专利名称：基于霍尔效应的mos晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于霍尔效应的MOS晶体管。
背景技术：
随着集成电路技术的不断进步，集成在同一芯片上的半导体器件数量已从最初的几十几百个进化到现在的数以百万计。然而，在半导体器件集成密度与日俱增的同时，其功耗也相应增大。如何降低器件的功耗，已日益成为业界的研究热点。对于MOS晶体管而言，漏极的寄生电阻是影响器件功耗的一个重要因素。在MOS 晶体管开启时，源漏电流流过所述漏极的寄生电阻，进而增加了器件功耗。现有技术的MOS 晶体管通常采用离子注入来增大漏极的掺杂浓度，以减小漏极寄生电阻。然而，所述漏极掺杂浓度的增加会引起较为显著的沟道长度调制效应，影响器件的短沟道性能。此外，在漏极反偏的情况下，漏极会向栅极下方延展，使得栅极与漏极间的寄生电容增大，这又影响器件交流性能的下降。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种基于霍尔效应(hall effect)的MOS晶体管，在不影响短沟道性能的情况下，降低了 MOS晶体管的漏极寄生电阻，有效提升了器件性能。为解决上述问题，本发明提供一种基于霍尔效应的MOS晶体管，包括半导体衬底，所述半导体衬底上的MOS晶体管，所述半导体衬底上还形成有铁磁区，其中，MOS晶体管的导电沟道位于所述铁磁区的磁场中，所述铁磁区的磁化方向垂直于MOS晶体管的沟道电流方向。可选的，所述MOS晶体管为N型MOS晶体管，所述铁磁区的磁化方向由沟道电流方向沿半导体衬底平面顺时针旋转90度；所述MOS晶体管为P型MOS晶体管，所述铁磁区的磁化方向由沟道电流方向沿半导体衬底平面逆时针旋转90度。可选的，所述铁磁区位于所述MOS晶体管沿导电沟道方向的两侧。可选的，所述铁磁区由对称分布于所述导电沟道的铁磁条或铁磁区阵列构成。可选的，所述铁磁区沿导电沟道方向的长度超过导电沟道的长度。可选的，所述铁磁区呈薄膜状。可选的，所述铁磁区包含有铁、钴、镍或钆元素。可选的，所述铁磁区包括软磁体或永磁体。可选的，所述铁磁区位于半导体衬底的背面。可选的，所述铁磁区位于半导体衬底中的场隔离结构中。可选的，所述铁磁区位于半导体衬底上互连结构的金属层中。与现有技术相比，本发明具有以下优点在形成所述MOS晶体管的半导体衬底中设置了铁磁区，所述铁磁区形成的磁场方向与沟道电流的方向垂直；在MOS晶体管导通时，所述磁场使得导电沟道中运动的多数载流子向远离栅极的方向偏转，而所述多数载流子的偏转会使得MOS晶体管靠近漏极的导电沟道截面扩展，从而有效降低了漏极的寄生电阻。
图1示出了本发明基于霍尔效应的MOS晶体管一个实施例的俯视图；图加与图2b示出了本发明基于霍尔效应的MOS晶体管沿图1的AB方向的剖面示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。正如背景技术部分所述，现有技术通常采用离子注入来增大MOS晶体管漏极的掺杂浓度，以减小漏极寄生电阻。然而，所述漏极掺杂浓度的增加会引起较为显著的沟道长度调制效应，同时还增大了栅极与漏极间的寄生电容。这些寄生效应限制了 MOS晶体管器件性能的提升。本发明的发明人发现，对于MOS晶体管而言，在沟道长度基本确定的情况下，漏极寄生电阻的电阻值一方面受漏极电导率影响，另一方面还取决于导电沟道的截面大小，导电沟道的截面面积越大，漏极寄生电阻越小。然而，对于MOS晶体管而言，其导电沟道是半导体衬底靠近栅极的部分区域反型后所形成的，在所述反型的导电沟道中，多数载流子集中于半导体衬底表面，略远离栅极半导体衬底中通常为耗尽区，这使得导电沟道的截面无法有效扩展，也就无法形成具有较大截面面积的导电沟道。然而，若将通有电流的半导体置于垂直于电流方向的均勻磁场中，所述半导体中的载流子(包括电子与空穴)会因磁场作用而在垂直于电流方向与磁场方向的方向上产生感应电场，即发生了霍尔效应。而所述感应电场可以用于改变载流子的运动方向，从而改变导电沟道的截面积。基于上述发现，，发明人提供了一种基于霍尔效应的MOS晶体管，在形成所述MOS 晶体管的半导体衬底中设置了由铁磁材料构成的铁磁区，所述铁磁区形成的磁场方向与沟道电流的方向垂直。在MOS晶体管导通时，所述磁场使得导电沟道中运动的多数载流子向远离栅极的方向偏转。而所述多数载流子的偏转会使得MOS晶体管靠近漏极的导电沟道截面扩展，从而有效降低了漏极的寄生电阻。由于所述霍尔效应并不会影响漏极的掺杂浓度， 这使得漏极靠近导电沟道位置的区域(通常是浅掺杂区)仍然可以保持较低的掺杂浓度， 避免了沟道长度调制效应对MOS晶体管有效沟道长度的影响，MOS晶体管的短沟道性能也得以提高。图1示出了本发明基于霍尔效应的MOS晶体管的俯视示意图。图加与图2b示出了本发明基于霍尔效应的MOS晶体管沿图1的AB方向的剖面示意图。其中，图加示出了
4NMOS晶体管，图2b示出了 PMOS晶体管。所述基于霍尔效应的MOS晶体管包括半导体衬底101，所述半导体衬底101上的 MOS晶体管103，所述半导体衬底上101上的铁磁区105，其中，MOS晶体管103的导电沟道位于所述铁磁区105的磁场中，所述铁磁区105的磁化方向垂直于MOS晶体管103的沟道电流方向。依据具体实施例的不同，所述MOS晶体管103可以为NMOS晶体管，也可以是PMOS 晶体管。对于NMOS晶体管，所述铁磁区105的磁化方向由沟道电流方向沿半导体衬底101 平面顺时针旋转90度；对于PMOS晶体管，所述铁磁区105的磁化方向由沟道电流方向沿半导体衬底101平面逆时针旋转90度。具体而言，所述MOS晶体管103包括栅极201、栅极201两侧的源极203与漏极 205。所述MOS晶体管103导通时，沟道电流的方向由漏极205指向源极203。在具体实施例中，所述铁磁区105由对称分布于所述导电沟道外的条状区域或阵列区域构成，且所述条状区域或阵列区域分别位于MOS晶体管103沿导电沟道方向的两侧，以使得导电沟道区域上加载有确定方向的均勻磁场。优选的，所述铁磁区105沿导电沟道方向的长度超过导电沟道的长度，以避免铁磁区105不能在整个导电沟道的区域内形成均勻磁场，而无法有效作用于沟道电流。所述铁磁区105可以采用包含有铁、钴、镍或钆等元素的铁磁薄膜构成，所述铁磁薄膜可以采用溅射、电镀或其他金属沉积工艺形成。具体而言，所述铁磁区105可以采用永磁体或软磁体构成。采用永磁体构成的铁磁区105在被磁化后可以“记忆”磁场，无需外加磁场即可形成作用于沟道电流的磁场；而采用软磁体构成的铁磁区105需要在MOS晶体管 103导通时外加磁场以保持磁化，所述磁化的铁磁区105可以在MOS晶体管103中形成垂直于沟道电流方向的磁场。在具体实施例中，所述铁磁区105可以位于半导体衬底101的背面(即未制作MOS 晶体管的一侧)，也可以位于半导体衬底101的正面，例如半导体衬底101的场隔离结构上， 或互连结构的金属层中。优选的，所述铁磁区105位于半导体衬底101的背面。接下来，结合图加与图2b的剖面结构，对本发明基于霍尔效应的MOS晶体管的工作原理进行说明。由于电流集边效应(current crowding effect)仅对漏极205有影响， 因此，为了避免所述电流集边效应的影响，在加载磁场后，邻近漏极205的导电沟道需要具有较宽的截面面积。对于NMOS晶体管，在所述NMOS晶体管导通时，沟道电流的方向由漏极205指向源极203，相应的，电子209 (多数载流子)的运动方向与沟道电流方向相反，由源极203指向漏极205。而铁磁区(图中未示出)引入的磁场方向垂直纸面向内。在所述磁场中，电子 209受到远离栅极201的洛伦兹力作用，从而使得沟道电流的截面面积由源极203向漏极 205逐渐增大。在漏极205与导电沟道相接的位置，所述沟道电流的截面已远超过不加载磁场时的MOS晶体管的截面。所述截面扩展相当于扩展了导电沟道的截面，从而降低了漏极 205的寄生电阻。在具体实施例中，所述铁磁区沿MOS晶体管导电沟道方向的长度超过管导电沟道的长度。因此，所述铁磁区可以在整个导电沟道中形成均勻磁场，所述均勻磁场具有确定的磁场方向，可以使得导电沟道中的载流子始终被洛伦兹力作用并发生偏转，从而在导电沟道与源极或漏极相邻区域获得较为宽阔的截面。
对于PMOS晶体管，类似于NMOS晶体管，在所述PMOS晶体管导通时，沟道电流的方向由漏极205指向源极203，相应的，空穴210(多数载流子)的运动方向与沟道电流方向相同，由漏极205指向源极203，而铁磁区(图中未示出)引入的磁场方向则垂直纸面向外。 所述磁场使得空穴210受到远离栅极201的洛伦兹力作用，从而使得沟道电流的截面面积逐渐由源极205向漏极203增加。所述沟道电流的截面扩展同样降低了漏极205的寄生电阻。应该理解，此处的例子和实施例仅是示例性的，本领域技术人员可以在不背离本申请和所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，做出各种修改和更正。
权利要求
1.一种基于霍尔效应的MOS晶体管，包括半导体衬底，所述半导体衬底上的MOS晶体管，其特征在于，所述半导体衬底上还形成有铁磁区，其中，MOS晶体管的导电沟道位于所述铁磁区的磁场中，所述铁磁区的磁化方向垂直于MOS晶体管的沟道电流方向。
2.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述MOS晶体管为N型MOS晶体管， 所述铁磁区的磁化方向由沟道电流方向沿半导体衬底平面顺时针旋转90度；所述MOS晶体管为P型MOS晶体管，所述铁磁区的磁化方向由沟道电流方向沿半导体衬底平面逆时针旋转90度。
3.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区位于所述MOS晶体管沿导电沟道方向的两侧。
4.如权利要求3所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区由对称分布于所述导电沟道外的铁磁条或铁磁区阵列构成。
5.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区沿导电沟道方向的长度超过导电沟道的长度。
6.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区呈薄膜状。
7.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区包含有铁、钴、镍或钆元ο
8.如权利要求7所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区包括软磁体或永磁体。
9.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述铁磁区位于半导体衬底的背面。
10.如权利要求1或4所述的MOS晶体管，其特征在于，所述半导体衬底中还包含有场隔离结构，所述铁磁区位于所述场隔离结构中。
11.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述半导体衬底上还形成有互连结构，所述铁磁区位于所述互连结构的金属层中。
全文摘要
一种基于霍尔效应的MOS晶体管，包括半导体衬底，所述半导体衬底上的MOS晶体管，所述半导体衬底上还形成有铁磁区，其中，MOS晶体管的导电沟道位于所述铁磁区的磁场中，所述铁磁区的磁化方向垂直于MOS晶体管的沟道电流方向。本发明的基于霍尔效应的MOS晶体管在导通时，加载的磁场可以使得导电沟道中运动的多数载流子向远离栅极的方向偏转，而所述多数载流子的偏转会使得MOS晶体管靠近漏极的导电沟道截面扩展，从而有效降低了漏极的寄生电阻。
文档编号H01L43/06GK102376872SQ20101025964
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者朱慧珑, 梁擎擎, 钟汇才 申请人:中国科学院微电子研究所