双轴张应变GeSn n沟道隧穿场效应晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种带有双轴张应变的GeSnn沟道隧穿场效应晶体管（10），其结构包括衬底（101）、源极（102）、漏极（104）、GeSnn沟道（103）、绝缘介电质薄膜（105）以及栅电极（106）。源极、n沟道、漏极形成竖直的器件结构。源极区域材料的晶格常数比GeSnn沟道（103）晶格常数大。GeSnn沟道形成XY面内的双轴张应变，这种应变有利于沟道GeSn从间接带隙转变为直接带隙，从而发生直接量子隧穿，隧穿电流增大，进而提高器件性能。
【专利说明】双轴张应变GeSn η沟道隧穿场效应晶体管
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双轴张应变GeSn η沟道TFET (Tunne IingFi el d-effectTransistor:隧穿场效应晶体管)。
【背景技术】
[0002]随着集成电路的进一步发展，芯片特征尺寸的进一步缩小，单个芯片上集成的器件数目的增多，功耗越来越成为人们所关注的问题。根据ITRS数据显示，当特征尺寸缩小到32nm节点时，功耗会是预计趋势的8倍，即随着特征尺寸的逐步缩小，传统的MOS器件就功耗方面将不能满足需求(Nature, vol479, 329-337，2011)。另外，MOSFET尺寸的减小面临着室温下亚阈值斜率最小为eOmv/decade的限制。基于量子隧穿效应的隧穿场效应晶体管与MOSFET相比，没有亚阈值斜率最小为60mv/decade的限制，并且可以有效的降低功耗。但如何增大隧穿几率、增大隧穿电流成为TFET研究的重点。理论和实验已经证明直接隧穿比间接隧穿具有更大的隧穿几率(Journal of applied physics 113,194507,2013)。
[0003]理论证实，当Sn的组分达到6.5%"?1%时，弛豫的GnSn材料会转变为直接带隙(Journal of Applied Physicsll3, 073707，2013)。此时则会在源与沟道之间形成直接隧穿，有效的增大隧穿几率，增大隧穿电流，提高器件的性能。但是，Sn组分的增加会使整个材料的质量以及热稳定性变差，通过增加Sn的组分得到直接带隙的GeSn是困难的。理论计算显示，GeSn中引入双轴张应变有利于材料向直接带隙的转变。(Appl.Phys.Lett.，vol.98,n0.1,pp.011111-1-011111-3, 2011)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种双轴张应变的GeSn η沟道的隧穿场效应晶体管(TFET)的结构。其中源极区域材料的晶格常数比沟道材料的晶格常数大，形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内的双轴张应变。这种应变有利于沟道GeSn由间接带隙转变为直接带隙，在源与沟道之间形成直接量子隧穿，增大隧穿几率，从而增大隧穿电流，进而提高器件性能。
[0005]为实现发明目的，本发明提出以下技术方案:
一种双轴张应变的GeSn n沟道的隧穿场效应晶体管，其具有一 GeSn η沟道、一衬底、一源极、一漏极、一绝缘介电质薄膜、一栅极。
[0006]所述源极是通过外延生长或是键合的方式生长在衬底上，其材料为弛豫的单晶半导体材料GeSn，源极、n沟道、漏极形成竖直的器件结构；
所述绝缘介电质薄膜环绕生长在GeSn n沟道上；
所述栅电极覆盖在绝缘介电质薄膜上；
所述源极材料的晶格常数比n沟道GeSn晶格常数大；形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内的双轴张应变。
[0007]本发明的隧穿场效应晶体管能够在GeSn沟道形成XY面内的双轴张应变，这种应变有利于η沟道GeSn从间接带隙转变为直接带隙，从而发生直接量子隧穿，隧穿电流增大，进而提闻器件性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为GeSn n沟道TFET的XZ面剖面图。
[0009]图2为GeSn n沟道TFET制造的第一步。
[0010]图3为GeSn n沟道TFET制造的第二步。
[0011]图4为GeSn n沟道TFET制造的第三步。
[0012]图5为GeSn n沟道TFET制造的第四步。
[0013]图6为GeSn n沟道TFET制造的第六步。
【具体实施方式】
[0014]为了更为清晰地了解本发明的技术实质，以下结合附图和实施例详细说明本发明的结构和工艺实现:
参见图1所示的双轴张应变GeSn η沟道隧穿场效应晶体管，其包括:
一衬底101，材料为单晶Ge ；
一 η沟道103，材料为单晶GeSn，通式为Ge1^Snx (O≤y≤0.25)，如采用Gea95Sna05 ； 一源极102，材料为单晶GeSn，通式为Gei_,Sn, (OCr ≤ 0.25,jr>r)如可采用Gea9Snai 一绝缘介电质薄膜105，生长在沟道上，如采用H-k (高k值)材料二氧化铪HfO2;
一栅电极106，覆盖在所述绝缘介电质薄膜上；
一漏极104，材料为单晶Ge。
[0015]参见图2-图6，为双轴张应变GeSn n沟道TFET (10)的制造过程:
第一步，如图2所示，在衬底101上外延生长一层弛豫的单晶材料作源极102 ；
第二步，如图3所示，在源极102上生长n沟道103 ；
第三步，如图4所示，在η沟道103上外延生长Ge漏极104 ；
第四步，如图5所示，利用光刻或刻蚀形成竖直器件结构；
第五步，如图6所示，在η沟道上环绕生成绝缘介质薄膜105和栅电极106。
[0016]虽然本发明已以实例公开如上，然其并非用以限定本分明，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，这些改动和变形在本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形，本发明的保护范围当视权利要求为准。
【权利要求】
1.一种带有双轴张应变的GeSn η沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，具有一 GeSn η沟道、一衬底、一源极、一漏极、一绝缘介质薄膜、一栅电极； 所述源极是通过外延生长或是键合的方式生长在衬底上，其材料为弛豫的单晶半导体材料GeSn，源极、η沟道、漏极形成竖直的器件结构； 所述绝缘介电质薄膜环绕生长在GeSn η沟道上； 所述栅电极覆盖在绝缘介电质薄膜上； 所述源极材料的晶格常数比η沟道GeSn晶格常数大；形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内的双轴张应变。
2.如权利要求1所述的带有双轴张应变的GeSnη沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述η沟道GeSn材料的通式为Ge^Snx,其中OS ζ < 0.25。
3.如权利要求2所述的带有双轴张应变的GeSnη沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述源极GeSn材料的通式为GehSn,其中，O ^ 0.25,_f>z。
4.如权利要求3所述的带有双轴张应变的GeSnη沟道隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述衬底和漏极米用的是单晶Ge材料。
【文档编号】H01L29/739GK103824880SQ201410057748
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】刘艳, 韩根全, 王洪娟 申请人:重庆大学