H形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管及其制造方法与流程

本发明涉及超大规模集成电路制造领域，具体涉及一种适用于低功耗集成电路制造的具有低泄漏电流的h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管及其制造方法。

背景技术：

集成电路的基本单元mosfets根据摩尔定律的要求，尺寸会变得越来越小，随之而来的不仅仅是在制造工艺上的难度加深，各种不良效应也越发的凸显。如今集成电路设计所采用的mosfets型器件由于其工作时自身产生电流的物理机制的限制，其亚阈值摆幅始终不能低于60mv/dec。而普通隧穿场效应晶体管作为开关型器件使用时，利用载流子在半导体能带之间发生隧穿效应作为电流的导通机制，其亚阈值摆幅要明显优于mosfets型器件的60mv/dec极限。然而，普通隧穿场效应晶体管的源区和漏区采用不同导电类型的杂质，这种非对称结构特征导致其无法在功能上完全取代具有对称结构特征的mosfets型器件。以n型隧穿场效应晶体管为例，如果将其源极和漏极互换，即漏极为低电位，源极为高电位，则隧穿场效应晶体管将始终处于导通状态，导通电流的大小不再能够依靠栅电极而得到良好控制和调节，这使得整个隧穿场效应晶体管的开关特性失效。

技术实现要素：

发明目的

为了有效结合和利用mosfets型器件源极、漏极可互换和普通隧穿场效应晶体管低亚阈值摆幅摆幅的优点，解决mosfets型器件亚阈值摆幅无法降低和普通隧穿场效应晶体管只能作为单向开关的不足，本发明提出一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管及其制造方法。该晶体管具有逻辑功能与当前基于mosfets集成电路完全兼容的优势特点，源漏两端结构的对称性使其可以通过对源极和漏极的电压互换实现源漏双向对称开关的功能，即具有源漏电极可互换的双向开关特性、此外还具有正反向电流比高、低亚阈值摆幅、高正向导通电流等工作特性。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管，包含soi晶圆的硅衬底，其特征在于：soi晶圆的硅衬底上方为soi晶圆的衬底绝缘层，soi晶圆的衬底绝缘层的上方为单晶硅薄膜、第一类杂质重掺杂区；单晶硅薄膜具有u形结构特征，为杂质浓度低于10¹⁶cm^-3的单晶硅半导体材料；第一类杂质重掺杂区位于单晶硅薄膜u形结构的底部水平部分的中间区域，其掺杂杂质的导电类型决定器件的导通类型，其内部不受h形栅电极场效应影响控制，为杂质浓度不低于10¹⁷cm^-3的半导体材料；第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b分别通过对单晶硅薄膜所形成的u形结构的两侧垂直部分的上方部分掺杂形成，杂质峰值浓度不低于10¹⁸cm^-3，其中第二类杂质重掺杂源漏可互换区a的前后表面和内侧表面与源漏可互换本征区a相互接触，并被其三面围绕；第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的前后表面和内侧表面与源漏可互换本征区b相互接触，并被其三面围绕；源漏可互换本征区a和源漏可互换本征区b分别位于单晶硅薄膜u形结构的两侧垂直部分的上部区域的前后表面及内表面，为杂质浓度低于10¹⁶cm^-3的单晶硅半导体材料；单晶硅薄膜、第一类杂质重掺杂区、源漏可互换本征区a、源漏可互换本征区b、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b共同组成了一个u形结构；栅电极绝缘层位于单晶硅薄膜u形结构底部水平部分的上表面和前后表面以及单晶硅薄膜u形结构两侧垂直部分的内侧表面和前后表面；h形栅电极由金属材料或多晶硅材料构成，对单晶硅薄膜u形结构的两侧垂直部分的上方部分的内侧表面和前后表面形成三面包裹，俯视soi晶圆，h形栅电极沿源漏方向呈英文大写字母h形状，h形栅电极与单晶硅薄膜u形结构之间通过栅电极绝缘层彼此绝缘，h形栅电极的位于单晶硅薄膜u形结构凹槽内侧部分下表面与栅电极绝缘层之间具有绝缘介质阻挡层的部分区域，h形栅电极只对单晶硅薄膜u形结构的两侧垂直部分的上部区域的前后表面及内表面，即对源漏可互换本征区a和源漏可互换本征区b由明显场效应控制作用，而对单晶硅薄膜u形结构的两侧垂直部分的下方区域以及单晶硅薄膜u形结构的底部水平部分区域没有明显场效应控制作用；源漏可互换电极a由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区a的上方；源漏可互换电极b也由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的上方，源漏可互换电极a、源漏可互换电极b和h形栅电极这三个电极之间通过绝缘介质阻挡层彼此绝缘；第一类杂质重掺杂区的左右两侧呈对称结构，能够在源漏可互换电极a和源漏可互换电极b对称互换的情况下实现同样的输出特性。

一种所述h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管的制造方法，其特征在于：

其制造步骤如下：

步骤一：提供一个soi晶圆，最下方为soi晶圆的硅衬底，硅衬底的上面是衬底绝缘层，衬底绝缘层的上表面为单晶硅薄膜，通过离子注入或扩散工艺，对soi晶圆上方的单晶硅薄膜的中间区域掺杂，初步形成第一类杂质重掺杂区；

步骤二：通过光刻、刻蚀工艺除去部分单晶硅薄膜和第一类杂质重掺杂区，在soi晶圆上形成单晶硅薄膜和第一类杂质重掺杂区；

步骤三：在底部的单晶硅薄膜和第一类杂质重掺杂区的上表面以及单晶硅薄膜左右两侧中间凸起部分的外侧表面，通过氧化或淀积、刻蚀工艺，形成栅电极绝缘层；

步骤四：通过淀积工艺，在soi晶圆上方淀积绝缘介质，平坦化表面至露出单晶硅薄膜的上表面，初步形成部分绝缘介质阻挡层；

步骤五：通过刻蚀工艺，对在步骤四中淀积的绝缘介质阻挡层进行部分刻蚀，进一步形成绝缘介质阻挡层；

步骤六：在soi晶圆上方淀积金属或多晶硅，平坦化表面至露出单晶硅薄膜的上表面，形成h形栅电极；

步骤七：通过离子注入工艺，对单晶硅薄膜的左右两侧垂直部分的上表面中间区域进行掺杂，形成第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b；

步骤八：通过淀积工艺，在soi晶圆上方淀积绝缘介质，形成其余部分的绝缘介质阻挡层；平坦化表面后通过刻蚀工艺去除第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b上方的绝缘介质阻挡层至露出第二类杂质重掺杂源漏可互换区a和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b的上表面，再通过淀积工艺向刻蚀形成的通孔中注入金属至通孔被完全填充，最后将表面平坦化处理，形成源漏可互换电极a和源漏可互换电极b。

优点及效果

本发明具有如下优点及有益效果：

1.源漏对称可互换的双向开关特性：

本发明所述器件为一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管，在单晶硅薄膜1靠近栅电极绝缘层7两侧的部分分别具有彼此独立的隧穿结构，由于器件具有左右对称结构，在h形栅电极8的控制作用下，单晶硅薄膜1所形成的u形结构两侧垂直部分上方在与栅电极绝缘层7接触的表面附近同时发生隧穿，通过调节源漏可互换电极a9和源漏可互换电极b10的电压控制第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6作为源区或漏区，因此可改变隧穿电流方向，实现本发明的源漏对称可互换的双向开关特性。

2.低亚阈值摆幅：

由于本发明是基于隧穿场效应晶体管的隧穿机制，并采用对称双栅结构，具有良好的栅极控制能力，在h形栅电极8的控制作用下，能带发生弯曲，单晶硅薄膜1的左右两侧在与栅电极绝缘层7接触的表面附近同时发生隧穿，使得载流子具有较大概率地穿过势垒，在较短时间内迅速形成较大电流，相较于mosfets型器件具有低亚阈值摆幅。

3.低静态功耗、低反向泄漏电流和高正反向电流比：

当第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5、第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6之间存在电势差时，且当h形栅电极8处于亚阈值或反偏状态，由于第一类杂质重掺杂区2分别与第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5、第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6具有相反杂质类型，因此第一类杂质重掺杂区2必然与第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5或第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6的其中之一处于反偏状态，且第一类杂质重掺杂区2必然与第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5或第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6之间存在部分单晶硅薄膜1，因此器件具有较好的抑制由于场强过强所导致的隧穿电流显著增大的能力。换句话说，第一类杂质重掺杂区2由于不受h形栅电极8的控制，可以有效阻断第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5或第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6之间的多数载流子的导通。因此本发明具有低静态功耗、低反向泄漏电流和高正反向电流比的优点。

附图说明

图1为本发明一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管的俯视图；

图2为本发明一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管的沿虚线a的剖面图；

图3为本发明一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管的沿虚线b的剖面图；

图4为步骤一的俯视图；

图5为步骤一的沿虚线a的剖面图；

图6为步骤一的沿虚线b的剖面图；

图7为步骤二的俯视图；

图8为步骤二的沿虚线a的剖面图；

图9为步骤二的沿虚线b的剖面图；

图10为步骤二的沿虚线c的剖面图；

图11为步骤二的沿虚线d的剖面图；

图12为步骤二的沿虚线e的剖面图；

图13为步骤三的俯视图；

图14为步骤三的沿虚线a的剖面图；

图15为步骤三的沿虚线b的剖面图；

图16为步骤三的沿虚线c的剖面图；

图17为步骤三的沿虚线d的剖面图；

图18为步骤三的沿虚线e的剖面图；

图19为步骤四的俯视图；

图20为步骤四的沿虚线a的剖面图；

图21为步骤四的沿虚线b的剖面图；

图22为步骤四的沿虚线c的剖面图；

图23为步骤四的沿虚线d的剖面图；

图24为步骤四的沿虚线e的剖面图；

图25为步骤五的俯视图；

图26为步骤五的沿虚线a的剖面图；

图27为步骤五的沿虚线b的剖面图；

图28为步骤五的沿虚线c的剖面图；

图29为步骤五的沿虚线d的剖面图；

图30为步骤五的沿虚线e的剖面图；

图31为步骤六的俯视图；

图32为步骤六的沿虚线a的剖面图；

图33为步骤六的沿虚线b的剖面图；

图34为步骤六的沿虚线c的剖面图；

图35为步骤六的沿虚线d的剖面图；

图36为步骤六的沿虚线e的剖面图；

图37为步骤七的俯视图；

图38为步骤七的沿虚线a的剖面图；

图39为步骤七的沿虚线b的剖面图；

图40为步骤八的俯视图；

图41为步骤八的沿虚线a的剖面图；

图42为步骤八的沿虚线b的剖面图。

附图标记说明：

1、单晶硅薄膜；2、第一类杂质重掺杂区；3、源漏可互换本征区a；4、源漏可互换本征区b；5、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a；6、第二类杂质重掺杂源漏可互换区b；7、栅电极绝缘层；8、h形栅电极；9、源漏可互换电极a；10、源漏可互换电极b；11、衬底绝缘层；12、硅衬底；13、绝缘介质阻挡层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2和图3所示，一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管，包含soi晶圆的硅衬底12，soi晶圆的硅衬底12上方为soi晶圆的衬底绝缘层11，soi晶圆的衬底绝缘层11的上方为单晶硅薄膜1、第一类杂质重掺杂区2；单晶硅薄膜1具有u形结构特征，为杂质浓度低于10¹⁶cm^-3的单晶硅半导体材料；第一类杂质重掺杂区2位于单晶硅薄膜1u形结构的底部水平部分的中间区域，其掺杂杂质的导电类型决定器件的导通类型，其内部不受h形栅电极8场效应影响控制，为杂质浓度不低于10¹⁷cm^-3的半导体材料；第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6分别通过对单晶硅薄膜1所形成的u形结构的两侧垂直部分的上方部分掺杂形成，杂质峰值浓度不低于10¹⁸cm^-3，其中第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5的前后表面和内侧表面与源漏可互换本征区a3相互接触，并被其三面围绕；第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6的前后表面和内侧表面与源漏可互换本征区b4相互接触，并被其三面围绕；源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4分别位于单晶硅薄膜1u形结构的两侧垂直部分的上部区域的前后表面及内表面，为杂质浓度低于10¹⁶cm^-3的单晶硅半导体材料；单晶硅薄膜1、第一类杂质重掺杂区2、源漏可互换本征区a3、源漏可互换本征区b4、第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6共同组成了一个u形结构；栅电极绝缘层7位于单晶硅薄膜1u形结构底部水平部分的上表面和前后表面以及单晶硅薄膜1u形结构两侧垂直部分的内侧表面和前后表面；h形栅电极8由金属材料或多晶硅材料构成，对单晶硅薄膜1u形结构的两侧垂直部分的上方部分的内侧表面和前后表面形成三面包裹，俯视soi晶圆，h形栅电极8沿源漏方向呈英文大写字母h形状，h形栅电极8与单晶硅薄膜1u形结构之间通过栅电极绝缘层7彼此绝缘，h形栅电极8的位于单晶硅薄膜1u形结构凹槽内侧部分下表面与栅电极绝缘层7之间具有绝缘介质阻挡层13的部分区域，h形栅电极8只对单晶硅薄膜1u形结构的两侧垂直部分的上部区域的前后表面及内表面，即对源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4由明显场效应控制作用，而对单晶硅薄膜1u形结构的两侧垂直部分的下方区域以及单晶硅薄膜1u形结构的底部水平部分区域没有明显场效应控制作用；源漏可互换电极a9由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5的上方；源漏可互换电极b10也由金属材料构成，位于第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6的上方，源漏可互换电极a9、源漏可互换电极b10和h形栅电极8这三个电极之间通过绝缘介质阻挡层13彼此绝缘；第一类杂质重掺杂区2的左右两侧呈对称结构，能够在源漏可互换电极a9和源漏可互换电极b10对称互换的情况下实现同样的输出特性。

本发明提供一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管，具有左右对称的结构特征，通过调节源漏可互换电极a9和源漏可互换电极b10的电压控制第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6作为源区或漏区，改变隧穿电流方向，使器件实现双向隧穿导通的源漏对称可互换特性。

以第一类杂质重掺杂区2为n型杂质为例，当第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5、第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6之间存在电势差时，且当h形栅电极8处于负压反偏状态，受栅电极场效应作用影响，第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5会向源漏可互换本征区a3提供空穴、第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6会向源漏可互换本征区b4提供空穴，因此会在源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4均产生空穴堆积，使得源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4此时均显现p型状态，所堆积的空穴使得源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4在h形栅电极8的作用下阻值下降（即源区、漏区均处于低阻状态），但此时由于显现p型特征的源漏可互换本征区a3与此时为n型的第一类杂质重掺杂区2在漏源电压下形成反偏的pn结结构，且由于第一类杂质重掺杂区2是不受h形栅电极8控制的，因而不会由于h形栅电极8电压的改变而改变其导通类型，因此晶体管在反偏状态下，由于存在反偏的pn结结构，晶体管整体呈现高阻阻断状态；随着h形栅电极8被施加的电压从负电压逐渐上升至平带电压附近，第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5不会向源漏可互换本征区a3提供大量空穴、第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6不会向源漏可互换本征区b4提供大量空穴，同时由于此时源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4内场强较低，能带弯曲程度较小，因此也不会在源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4的导带和价带之间产生大量隧穿电子空穴对，因此在源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4内既形不成大量空穴堆积，也形不成大量电子堆积，晶体管的源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4均处于高阻状态（即源区和漏区处于高阻状态），因此整个晶体管不会有明显电流流过，器件此时具有优秀的关断特性和亚阈值特性；随着h形栅电极8被施加的电压进一步由平带电压上升至正向偏置状态，此时源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4内受h形栅电极8场效应作用影响，会出现较大电场强度和较强能带弯曲，因此会发生明显的隧道效应，使得源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4内形成大量电子空穴对，其中作为源区一端的源漏可互换本征区所产生的空穴会经由该端的第二类杂质重掺杂源漏可互换区排出，所产生的电子会经由第一类杂质重掺杂区2流向作为漏区一端的源漏可互换本征区，与作为漏区一端的源漏可互换本征区内由隧道效应所产生的价带空穴发生复合。而作为漏区一端的源漏可互换本征区内由隧道效应所产生的导带电子会经由作为漏区的第二类杂质重掺杂源漏可互换区，与其价带空穴发生复合，通过上述物理过程形成连续的导通电流。由于隧道效应所产生的电子空穴对浓度会随着h形栅电极8所被施加电压的上升而逐步上升，当隧道效应所产生的电子空穴对浓度增加到一定程度时，晶体管由亚阈值状态过渡至正向导通状态。

为达到本发明所述的器件功能，本发明提出提出一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管，其核心结构特征为：

本发明所述器件为一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管，具有h形栅极的结构，与栅电极绝缘层7的外侧表面相互接触，并对栅电极绝缘层7形成三面围绕，俯视观看呈现英文大写字母h形结构特征，对单晶硅薄膜1所形成的u形结构的两侧垂直部分的上方部分，即对源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4具有明显的场效应控制作用，当h形栅电极8处于正偏状态时，对比于平面结构，位于h形栅电极8拐角区域附近的电场强度会得到加强，导致在源漏可互换本征区a3和源漏可互换本征区b4内产生载流子的概率在同等栅电压下增大，使得亚阈值摆幅有所下降、正向导通电流有所增大；

第一类杂质重掺杂区2及其上方的绝缘介质阻挡层13部分的两侧呈对称结构。第一类杂质重掺杂区2与第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5、第一类杂质重掺杂区2与第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6分别具有相反杂质类型。当向两侧的栅电极同时施加反向电压时，在单晶硅薄膜1的上方两侧与栅电极绝缘层7接触的表面附近积累了大量与第二类杂质重掺杂区多数载流子类型相同的载流子，这些与第二类杂质重掺杂区多数载流子类型相同的载流子在漏电极电压的作用下流经源漏可互换本征区到达第一类杂质重掺杂区2，并在第一类杂质重掺杂区2与第一类杂质重掺杂区的多数载流子与导电类型相反发生复合，由于第一类杂质重掺杂区2为高掺杂浓度区域，足以将来自源漏可互换本征区的这些与第二类杂质重掺杂区多数载流子类型相同的载流子几乎完全复合掉，且由于作为源区一侧的源漏可互换本征区与第一类杂质重掺杂区2之间处于反偏高阻状态，因此此时在源漏方向上不会产生明显的电流产生，这种结构显著降低了隧穿型场效应晶体管的反向泄漏电流，并使得器件可以获得较高的正反向电流比。由于本发明所述器件所具有的对称结构，通过控制源漏可互换电极a9和源漏可互换电极b10切换第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6作为源区或漏区，并不会影响器件的输出特性，因此可以实现如同mosfets器件的源漏可互换的双向开关特性。栅电极绝缘层7为用于产生隧穿电流的绝缘材料层。

本发明所提出的一种h形栅控源漏对称可互换型隧穿晶体管的单元在soi晶圆上的具体制造工艺步骤如下：

步骤一：如图4、图5和图6所示，提供一个soi晶圆，最下方为soi晶圆的硅衬底12，硅衬底的上面是衬底绝缘层11，衬底绝缘层11的上表面为单晶硅薄膜1，通过离子注入或扩散工艺，对soi晶圆上方的单晶硅薄膜1的中间区域掺杂，初步形成第一类杂质重掺杂区2；

步骤二：如图7、图8、图9、图10、图11和图12所示，通过光刻、刻蚀工艺除去部分单晶硅薄膜1和第一类杂质重掺杂区2，在soi晶圆上形成单晶硅薄膜1和第一类杂质重掺杂区2；

步骤三：如图13、图14、图15、图16、图17和图18所示，在底部的单晶硅薄膜1和第一类杂质重掺杂区2的上表面以及单晶硅薄膜1左右两侧中间凸起部分的外侧表面，通过氧化或淀积、刻蚀工艺，形成栅电极绝缘层7；

步骤四：如图19、图20、图21、图22、图23和图24所示，通过淀积工艺，在soi晶圆上方淀积绝缘介质，平坦化表面至露出单晶硅薄膜1的上表面，初步形成部分绝缘介质阻挡层13；

步骤五：如图25、图26、图27、图28、图29和图30所示，通过刻蚀工艺，对在步骤四中淀积的绝缘介质阻挡层13进行部分刻蚀，进一步形成绝缘介质阻挡层13；

步骤六：如图31、图32、图33、图34、图35和图36所示，在soi晶圆上方淀积金属或多晶硅，平坦化表面至露出单晶硅薄膜1的上表面，形成h形栅电极8；

步骤七：如图37、图38和图39所示，通过离子注入工艺，对单晶硅薄膜1的左右两侧垂直部分的上表面中间区域进行掺杂，形成第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6；

步骤八：如图40、图41和图42所示，通过氧化或淀积工艺，在soi晶圆上方淀积绝缘介质，形成其余部分的绝缘介质阻挡层13；平坦化表面后通过刻蚀工艺去除第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6上方的绝缘介质阻挡层13至露出第二类杂质重掺杂源漏可互换区a5和第二类杂质重掺杂源漏可互换区b6的上表面，再通过淀积工艺向刻蚀形成的通孔中注入金属或多晶硅至通孔被完全填充，最后将表面平坦化处理，形成源漏可互换电极a9和源漏可互换电极b10。