd=0.5v。

图8最小亚阈值摆幅与椭圆长短轴之比关系图。vd=0.5v。

具体实施方式

对新型硅基椭圆栅隧穿场效应管，我们使用sentaurus三维仿真软件仿真其电学特性。

用sentaurusdeviceedit（sde）组件创建对应结构，在sdvice组件中，引入了载流子运输方程流体力学模型、费米狄拉克分布模型、禁带变窄模型、迁移率模型（包含了迁移率与高电场模型与迁移率与掺杂浓度模型）、载流子复合模型（包含肖克莱复合、碰撞离化相关复合以及俄歇复合模型），加入非定域带间隧穿模型。将以上模型加入后进行仿真，图3到图8为仿真结果。

在仿真的结构中，沟道长度为40nm，源、漏的长度为10nm，衬底氧化层厚度toxb为300nm，沟道半椭圆柱的长径r1为8nm；栅氧化层厚度为2nm；金属栅厚度为2nm；所有半椭圆柱的长短轴之比没有特别提出时均为0.5，由此得到的沟道宽度最大为8nm。栅材料为金属，如铝或金等。衬底氧化层和栅氧化层材料均为氧化铪，沟道和源漏的材料均为硅。其中，对源端进行p型高浓度的硼掺杂（10²⁰cm^-3），沟道磷掺杂（10¹⁶cm^-3），漏端进行n型高浓度的磷掺杂（5×10¹⁸cm^-3）。

图3为沟道电势结果图，其中，漏压为vd=0.5v，栅压为vg=1.0v。从图中可以看出，在源端电势约为-0.5v，这是内建电势。由于源端为高浓度p型硅，与沟道形成p-n结时，有大量空穴移动到沟道，留下受主杂质，所以电势变低。在漏端电势约为1.0v，这是由于加了正栅压和漏电压的结果。

图4为栅压为0v和1v时，源-沟道处的能带图。可以看到，当栅压为0时，能带图左边（源端）的价带顶能量低于右侧（沟道）导带底能量，电子很难从源隧穿到沟道，几乎没有载流子注入到沟道，器件处于关断状态。当增加栅压，如vg=1.0v时，可以看到，此时能带图左边（源端）的价带顶能量高于右侧（沟道）导带底能量，电子可以从源隧穿到沟道，从而形成隧穿电流，器件处于导通状态。并且，此时势垒宽度变的很窄，电子很容易发生隧穿，这正是隧穿场效应管的工作机理。

图5为沟道电流与栅压关系图，可以看到，当栅压逐渐增大时，电流快速增长，具有明显的隧穿场效应管特性。图中展示了，保持其他条件不变时，源端掺杂浓度分别为10²⁰cm^-3、5×10¹⁹cm^-3以及10¹⁹cm^-3时的电流。由仿真得出的转移特性曲线可知，当掺杂浓度高的时候，在相同栅压下，具有更大的隧穿电流和更小的最小亚阈值摆幅。

图6为亚阈值摆幅与栅压之间关系，当栅压增大时，亚阈值摆幅变大，同时沟道电流也变大。实际应用中，要折衷选择。

由图7可知，当栅氧化层厚度较小时，器件具有更陡的亚阈值斜率，即拥有更小的亚阈值摆幅。

图8给出了不同长短轴之比时，器件的最小亚阈值摆幅。可以看出，当椭柱形沟道的长短轴之比越小，器件的最小亚阈值摆幅越小。