专利名称：无结纳米线场效应晶体管的制作方法
无结纳米线场效应晶体管技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种分裂环栅无结纳米线场效应晶体管。
技术背景
集成电路的发展一直按照摩尔定律的指引，使得集成电路密度更高、功耗更小、能够实现的功能越多，而这一切都离不开器件尺寸缩小和性能的提高。但是随着器件尺寸的不断缩小，特别是器件进入深纳米尺度，器件的各种二级效应，例如短沟道效应、漏致势垒降低效应等，导致器件性能下降。因此为了抑制短沟道等不良效应，提高器件性能，许多新型的器件结构被不断提出，例如双栅器件、三栅器件、鱼鳍式场效应晶体管、环栅纳米线器件等。而其中纳米线场效应晶体管因为优良的栅控能力，使得短沟道效应和漏致势垒降低效应影响降低。但是，同时器件的缩小导致很难形成明显源漏与沟道的势垒结，并且在低浓度的沟道掺杂浓度下，掺杂的变化对器件性能的影响很大，因此无结的纳米线场效应晶体管应运而生，并备受关注。
现有的无结型纳米线场效应晶体管的电流驱动能力和跨导性能已经不能满足日益提高的需求，有必要做进一步的结构改进，以提高器件的电流的驱动能力。发明内容
本发明要解决的主要技术问题是提供一种无结纳米线场效应晶体管，提高了电流的驱动能力。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无结纳米线场效应晶体管，包括沟道、源区和漏区，所述源区设置在沟道的一端，所述漏区设置在沟道的另一端，所述沟道的外表面覆盖有栅氧化层，所述栅氧化层的表面覆盖有栅电极层，所述栅电极层包括接近源区的第一栅电极层和接近漏区的第二栅电极层。
优选一实施例中，所述第一栅电极层的功函数大于第二栅电极层的功函数。
优选一实施例中，所述沟道、源区和漏区三者的掺杂材料、掺杂浓度和掺杂类型相同。
优选一实施例中，所述沟道、源区和漏区三者的掺杂类型均为N型或者均为P型。
优选一实施例中，掺杂类型为N型时，掺杂材料为磷或砷。
优选一实施例中，掺杂类型为P型时，掺杂材料为硼。
优选一实施例中，所述源区和沟道接触处的截面两者之间相同，所述漏区和沟道连接处的截面两者之间相同。
优选一实施例中，所述栅氧化层为厚度为1-2纳米的氧化硅。
优选一实施例中，所述沟道的形状为圆柱，所述源区、漏区的形状为圆柱或者圆台。
优选一实施例中，所述沟道、源区以及漏区的形状为棱柱。
与现有技术相比，本发明实施例引入分裂栅结构，使得无结纳米线场效应晶体管的载流子在沟道中速度提高，从而使得开态电流增大，不考虑阈值电压的影响，同时也使得器件的关态电流变小，并且屏蔽了漏极对器件的影响，使得漏致势垒降低效应明显减弱，提高了电流的驱动能力。同时，分裂栅的引入使得无结纳米线场效应晶体管在低压时的跨导特性明显提高。
图1为本发明实施例提供的一种无结纳米线场效应晶体管截面示意图2为本发明实施例提供的一种无结纳米线场效应晶体管截面示意图3为本发明实施例提供的一种无结纳米线场效应晶体管截面示意图4为本发明实施例提供的一种无结纳米线场效应晶体管截面示意图5为沟道长度为40纳米，分裂栅结构对晶体管沟道区电势分布的影响的曲线图6为沟道长度为40纳米，分裂栅结构对晶体管沟道区电场分布的影响的曲线图7为栅长度不同时，分裂栅结构对器件电流特性的影响曲线图8为沟道长度固定为40纳米，分裂栅结构中两个栅长度变化对器件漏致势垒降低效应和亚阈值斜率特性的影响曲线图9为沟道长度固定为40纳米，分裂栅结构中两个栅的功函数差变化对器件电流特性的影响曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
请一并参阅图1至图4所示，图1至图4为本发明实施例提供的一种无结纳米线场效应晶体管截面示意图，图中无结纳米线场效应晶体管包括沟道1、源区2和漏区3，源区 2设置在沟道1的一端，漏区3设置在沟道1的另一端，沟道1的外表面覆盖有栅氧化层4， 栅氧化层4的表面覆盖有栅电极层5。本实施例中弓I入分裂栅结构，栅电极层5包括接近源区2的第一栅电极层51和接近漏区3的第二栅电极层52。
本实施例中，为了保证靠近源端的电场比较大，提高电流驱动能力，第一栅电极层 51的功函数大于第二栅电极层52的功函数。比如第一栅电极层51的功函数为4. 97eV，第二栅电极层52的功函数为4. 27eV。
本实施例中，沟道1、源区2和漏区3三者的掺杂材料、掺杂浓度和掺杂类型都相同。比如对于硅材料无结纳米线场效应晶体管来说，掺杂类型均为N型或者均为P型。当掺杂类型为N型时，掺杂材料可以为磷、砷等。当掺杂类型为P型时，掺杂材料可以为硼。掺杂浓度可以均为2X1Q19Cm_3。
本实施例中，栅氧化层为厚度为1-2纳米的氧化硅。
为了使源区2和沟道1不形成势垒结，所述源区2和沟道1接触处的截面两者之间相同。为了使漏区3和沟道1不形成势垒结，所述漏区3和沟道1连接处的截面两者之间也相同。
图I中沟道I、源区2和漏区3的形状均为圆柱，三者之间的直径大小一样。当然， 沟道I的形状可以为圆柱，源区、漏区的形状可以为圆台，如图2、3和4所示。当然也并不局限于此，沟道I、源区2以及漏区3的形状也可以为棱柱，比如沟道I、源区2以及漏区3 的截面为矩形。
本实施例中，分裂环栅无结纳米线场效应晶体管的众多参数可调
(I)、其厚度的半径(直径)可调；(2)、其沟道的总长度可调；(3)、其源区的掺杂材料、掺杂浓度、掺杂类型可调；(4)、其沟道的掺杂材料、掺杂浓度、掺杂类型可调；(5)、其漏区的掺杂材料、掺杂浓度、掺杂类型可调；(6)、其栅氧化层的材料可调；(7)、其栅氧化层的厚度可调；(8)、在总栅长一定时，第一栅电极层51和第二栅电极层52的栅长可调；(9)、 第一栅电极层51和第二栅电极层52的功函数可调。
本发明实施例分裂栅的引入使得无结纳米线场效应晶体管的载流子在沟道中速度提高，从而使得开态电流增大，不考虑阈值电压的影响，同时也使得器件的关态电流变小。并且屏蔽了漏极对器件的影响，使得漏致势垒降低效应明显减弱，提高了电流的驱动能力。同时，分裂栅的引入使得无结纳米线场效应晶体管在低压时的跨导特性明显提高。
下面以沟道I、源区2和漏区3的形状均为圆柱时的情况作详细说明。
请参阅图5所示，图5为沟道长度为40纳米，分裂栅结构对晶体管沟道区电势分布的影响的曲线图。分裂栅使得电势在不同功函数栅边界周围下方产生电势的台阶。虽然本图是在源漏电压为2伏特，栅电压减去阈值电压为0.2伏特条件下得到的，但这个现象在其他的电压条件下依然存在，具有普适性。电势台阶的存在使得器件电场分布发生了实质性的变化，以致影响器件的特性。
请参阅图6所示，图6为沟道长度为40纳米，分裂栅结构对晶体管沟道区电场分布的影响的曲线图。传统的无结器件电场只有一个峰值，而分裂栅的引入使得器件在靠近源端又产生了一个电场峰。靠近源端电场使得载流子在该区域加速得更加充分，从而使得载流子的平均速度得到提升，宏观上看就是增加了器件的开态电流。而靠近漏端的电场被减小使得器件载流子的过冲效应、热效应都减弱。并且靠近漏端的栅屏蔽了器件漏极对源极的影响，从而改善器件的性能。
请参阅图7所示，图7为栅长度不同时，分裂栅结构对器件电流特性的影响曲线图。可以看出，当分裂环栅无结纳米线器件和传统环栅无结纳米线器件的栅电压减去阈值电压为零伏特时，将此时电流固定为le-7安培，而当栅电压减去阈值电压为I伏特并与源漏电压相同时，分裂栅结构在不同的栅长度时都增加了器件的饱和电流。因此，分裂栅结构也增加了器件的驱动能力。分裂环栅无结纳米线器件和传统环栅无结纳米线器件因为功函数的不同，会造成器件阈值电压不同，因此在本发明中，栅电压将会减去阈值电压以消除功函数不同带来的影响，从而达到公平的比较。
请参阅图8所示，图8为沟道长度固定为40纳米，分裂栅结构中两个栅长度变化对器件漏致势垒降低效应和亚阈值斜率特性的影响曲线图。可以看出，随着靠近漏端的栅长增加，漏致势垒降低效应明显减小，靠近漏端的栅长大于15nm以后，分裂栅结构的器件较之传统的无结器件漏致势垒降低效应明显得到抑制。这个对漏致势垒降低效应的抑制作用来源于分裂栅结构中靠近漏端栅的屏蔽作用。分裂栅结构的亚阈值斜率也随着靠近漏端的栅长增加而逐渐减小，虽然分裂栅的亚阈值斜率值比传统无结器件的值略大，但是分裂5栅的亚阈值斜率值都小于70mV/dec，并且在靠近漏端的栅长大于20nm以后，其亚阈值斜率值已经很接近传统的无结器件，能够满足小尺寸器件的性能需要。
请参阅图9所示，图9为沟道长度固定为40纳米，分裂栅结构中两个栅的功函数差变化对器件电流特性的影响曲线图。从图中可以看出，随着两个栅的功函数差逐渐增大， 器件的饱和电流不断增大。在栅电压与阈值电压相同时，分裂栅结构器件的电流较之传统无结器件也迅速减小，并且随着两个栅的功函数差逐渐增大，分裂栅结构器件的电流没有明显的增加。这是由于分裂栅结构中，靠近源端的栅在功函数差增加时，对电流的增加作用更加明显，并且靠近漏端栅的屏蔽作用没有明显被削弱。
从上述的图5至图9可以看出，本发明实施例公开的柱状分裂环栅无结纳米线场效应晶体管具有以下优点(1)提高器件工作速度；(2)增强环栅无结纳米线场效应晶体管的驱动能力；C3)同时该器件还可以更有效地抑制漏致势垒降低效应，并且保持良好的亚阈值斜率，从而改善器件在尺寸缩小过程中的性能恶化情况。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种无结纳米线场效应晶体管，包括沟道、源区和漏区，所述源区设置在沟道的一端，所述漏区设置在沟道的另一端，其特征在于，所述沟道的外表面覆盖有栅氧化层，所述栅氧化层的表面覆盖有栅电极层，所述栅电极层包括接近源区的第一栅电极层和接近漏区的第二栅电极层。
2.根据权利要求1所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述第一栅电极层的功函数大于第二栅电极层的功函数。
3.根据权利要求1所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述沟道、源区和漏区三者的掺杂材料、掺杂浓度和掺杂类型相同。
4.根据权利要求3所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述沟道、源区和漏区三者的掺杂类型均为N型或者均为P型。
5.根据权利要求4所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，掺杂类型为N型时， 掺杂材料为磷或砷。
6.根据权利要求4所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，掺杂类型为P型时， 掺杂材料为硼。
7.根据权利要求1所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述源区和沟道接触处的截面两者之间相同，所述漏区和沟道连接处的截面两者之间相同。
8.根据权利要求1所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述栅氧化层为厚度为1-2纳米的氧化硅。
9.根据权利要求1-8任一项所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述沟道的形状为圆柱，所述源区、漏区的形状为圆柱或者圆台。
10.根据权利要求1-8任一项所述的无结纳米线场效应晶体管，其特征在于，所述沟道、源区以及漏区的形状为棱柱。
全文摘要
本发明公开了一种无结纳米线场效应晶体管，包括沟道、源区和漏区，所述源区设置在沟道的一端，所述漏区设置在沟道的另一端，所述沟道的外表面覆盖有栅氧化层，所述栅氧化层的表面覆盖有栅电极层，所述栅电极层包括接近源区的第一栅电极层和接近漏区的第二栅电极层。与现有技术相比，本发明实施例引入分裂栅结构，使得无结纳米线场效应晶体管的载流子在沟道中速度提高，从而使得开态电流增大，不考虑阈值电压的影响，同时也使得器件的关态电流变小，并且屏蔽了漏极对器件的影响，使得漏致势垒降低效应明显减弱，提高了电流的驱动能力。同时，分裂栅的引入使得无结纳米线场效应晶体管在低压时的跨导特性明显提高。
文档编号H01L29/78GK102544073SQ201110424189
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者何进, 林信南, 楼海君 申请人:北京大学深圳研究生院, 深港产学研基地