专利名称：一种芯壳结构纳米线遂穿场效应器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路用器件，尤其涉及一种芯壳结构纳米线遂穿场效应器件。
背景技术：
传统场效应器件在按照摩尔定律不断缩小尺寸的过程中，遇到了诸如短沟道效应和栅电流增大等瓶颈限制了其进一步发展。许多新型器件理念和结构被提出，例如，遂穿场效应晶体管，绝缘体上硅器件，双栅器件、三栅器件、环栅纳米线器件等。其中，遂穿场效应晶体管由于其独特的工作机理，可以提供优良的亚阈值特性和极低的关态电流；环栅纳米线器件则以其优秀的栅控能力，能够提供高的开关电流比，受短沟道效应和漏致势垒降低效应的影响小。将遂穿器件和环栅纳米线器件结合形成环栅纳米线遂穿场效应器件，能够同时发挥两者的优势。但对于纳米线器件本身而言，为了抑制它的短沟道效应，必须减小沟道半径，这会造成驱动电流的损失。本发明是结合美国西北大学教授L. J. Lauhon的芯壳结构理念提出的。在现有纳米线隧穿场效应晶体管的基础上，芯壳结构可以进一步减小关态电流，缓解缩小沟道半径的要求，提高开关电流比，为制造小尺寸、低功耗的半导体集成电路提供了一种选择方案。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种芯壳结构纳米线遂穿场效应器件，具有低泄露电流、高栅控能力、更低的亚阈值斜率、能够有效抑制漏致势垒降低效应和短沟道效应，从而改善器件在尺寸缩小过程中出现的各种非理想效应，提高环栅纳米线遂穿场效应器件综合性能。本发明的技术问题这样解决构建一种芯壳结构纳米线遂穿场效应器件，包括栅电极，源区，漏区，中心区和栅介质层，其中所述中心区为同轴对称的芯壳结构，所述芯壳结构中的芯为绝缘体材料,所述芯壳结构中的壳为半导体材料；所述栅介质层全套入所述中心区，用于电隔离所述中心区和所述栅电极；所述栅电极全套入所述栅介质层；所述栅电极、栅介质层和中心区的长度均相等;所述源区和漏区分别位于所述中心区两侧。作为优选所述芯为氧化硅，其半径为2 9纳米(nm);所述壳为η型轻掺杂的硅材料，其厚度为10nm。作为优选所述源区、漏区掺杂类型相反，均为减少寄生效应的重掺杂。作为优选所述中心区两端为相同基础材料的源区和漏区；其中源区为P型重掺杂娃材料，漏区为η型重掺杂娃材料。作为优选所述氧化物为氧化硅。
作为优选所述芯不会对遂穿几率产生影响，在亚阈值区，关态电流与所述壳的截面积成正比，所述芯屏蔽了部分泄露电流，从而减小了关态电流；在强反型区，电流与所述壳的周长成正比，从而所述芯不会减小开态电流。具体结构对应是所述芯的半径为2-9纳米，所述壳的厚度为5-15纳米，优选1、所述芯的半径为6纳米，所述壳的厚度为10纳米；2、所述芯的半径为8纳米，所述壳的厚度为10纳米；3、所述芯的半径为6纳米，所述壳的厚度为5纳米。作为优选所述源区的掺杂材料为硼重掺杂、掺杂浓度为lX1019 2X102°cm_3，可以是IO20Cm 3。所述壳的掺杂材料为磷或砷轻掺杂、掺杂浓度为I X 101° I X IO12CnT3 ;或者沟道不惨杂；所述漏区的掺杂材料为磷或砷重掺杂、掺杂浓度为IX IO18 IX 102°cm_3，可以是
IO20CnT3 ；所述栅氧化层的材料选用氧化硅或high-K材料(铪hafnium元素为基础的物质)；所述栅氧化层的厚度为I. 5nm 2. 5nm ；所述栅电极的功函数为4.63eV。作为优选所述芯壳结构纳米线遂穿场效应器件及其各部件是同轴对称结构。本发明提供的芯壳结构纳米线遂穿场效应器件，与现有技术相比，具有以下优
占-
^ \\\ ·(I)芯壳结构纳米线隧穿场效应器件的众多参数可调，通过设定适当的参数，能够在几乎不损失开态电流的情况下有效降低关态电流，提闻开关电流比。(2)在开态电流几乎不受损失的同时，芯的引入使得纳米线隧穿场效应器件关态电流变小，降低器件的静态功耗，增大开关电流比，减小亚阈值斜率，减小由短沟道效应和漏致势垒降低效应所引起的阈值电压漂移，改善器件尺寸缩小的性能。(3) 一定范围内增大芯的半径，可以使芯壳结构纳米线遂穿场效应器件的性能得到优化。一方面，在亚阈值区，关态电流与所述壳的截面积成正比，所述芯屏蔽了部分泄露电流，从而减小了关态电流；另一方面，当芯半径增大到一定值且壳极薄时，芯壳结构与介质上的极薄硅的性质类似，量子力学效应会对其性质产生影响。(4)芯壳结构中芯半径对器件漏致势垒降低效应和亚阈值斜率的影响随着芯半径的增大，漏致势垒降低效应明显减小。芯壳结构的亚阈值斜率也随着芯半径的增加而减小，其最小亚阈值斜率在30mV/Dec 40mV/Dec之间，且相比于环栅纳米线遂穿场效应器件，亚阈值斜率明显降低，说明芯壳结构有潜力在更进一步的技术应用和研究下得到优秀的棚控能力和良好的电路反应能力。(5)芯壳结构中芯半径对器件开关电流比和跨导的影响随着芯半径增大，其跨导增大。开关电流比也在一定范围内随着芯半径的增大而增大，在芯半径为6nm时得到最优配置。(6)芯壳结构中芯半径对器件阈值电压漂移现象的影响随着芯半径的增大，由短沟道效应引起的阈值电压漂移现象得到缓解，引入芯壳结构，增强了器件对短沟道效应的免疫力。
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明图I为本发明提供的芯壳结构纳米线遂穿场效应器件截面示意图；图2为图I所示器件的芯壳结构对环栅纳米线隧穿器件亚阈值斜率和漏致势垒降低效应的影响；图3为图I所示器件的芯壳结构对环栅纳米线隧穿器件开态电流和关态电流的影响；图4为图I所示器件的芯壳结构对环栅纳米线隧穿器件开关电流比和跨导的影响；
图5为图I所示器件的芯壳结构对环栅纳米线遂穿器件受短沟道效应引起阈值电压漂移的比较；图6为图I所示器件的芯壳结构对环栅纳米线遂穿器件转移特性曲线的影响。
具体实施例方式请参阅图I所示，在本发明优选实施例中，所述芯壳结构纳米线隧穿场效应器件的中心区由芯壳结构中的壳2、芯壳结构中的芯3组成，中心区两端分别设有源区I、漏区4，中心区外围依次覆盖氧化硅5和栅电极6。芯壳结构及整个器件各部件同轴对称。实施方式所述中心区两端为相同基础材料的源区I和漏区4 ;其中源区I为P型重掺杂娃材料，漏区4为N型重掺杂娃材料,壳2为N型轻掺杂娃材料,芯3为氧化娃。本实施例中，在亚阈值区，关态电流与所述壳结构的截面积成正比，所述芯结构屏蔽了部分漏电流，从而减小了关态电流；在强反型区，电流与所述壳结构的周长成正比，从而所述芯结构不会减小开态电流。另一方面，当芯半径增大到一定值时，壳结构极薄，芯壳结构与介质上的极薄硅的性质类似，量子力学效应会对其性质产生影响。本实施例中，所述源区I为P型重掺杂、掺杂浓度lX102°cm_3、掺杂材料为硼。所述壳2为N型轻掺杂，掺杂浓度为I X IO1W3,掺杂材料选用磷；所述漏区4为N型重掺杂，掺杂浓度I X IO20Cm-3,掺杂材料选用磷。所述栅氧化层5选用氧化硅；所述栅氧化层5的厚度2nm。所述栅电极6功函数设为4. 63eV。本实施例中，壳的厚度为IOnm,芯结构的半径可调。请参阅图2所示，随着芯半径的增大，漏致势垒降低效应明显减小。芯壳结构的亚阈值斜率也随着芯半径的增加而减小，其最小亚阈值斜率在30mV/Dec 40mV/Dec之间，且相比于环栅纳米线遂穿场效应器件，亚阈值斜率明显降低，说明芯壳结构有潜力在更进一步的技术应用和研究下得到优秀的栅控能力和良好的电路反应能力。请参阅图3所示，一定范围内增大芯的半径，可以使芯壳结构纳米线遂穿场效应器件的关态电流减小，一方面，在亚阈值区，关态电流与所述壳的截面积成正比，所述芯屏蔽了部分漏电流，从而减小了关态电流；另一方面，当芯半径增大到一定值且壳极薄时，芯壳结构与介质上的极薄硅的性质类似，量子力学效应会对其性质产生影响。开态电流在一定范围内随着芯半径的增大而减小，当芯半径大于6nm时，开态电流开始增加。请参阅图4所示，随着芯半径增大，其跨导增大。开关电流比也在一定范围内随着芯半径的增大而减小，在芯半径为6nm时得到最优配置，此时开关电流比达到2. 5X109，与环栅纳米线遂穿场效应器件相比，开关电流比增大了 18倍。请参阅图5所示，环栅纳米线遂穿场效应器件在沟道长度缩小到20纳米时短沟道效应比较明显，阈值电压相对100纳米的沟道长度器件漂移量为78毫伏特。而引入绝缘体芯-半导体壳结构，可以在一定程度上抑制阈值电压漂移。芯壳结构半径为8纳米时，阈值电压的这个漂移量降低为46毫伏特 。从而表明芯壳结构纳米线遂穿场效应器件在增大开关电流比的同时还可以抑制短沟道效应。请参阅图6所示，当芯半径为4纳米时，关态电流减小，开态电流微弱的下降，当芯半径为8纳米时，关态电流和开态电流反而增加。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
权利要求
1.一种芯壳结构纳米线遂穿场效应器件，其特征在于，包括栅电极(6)，源区(1)，漏区(4)，中心区和栅介质层(5)，其中 所述中心区为同轴对称的芯壳结构，所述芯壳结构中的芯(3)为绝缘体材料，所述芯壳结构中的壳(2)为半导体材料； 所述栅介质层(5)全套入所述中心区，用于电隔离所述中心区和所述栅电极(6)； 所述栅电极(6)全套入所述栅介质层(5);所述栅电极￠)、栅介质层(5)和中心区的长度均相等； 所述源区(I)和漏区(4)分别位于所述中心区两侧。
2.根据权利要求I所述场效应器件，其特征在于，所述芯(3)为氧化硅，所述壳(2)为磷或砷掺杂的硅材料。
3.根据权利要求2所述场效应器件，其特征在于，所述磷或砷掺杂的硅材料中，磷的掺杂浓度为IO1W30
4.根据权利要求I所述场效应器件，其特征在于，所述源区(I)和漏区(4)为掺杂类型相反的重惨杂娃材料，均为减少寄生效应的。
5.根据权利要求4所述场效应器件，其特征在于，所述源区(I)为硼重掺杂的硅材料，所述漏区(4)为磷或砷重掺杂的硅材料；所述硼重掺杂的硅材料中，硼的掺杂浓度为IXlO19 2X 102°cnT3 ;所述磷或砷重掺杂的硅材料中，磷或砷的掺杂浓度为IXlO18 IXlO2W30
6.根据权利要求I所述场效应器件，其特征在于，所述栅介质层(5)厚度为I.5 2. 5 纳米。
7.根据权利要求I所述场效应器件，其特征在于，所述芯(3)的半径为2-9纳米，所述壳(2)的厚度为5-15纳米。
8.根据权利要求7所述场效应器件，其特征在于，所述芯(3)的半径为6或8纳米，所述壳⑵的厚度为10纳米。
9.根据权利要求7所述场效应器件，其特征在于，所述芯(3)的半径为6纳米，所述壳(2)的厚度为5纳米。
10.根据权利要求1-9任一项所述场效应器件，其特征在于，所述芯壳结构纳米线遂穿场效应器件是同轴对称结构。
全文摘要
本发明涉及一种芯壳结构纳米线遂穿场效应器件，由栅电极(6)，源区(1)，漏区(4)，中心区和栅介质层(5)组成，其中中心区为同轴对称的芯壳结构，芯壳结构中的芯为绝缘体材料，芯壳结构中的壳为半导体材料；栅介质层全套入中心区，用于电隔离中心区和栅电极；栅电极全套入栅介质层；所述栅电极(6)、栅介质层(5)和中心区的长度均相等；源区和漏区分别位于中心区两侧。这种场效应晶体管，具有低泄露电流、高栅控能力和更低的亚阈值斜率，能有效抑制漏致势垒降低效应和短沟道效应，从而改善环栅纳米线遂穿场效应器件在尺寸缩小过程中出现的各种非理想效应，提高器件综合性能。
文档编号H01L29/775GK102969365SQ201210530199
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者何进, 张湘煜, 张爱喜, 杜彩霞, 朱小安 申请人:北京大学深圳研究院