非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管及其制备方法

本发明属于新型纳米半导体器件中的场效应晶体管领域，具体涉及一种利用对沟道与漏极延伸区进行横向高斯掺杂方式，实现负电容无结环栅晶体管性能提升的非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、近半个世纪以来，随着半导体技术突飞猛进的发展，作为现代电子信息产业的互补金属氧化物半导体(cmos)集成电路规模不断壮大。这主要归功于cmos器件特征尺寸的不断缩小，目前最先进的5nm半导体工艺已经进入量产。但随着集成度的不断提高，集成电路芯片功耗的持续增加成为集成电路发展的难题；而且受短沟道效应影响，传统cmos器件微缩将达到物理极限。

2、为了延续摩尔定律且保持器件性能，芯片行业已于2012年开始从平面型晶体管过渡到立体的鳍式场效应晶体管(finfet)，但随之晶体管间距逐渐接近原子级，finfet工艺创新的步伐也在放慢。在多栅结构中，环栅场效应晶体管(gaafet)以其独特的栅极全包裹结构而具有极强的栅控能力，学术界与工业界明确gaafet是继finfet后的纳米cmos器件结构。在gaafet的基础上引入负电容材料，可以突破玻尔兹曼热力学极限，在室温下将亚阈值摆幅(ss)降至60mv/dec以下且其开关电流比(ion/ioff)也可以增大。

3、目前，实际工艺中根据cmos晶体管沟道内的掺杂方式，分为反型模式和无结模式。近年来，无结场效应晶体管因其制造流程简单、特殊结构、可扩展性好、热损耗小及对短沟道效应(sce)的抑制能力而引起了研究者的极大兴趣。同时，由于扩散和离子注入等工艺步骤，无结晶体管内部很难实现均匀掺杂，因此实现高斯掺杂会比均匀掺杂在实际中更容易，但传统的高斯掺杂方式在沟道内是纵向分布的。在沟道内进行横向高斯掺杂可以降低器件的亚阈值摆幅，增大开关电流比。漏极延伸区长度大于源极延伸区长度的非对称结构会进一步提高器件的开关电流比和开关的转换速度，且大幅度降低晶体管的功耗。

技术实现思路

1、针对目前晶体管功耗和sce等问题，本发明提供了一种降低功耗且抑制sce的非对称横向高斯掺杂的负电容无结环栅晶体管。

2、本发明是在负电容无结环栅晶体管基础上，引入横向高斯掺杂方式和非对称结构，在负电容无结环栅晶体管整个沟道与漏极延伸区内进行横向高斯掺杂，形成全局横向高斯掺杂结构。

3、本发明提供一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管，包括：漏极、源极、漏极延伸区、源极延伸区、栅极、沟道；所述栅极包括3层环状结构：最内层为栅极氧化层，包括sio2层和high-k介质hfo2层，其中所述high-k介质hfo2层位于外层，所述sio2层位于内层；中间层为栅极铁电层，所述栅极铁电层为掺杂的铪基氧化物zr-hfo2；最外层为氮化钛材质的栅极金属层；所述3层环状结构包覆于所述沟道，所述源极延伸区与所述漏极延伸区的一端分别连接至所述沟道的两端；所述源极位于所述源极延伸区的另一端，所述漏极位于所述漏极延伸区的另一端；所述源极延伸区与所述漏极延伸区的长度比值为1：2；所述沟道与漏极延伸区内的掺杂，服从横向高斯分布，形成全局横向高斯掺杂结构；所述横向高斯分布是指：在以所述沟道与所述漏极延伸区的交界处为中心，以中心处的掺杂浓度为峰值，由中心向两侧扩散，形成服从高斯分布的渐变掺杂；所述全局横向高斯掺杂是指：所述非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管的整个沟道与整个漏极延伸区内都有掺杂，且掺杂服从横向高斯分布。

4、作为优选，所述中心处的掺杂浓度为2×1019cm-3；所述漏极的掺杂浓度与源极相同，均为1×1019cm-3。

5、作为优选，对所述源极延伸区进行均匀掺杂。

6、作为优选，所述栅极氧化层中，所述sio2层厚度为0.5nm；所述栅极氧化层中，所述high-k介质hfo2层厚度为1nm；所述栅极铁电层中，所述掺杂的铪基氧化物zr-hfo2厚度为3nm。

7、作为优选，所述漏极、源极、漏极延伸区、源极延伸区、沟道，均为柱状结构，所述沟道的长度为16nm；所述漏极延伸区长度为12nm；所述源极延伸区长度为6nm。

8、本发明还提供一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管的制备方法，包括以下步骤：采用电子束光刻方法，制备具有单一磷元素掺杂的沟道；采用化学气相沉淀法，在沟道的外环区域积淀sio2和high-k介质hfo2，形成栅极氧化层；通过快速热退火方法，在栅极氧化层外，结晶具有铁电性的材料zr-hfo2，结晶完成后再进行一次快速热退火，形成栅极铁电层；通过原子层沉积方法，在栅极铁电层外沉积金属，沉积完成后再进行一次快速热退火，得到栅极金属层；对沟道区域两侧进行源/漏外延区的生长以及元素磷的掺杂,分别得到源极延伸区和漏极延伸区；所述掺杂包括对沟道和漏极延伸区两个区域进行磷元素的高斯掺杂，掺杂浓度遵循以下表达式：

9、

10、其中，n(x)表示掺杂浓度，npeak为掺杂浓度峰值，npeak具体的取值为2×1019cm-3，x表示沿着从源极指向漏极的方向的位置，xpeak为高斯掺杂峰值浓度所处位置，位于两个区域的交界处，由中心向两侧扩散，形成高斯渐变掺杂，σ为高斯分布中的标准差；将所述源极延伸区和漏极延伸区暴露于化学蚀刻物质中，使所述源极延伸区和漏极延伸区在生长过程中，保持在垂直于所述柱状结构的轴向方向上不变粗；将所述源极延伸区和漏极延伸区远离所述沟道的端部暴露于氢中，使所述源极延伸区和漏极延伸区沿所述柱状结构的轴向方向生长变长；利用氢处理来控制所述延伸区结构的生长，使源极延伸区长度与漏极延伸区长度比值为1：2；将所述源极延伸区和漏极延伸区远离所述沟道的端部在1050℃下进行快速退火，再进行温度为1398℃和时间为1.0ms的激光退火，得到源/漏极区域；对源极和漏极区域进行电极触点的镍硅化，得到源/漏电极。

11、本发明提出的非对称结构的横向高斯掺杂的负电容无结环栅晶体管(lgd nc-jl-gaafet)中，非对称结构虽然代表源/漏延伸区长度不同，但在整个沟道和漏极延伸区进行高斯掺杂，对源极延伸区进行均匀掺杂，这也会导致掺杂浓度非对称分布。

12、本发明提出的非对称结构的横向高斯掺杂的lgd nc-jl-gaafet中，由于高斯掺杂的存在，沟道和漏极延伸区内浓度存在不同，导致晶体管内存在扩散现象，当存在非对称结构时，电子的扩散密度会发生变化从而导致器件的电流发生变化。此外源/漏延伸区长度不同，使得沟道与其之间的电阻也存在差异，同时也会对器件的电流造成影响。

技术特征：

1.一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管，其特征在于，所述中心处的掺杂浓度为2×1019cm-3；所述漏极的掺杂浓度与源极相同，均为1×1019cm-3。

3.如权利要求2所述的一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管，其特征在于，对所述源极延伸区进行均匀掺杂。

4.如权利要求2所述的一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管，其特征在于，

5.如权利要求4所述的一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管，其特征在于，所述漏极、源极、漏极延伸区、源极延伸区、沟道，均为柱状结构，所述沟道的长度为16nm；所述漏极延伸区长度为12nm；所述源极延伸区长度为6nm。

6.如权利要求5所述的一种非对称横向掺杂的负电容无结环栅晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种非对称横向高斯掺杂的负电容无结环栅晶体管及制备方法。本发明通过在整个沟道和漏极延伸区对沿着沟道方向进行横向高斯掺杂，形成全局横向高斯掺杂的浓度分布形式。本发明通过在全局横向高斯掺杂的基础上，调整源/漏延伸区的长度，形成长度与浓度分布均不对称负电容无结环栅晶体管结构，从而降低器件的亚阈值摆幅、提高开关电流比并有效抑制短沟道效应造成的漏致势垒降低效应。

技术研发人员：韩颖,吕伟锋,魏伟杰,张彩云,谌登科
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13