專利名稱：一種增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其形成方法。
背景技術(shù)：
隨著特征尺寸不斷按比例縮小，傳統(tǒng)的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管尺寸逐漸達(dá)到物理和技術(shù)的雙重極限，集成電路面臨諸多由材料和器件基本原理引起的小尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致器件性能發(fā)生惡化，為此，人們提出了改進(jìn)措施，其中，尤為突出的是隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Tunneling Field Effect Transistor,TFET)。由于隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸越來越小，特別是對(duì)于窄能帶材料，例如Ge、InAs> InSb等材料,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不能很好的抑制器件的雙極導(dǎo)通效應(yīng)(Ambipolar Effect),導(dǎo)致關(guān)態(tài)電流急劇上升；同時(shí)，隨著特征尺寸的減小，器件的電容尤其是柵漏電容Cgd占的比重越大，使得器件的工作速度下降。目前現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是TFET器件的性能還有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在解決上述技術(shù)缺陷，特別是要解決TFET器件的性能還有待提高的缺陷。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法，包括以下步驟形成襯底，并在所述襯底之上依次形成柵介質(zhì)層和第二柵電極層；在所述第二柵電極層及部分所述柵介質(zhì)層之上保形地淀積并形成第一柵電極層；刻蝕所述第一柵電極層，以在所述第二柵電極層兩側(cè)分別形成第一柵電極；在所述第一柵電極層的兩側(cè)分別形成第一側(cè)墻；在所述襯底中分別形成源區(qū)和漏區(qū)，并去除所述第一側(cè)墻；去除所述第二柵電極層一側(cè)的一個(gè)第一柵電極，并保留所述第二柵電極與保留的第一柵電極之下的柵介質(zhì)層；在所述柵介質(zhì)層的兩側(cè)形成包圍所述第二柵電極和保留的第一柵電極的第二側(cè)墻；形成達(dá)到源區(qū)和漏區(qū)表面的歐姆接觸層，沉積中間介質(zhì)層并進(jìn)行平坦化；以及去除所述第二側(cè)墻，并再次襯底中間介質(zhì)層以將去除所述第二側(cè)墻之后形成的缺口密封以形成真空或空氣側(cè)墻。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一柵側(cè)墻為Si3N4或SiO2，所述第二柵側(cè)墻為
Si3N4。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用高選擇比的濕法或干法工藝將所述第二柵側(cè)墻去除。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括形成所述源區(qū)和漏區(qū)之上的歐姆接觸層。本發(fā)明實(shí)施具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用在工藝中引入柵至漏區(qū)的真空或空氣側(cè)墻，從而削弱柵對(duì)漏區(qū)的控制，顯著地減小了柵漏電容，加快了工作速度；本發(fā)明采用柵堆疊與器件的漏區(qū)之間存在一定的距離，該距離可以通過在器件制備過程中引入并得到精確控制，這樣在空間上使得隧穿勢(shì)壘路徑增大，減小載流子的隧穿概率，從而抑制雙極導(dǎo)通效應(yīng)(Ambipolar effect),增大了雙極窗口(AmbipolarWindow)；本發(fā)明在工藝中引入柵至源區(qū)的真空或空氣側(cè)墻，有助于減小柵對(duì)源區(qū)的反型控制，增大源區(qū)至溝道區(qū)的載流子隧道穿透概率；本發(fā)明在隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管中引入了橫向異質(zhì)柵極功函數(shù)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)溝道區(qū)的能帶分布進(jìn)行了調(diào)制，顯著地減小了晶體管的亞閾值斜率，大大地提高了驅(qū)動(dòng)電流，提高TFET器件的性能。


圖1為η型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖。圖2至圖20為η型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法流程圖。圖21為P型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，為本發(fā)明實(shí)施例η型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖。在本發(fā)明實(shí)施例中，η型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括襯底1100，半絕緣層或絕緣層1200，形成在所述襯底1100之中的溝道區(qū)，以及形成在所述溝道區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)，其中，所述漏區(qū)和所述源區(qū)的摻雜類型相反。η型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管還包括源區(qū)和漏區(qū)之上的歐姆接觸層1410和1420，以及形成在所述溝道區(qū)之上的柵堆疊，其中，所述柵堆疊包括柵介質(zhì)層1631，所述柵堆疊至少還包括沿從所述源區(qū)到所述漏區(qū)方向分布的且形成在所述柵介質(zhì)層之上的第一柵電極1611和第二柵電極1620，以及形成在所述柵介質(zhì)層之上的及分別形成在所述第一柵電極1611和第二柵電極1620邊側(cè)的第一真空側(cè)墻1910和第二真空側(cè)墻1920，且所述第一柵電極1610和所述第二柵電極1620具有不同的功函數(shù)。η型增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)還包括介質(zhì)層1641，以及形成柵區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)的接觸孔。當(dāng)制備η型隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，將襯底摻雜成具有η型高電阻率或者P型高電阻率或者為本征半導(dǎo)體材料，優(yōu)選η型高電阻率；當(dāng)制備P型隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，將襯底摻雜成具有P型高電阻率或者η型高電阻率或者為本征半導(dǎo)體材料，優(yōu)選P型高電阻率；在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，η型隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏區(qū)可為η型重?fù)诫s，源區(qū)為P型重?fù)诫s；在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)為P型重?fù)诫s，源區(qū)為η型重?fù)诫s。在本發(fā)明實(shí)施例中，增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法包括以下步驟步驟1，如圖2所示，形成襯底1100，在襯底1100上形成半絕緣或絕緣層1200，并在其上形成半導(dǎo)體材料，在所述半導(dǎo)體材料之上形成柵介質(zhì)層1631。如圖3所示，在所述柵介質(zhì)層1631之上形成第二柵電極層1620。在本發(fā)明實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底可以是絕緣層上單晶硅襯底或者硅晶圓片，可以進(jìn)一步減小晶體管的襯底泄漏電流。也可以是其它類型的半導(dǎo)體襯底，例如，單晶硅、單晶鍺、單晶鍺娃(Silicon Germanium)、多晶娃、多晶鍺、多晶鍺娃、絕緣層上娃、絕緣層上鍺、絕緣層上鍺娃、碳納米管、石墨烯(graphene)、GaAs襯底、InAs襯底、InSb襯底、GaSb襯底等。在本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)制備η型隧穿晶體管時(shí)，可以將襯底摻雜成具有η型高電阻率。當(dāng)制備P型隧穿晶體管時(shí)，可以將襯底摻雜成具有P型高電阻率。而事實(shí)上，隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)襯底摻雜類型的選擇并沒有像傳統(tǒng)的MOSFET那樣嚴(yán)格限制，因?yàn)镸OSFET依賴的是溝道區(qū)雜質(zhì)的反型，而隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的原理是基于柵極控制的反向偏置的p-i-n結(jié)的隧穿，其中i層可以為輕摻雜層，或可以為本征層。步驟2，在第二柵電極層1620之上涂覆光刻膠2010，并利用光刻技術(shù)將其圖形化，如圖4所示。步驟3，利用光刻膠做掩蔽，采取刻蝕的方法使第二柵電極層1620形成圖形化，如 圖5所示。步驟4，在所述第二柵電極圖形及部分所述柵介質(zhì)材料層1631之上保形地淀積并形成第一柵電極層1610，如圖6所示。步驟5，利用各向異性刻蝕技術(shù)刻蝕第一柵電極層，以類似制備側(cè)墻的方法在所述第二柵電極圖形兩側(cè)分別形成第一柵電極1611和1612，如圖7所示。步驟6，在上述結(jié)構(gòu)表面保形地淀積一層SiO2或Si3N4薄膜，利用各向異性刻蝕技術(shù)刻蝕SiO2或Si3N4薄膜，在第一柵電極層的兩側(cè)形成第一側(cè)墻1710和1720，如圖8所示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一側(cè)墻可為SiO2或Si3N4。步驟7，采用光刻技術(shù)利用光刻膠保護(hù)器件右側(cè)漏區(qū)不注入的區(qū)域，對(duì)器件左側(cè)源區(qū)進(jìn)行有一定傾角的離子注入，形成P+重?fù)诫s源區(qū)，如圖9所示；用樣方法對(duì)器件右側(cè)漏區(qū)注入，形成N+重?fù)诫s漏區(qū)，如圖10所示；完成注入后，利用濕法腐蝕等方法將前述的側(cè)墻去除，如圖11所示。步驟8，涂覆光刻膠2020，利用光刻技術(shù)，將其圖形化。采用光刻膠保護(hù)第二柵電極1620左側(cè)的第一柵電極層1611，如圖12所示；利用刻蝕技術(shù)，將第二柵電極右側(cè)的第一柵電極層1612去除，如圖13所示；刻蝕完成后，去除光刻膠，如圖14所示。步驟9，在柵堆疊上方形成硬掩膜1500，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)形成在圖14的最終結(jié)構(gòu)上保形地形成Mask Oxide (Si02)，并利用光刻結(jié)合刻蝕技術(shù)，將柵堆疊兩側(cè)的Mask Oxide以及并將柵堆疊兩側(cè)的第一柵介質(zhì)材料1631去除，最終形成如圖15所示；重新形成第二側(cè)墻1730和1740，并且該第二側(cè)墻的材料與上一步的硬掩膜不同，優(yōu)選Si3N4材料,如圖16所示。步驟10，采用自對(duì)準(zhǔn)的半導(dǎo)體金屬化合物工藝，形成源區(qū)和漏區(qū)表面的歐姆接觸層1710和1720,并重新沉積中間介質(zhì)層(Inter Dielectric Layer)材料1641,該材料優(yōu)選與硬掩膜(Mask Oxide)材料相同，如圖17所示；并利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝來實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)平坦化，該平坦化過程要恰到好處，直至恰好暴露出側(cè)墻的Si3N4層后立即中止該項(xiàng)操作；在本發(fā)明實(shí)施例中，層間電介質(zhì)層可以是氮化硅、氧化硅、或者氮氧化物等，優(yōu)選二氧化硅；并利用高選擇比的濕法或者干法工藝將第二側(cè)墻1730和1740去除；如圖18所示。步驟11，再次平坦地沉積中間介質(zhì)層，將原來的Si3N4側(cè)墻上方的缺口密封起來，從而最終形成真空或空氣側(cè)墻1920和1910，如圖19所示。步驟12形成柵、源、漏區(qū)的接觸孔，并形成金屬互連，至此，完成η型隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作，如圖20所示。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，制備P型隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的步驟包括，襯底；形成在所述襯底之中的溝道區(qū)，以及形成在所述溝道區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)，其中，所述漏區(qū)和所述源區(qū)的摻雜類型相反；還包括源區(qū)和漏區(qū)之上的歐姆接觸層；包括形成在所述溝道區(qū)之上的柵堆疊，其中，所述柵堆疊包括柵介質(zhì)層，所述柵堆疊至少還包括沿從所述源區(qū)到所述漏區(qū)方向分布的且形成在所述柵介質(zhì)層之上的第一柵電極和第二柵電極，以及形成在所述柵介質(zhì)層之上的及分別形成在所述第一柵電極和第二柵電極邊側(cè)的第一真空側(cè)墻和第二真空側(cè)墻，且所述第一柵電極和所述第二柵電極具有不同的功函數(shù)；還包括形成柵區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)的接觸孔；制備P型隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，將襯底摻雜成具有P型高電阻率或者η型高電阻率或者為本征半 導(dǎo)體材料,優(yōu)選P型高電阻率。如圖21所示。本發(fā)明實(shí)施具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用在工藝中引入柵至漏區(qū)的真空或空氣側(cè)墻，從而削弱柵對(duì)漏區(qū)的控制，顯著地減小了柵漏電容，加快了工作速度；本發(fā)明采用柵堆疊與器件的漏區(qū)之間存在一定的距離，該距離可以通過在器件制備過程中引入并得到精確控制，這樣在空間上使得隧穿勢(shì)壘路徑增大，減小載流子的隧穿概率，從而抑制雙極導(dǎo)通效應(yīng)(ambipolar effect)，增大了雙極窗口 (AmbipolarWindow)；本發(fā)明在工藝中引入柵至源區(qū)的真空或空氣側(cè)墻，有助于減小柵對(duì)源區(qū)的反型控制，增大源區(qū)至溝道區(qū)的載流子隧穿概率；本發(fā)明在隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管中引入了橫向異質(zhì)柵極功函數(shù)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)溝道區(qū)的能帶分布進(jìn)行了調(diào)制，顯著地減小了晶體管的亞閾值斜率，大大地提高了驅(qū)動(dòng)電流，提高TFET器件的性能。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，包括以下步驟 形成襯底，并在所述襯底之上依次形成柵介質(zhì)層和第二柵電極層； 在所述第二柵電極層及部分所述柵介質(zhì)層之上保形地淀積并形成第一柵電極層； 刻蝕所述第一柵電極層，以在所述第二柵電極層兩側(cè)分別形成第一柵電極； 在所述第一柵電極層的兩側(cè)分別形成第一側(cè)墻； 在所述襯底中分別形成源區(qū)和漏區(qū)，并去除所述第一側(cè)墻； 去除所述第二柵電極層一側(cè)的一個(gè)第一柵電極，并保留所述第二柵電極與保留的第一柵電極之下的柵介質(zhì)層； 在所述柵介質(zhì)層的兩側(cè)形成包圍所述第二柵電極和保留的第一柵電極的第二側(cè)墻；形成達(dá)到源區(qū)和漏區(qū)表面的歐姆接觸層，沉積中間介質(zhì)層并進(jìn)行平坦化；以及去除所述第二側(cè)墻，并再次襯底中間介質(zhì)層以將去除所述第二側(cè)墻之后形成的缺口密封以形成真空或空氣側(cè)墻。
2.如權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，所述第一柵側(cè)墻為Si3N4或SiO2，所述第二柵側(cè)墻為Si3N4。
3.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于， 利用高選擇比的濕法或干法工藝將所述第二柵側(cè)墻去除。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，還包括 形成所述源區(qū)和漏區(qū)之上的歐姆接觸層。
全文摘要
一種增強(qiáng)隧道穿透場(chǎng)效應(yīng)的晶體管，包括.襯底；溝道區(qū)，以及形成在溝道區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)，其中，所述漏區(qū)和所述源區(qū)的摻雜類型相反；還包括歐姆接觸層，柵堆疊，所述柵堆疊包括柵介質(zhì)層，在所述柵介質(zhì)層之上的第一柵電極和第二柵電極，以及第一真空側(cè)墻和第二真空側(cè)墻，且所述第一柵電極和所述第二柵電極具有不同的功函數(shù)。本發(fā)明增大了源區(qū)至溝道區(qū)的載流子隧穿概率，柵堆疊與器件的漏區(qū)之間存在一定的距離，增大了雙極窗口；柵至源區(qū)的真空或空氣側(cè)墻，減小了柵對(duì)源區(qū)的反型控制；在隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管中引入橫向異質(zhì)柵極功函數(shù)結(jié)構(gòu)，對(duì)溝道區(qū)的能帶分布進(jìn)行了調(diào)制，顯著地減小了晶體管的亞閾值斜率，提高驅(qū)動(dòng)電流，增強(qiáng)晶體管器件性能。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102623351SQ20121011138
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者劉立濱, 梁仁榮, 王敬, 許軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)