隧道场效应晶体管及其制造方法
【专利说明】隧道场效应晶体管及其制造方法
[0001]相关申请
[0002]本发明要求于2014年4月30日提交的美国临时申请第61/986，641号的优先权，其内容结合于此作为参考。
技术领域
[0003]本发明总体涉及半导体领域，更具体地，涉及隧道场效应晶体管及其形成方法。
【背景技术】
[0004]金属氧化物半导体(MOS)技术已经被广泛使用。根据栅极电压Vg和源极-漏极电压Vds，MOS器件可以在包括线性区域、饱和区域和亚阈值区域的三个区域中工作。亚阈值区域是电压Vg小于阈值电压Vt的区域。已知为亚阈值摆幅(SS)的参数表示断开晶体管电流的容易度，并且是确定MOS器件的速度的因素。亚阈值摆幅可以表示为函数mXkT/q，其中，m是与电容相关的参数，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，以及q是电子的电荷量。之前的研究已经表明，典型MOS器件的亚阈值摆幅在室温下具有大约60mV/十倍频程的限制，这转而又对缩小操作电压VDD和阈值电压Vt设置了限制。这种限制由于载流子的扩散传输机制。为此，现有的MOS器件通常在室温下无法切换得快于60mV/十倍频程。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种隧道场效应晶体管，包括:漏极层；源极层，其中，漏极层和源极层具有相反的导电类型；沟道层，设置在漏极层和源极层之间，其中，漏极层、沟道层和源极层中的至少一个具有基本恒定的掺杂浓度；金属栅极层，设置在沟道层周围；以及高k介电层，设置在金属栅极层和沟道层之间。
[0006]优选地，漏极层、源极层和沟道层基本垂直堆叠。
[0007]优选地，源极层的掺杂浓度大于漏极层的掺杂浓度。
[0008]优选地，隧道场效应晶体管还包括:侧壁隔离件，设置在源极层周围；绝缘层，至少设置在侧壁隔离件周围，其中，绝缘层和侧壁隔离件由不同的材料制成，并且绝缘层中具有至少一个开口以暴露金属栅极层；以及栅极接触件，通过开口连接至金属栅极层，其中，侧壁隔离件设置在栅极接触件和源极层之间。
[0009]优选地，栅极接触件位于侧壁隔离件上方的截面积大于位于侧壁隔离件下方的截面积。
[0010]优选地，该隧道场效应晶体管还包括:侧壁隔离件，设置在源极层周围；绝缘层，至少设置在侧壁隔离件周围，其中，绝缘层和侧壁隔离件由不同的材料制成，并且绝缘层中具有至少一个开口以暴露金属栅极层；以及漏极接触件，连接至漏极层，侧壁隔离件设置在漏极接触件和源极层之间，并且漏极接触件位于侧壁隔离件上方的截面积大于位于侧壁隔离件下方的截面积。
[0011]根据本发明的另一方面，提供了一种隧道场效应晶体管部件，包括:衬底，具有第一类型阱、第二类型阱和将第一类型阱与第二类型阱分离的浅沟槽隔离部件；第一类型隧道场效应晶体管；第二类型隧道场效应晶体管。其中，第一类型隧道场效应晶体管，设置在第二类型阱上，包括:第一类型漏极层；第二类型源极层；第一类型沟道层，设置在第一类型漏极层和第二类型源极层之间，其中，第一类型漏极层、第一类型沟道层和第二类型源极层中的至少一个具有基本恒定的掺杂浓度；第一金属栅极层，设置在第一类型沟道层周围；和第一高k介电层，设置在第一金属栅极层和第一类型沟道层之间。第二类型隧道场效应晶体管，设置在第一类型阱上，包括:第二类型漏极层；第一类型源极层；第二类型沟道层，设置在第二类型漏极层和第一类型源极层之间，其中，第二类型漏极层、第二类型沟道层和第一类型源极层中的至少一个具有基本恒定的掺杂浓度；第二金属栅极层，设置在第二类型沟道层周围；和第二高k介电层，设置在第二金属栅极层和第二类型沟道层之间。
[0012]优选地，第一类型漏极层、第二类型源极层和第一类型沟道层基本垂直堆叠。
[0013]优选地，第二类型漏极层、第一类型源极层和第二类型沟道层基本垂直堆叠。
[0014]优选地，第一类型源极层的掺杂浓度大于第二类型漏极层的掺杂浓度。
[0015]优选地，第二类型源极层的掺杂浓度大于第一类型漏极层的掺杂浓度。
[0016]优选地，该隧道场效应晶体管部件还包括:多个侧壁隔离件，分别设置在第一类型和第二类型源极层周围。
[0017]根据本发明的又一方面，提供了一种用于制造隧道场效应晶体管的方法，包括:在衬底上形成半导体线结构，半导体线结构包括形成在衬底上的底部源极或底部漏极层、形成在底部源极或底部漏极层上的沟道层、以及形成在沟道层上的顶部源极或顶部漏极层，其中，底部源极或底部漏极层、沟道层以及顶部源极或顶部漏极层中的至少一个具有基本恒定的掺杂浓度；在沟道层周围形成高k介电层；以及在高k介电层周围形成金属栅极层。
[0018]优选地，该方法还包括:在底部源极或底部漏极层上形成底部硅化物区域。
[0019]优选地，该方法还包括:在顶部源极或顶部漏极层上形成顶部硅化物区域。
[0020]优选地，该方法还包括:在顶部源极或顶部漏极层周围形成侧壁隔离件；在衬底上方以及至少在侧壁隔离件周围形成绝缘层，其中，绝缘层和侧壁隔离件由不同的材料制成；用蚀刻工艺在绝缘层中形成至少一个开口，以暴露金属栅极层，在该蚀刻工艺中绝缘层的蚀刻速率大于侧壁隔离件的蚀刻速率，使得在蚀刻工艺期间保护顶部源极或顶部漏极层；以及用导电材料填充开口。
[0021]优选地，该方法还包括:在顶部源极或顶部漏极层周围形成侧壁隔离件；在衬底上方以及至少在侧壁隔离件周围形成绝缘层，其中，绝缘层和侧壁隔离件由不同的材料制成；用蚀刻工艺在绝缘层中形成至少一个开口，以暴露底部源极或底部漏极层，在该蚀刻工艺中绝缘层的蚀刻速率大于侧壁隔离件的蚀刻速率，使得在蚀刻工艺期间保护顶部源极或顶部漏极层；以及用导电材料填充开口。
[0022]优选地，该方法还包括:在顶部源极或顶部漏极层周围形成侧壁隔离件；在衬底上方以及至少在侧壁隔离件周围形成绝缘层，其中，绝缘层和侧壁隔离件由不同的材料制成；以及在绝缘层中形成至少一个开口以暴露金属栅极层，开口在侧壁隔离件上方的截面积大于在侧壁隔离件下方的截面积。
[0023]优选地，形成半导体线结构包括:在衬底上形成多个外延层；以及蚀刻外延层以形成具有底部源极或底部漏极层、沟道层和顶部源极或顶部漏极层的半导体线结构。
[0024]优选地，该方法还包括:利用注入工艺在衬底上形成阱区域，其中，半导体线结构形成在阱区域上。
【附图说明】
[0025]当结合附图进行阅读时，根据以下详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该注意的是，根据行业的标准做法，各个部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，可以任意地增加或减小各个部件的尺寸。
[0026]图1至图58是根据一些实施例的用于制造隧道场效应晶体管部件的方法的不同步骤的截面图。
【具体实施方式】
[0027]以下公开提供了许多不同的实施例或实例，用于实施本发明主题的不同特征。下面描述了部件或布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不旨在限制。例如，在以下的描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，并且也可以包括可以在第一部件和第二部件之间形成附加的部件使得第一部件和第二部分可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。这些重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不表示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
[0028]此外，为了易于描述，可以使用空间关系术语(诸如“在…下方”、“之下”、“下部”、“之上”、“上部”等)以便描述图中所示一个元件或部件与另一个元件(多个元件)或部件(多个部件)的关系。除图中所示的定向之外，空间关系术语旨在包括使用或操作中设备的不同定向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，本文所使用的空间关系描述可因此进行类似的解释。
[0029]在以下描述中提供了一种具有一个或多个隧道场效应晶体管的隧道场效应晶体管部件及其制造方法，其中隧道场效应晶体管包括高k金属栅极。隧道场效应晶体管针对短沟道效应提供了更好的抗扰性。
[0030]图1至图58是根据一些实施例的用于制造隧道场效应晶体管部件的方法的不同步骤的截面图，在该方法的各个制造步骤期间部分或整体参照图1至图58。应该理解，可以在该方法之前、期间或之后提供附加步骤，并且对于该方法的附加实施例可以替换或删除以下描述的一些步骤。还应该理解，可以在隧道场效应晶体管部件中增加附加部件，并且对于隧道场效应晶体管的附加实施例可以替换或删除以下描述的一些部件。
[0031]参照图1，掩模层102形成在衬底100上。衬底100是半导体衬底。例如，衬底100可以由硅、化合物半导体(诸如，碳化硅、砷化铟或磷化铟)，或合金半导体(诸如，碳化硅锗、磷化砷镓或磷化铟镓)制成。掩模层102是光刻胶层。掩模层102通过光刻工艺图案化以在衬底100上形成多个部件和由部件限定的多个开口。根据预设的集成电路图案形成掩模层102的图案。光刻工艺可包括光刻胶涂覆、曝光、曝光后烘烤和显像。
[0032]参照图2，被掩模层102暴露的衬底100的一部分掺杂有P型掺杂物或N型掺杂物以形成P阱或N阱。在一些实施例中，衬底100的一部分掺杂有N型掺杂物，诸如，P、As、S1、Ge、C、0、S、Se、Te或Sb以在衬底100中形成N阱110。例如通过离子注入在衬底100中掺入N型掺杂物。离子注入中使用的离子的能量以及衬底100的离子种类和组分确定离子在衬底100中的穿透深度。在图3所示的步骤之后去除掩模层102。
[0033]参照图4，掩模层104形成在衬底100上，并且通过光刻工艺图案化掩模层104以在衬底100上形成各部件和由各部件限定的开口。图案化的掩模层104