倒T型隧穿场效应晶体管的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种低功耗的隧穿场效应晶体管。

背景技术：

随着超大规模集成电路的发展，传统半导体器件的尺寸变得越来越小，然而随之带来的不仅是生产工艺上制作难度的增加，而且各种不良效应也变得越来越明显。当半导体器件尺寸进入纳米时代，由于其自身的物理特性，使得其亚阈值摆幅始终不能突破60mv/dec的极限，同时也存在反向泄漏电流过大等问题。针对这些问题，目前研究人员已经提出一种较为有效的办法来解决亚阈值摆幅等问题，采用一种新型器件隧穿场效应晶体管来取代传统的场效应晶体管，减小传统场效应带来的短沟道效应的影响。普通隧穿场效应晶体管正常工作时，其导通原理利用多数载流子在半导体能带之间发生带带隧穿效应产生电流，其亚阈值摆幅与普通型场效应晶体管的60mv/dec极限相比有了明显的改善。但是，普通隧穿场效应晶体管带带隧穿效率低，使得普通隧穿晶体管的开态电流与传统的场效应晶体管相比较低，且隧穿晶体管栅极电压正向和反向偏置均能产生大小相当的隧穿电流，这使得器件具有较大的静态功耗。难以满足大规模集成系统对器件的要求，因此需要一种新型结构器件使得保持较陡的亚阈值摆幅的同时，也能够显著降低静态功耗和提高晶体管导通时的的正向开态电流。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于隧穿效应的新型器结构的倒t型隧穿场效应晶体管。倒t型隧穿场效应晶体管具有双l形隧穿沟道，在不增加器件尺寸的情况下，使得隧穿沟道尽可能最大化，以实现开态电流尽可能大；该结构另一个特征就是具有双栅极，使得电子隧穿具有较大的概率，进一步保证了足够大的开态电流。此外还具有低亚阈值摆幅和反向泄露电流，高正反向电流比。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种倒t型隧穿场效应晶体管，包含soi晶圆的硅衬底，soi晶圆的硅衬底上方为soi晶圆的衬底绝缘层，soi晶圆的衬底绝缘层上方为重掺杂源区、两个单晶硅薄膜和两个重掺杂漏区，其中重掺杂源区位于衬底绝缘层上方正中间，两个单晶硅薄膜均为l型，位于重掺杂源区的两侧，且相互对称，两个重掺杂漏区分别位于单晶硅薄膜的l型底部且紧贴soi晶圆的衬底绝缘层的横向边的外沿，且位于衬底绝缘层的上方；两个单晶硅薄膜l型纵向边的两侧分别有一个栅极绝缘层，栅极绝缘层分别被l形单晶硅薄膜两面环绕；栅极绝缘层纵向边的两侧分别有绝缘介质阻挡层，绝缘介质阻挡层分别位于两个l形单晶硅薄膜横向边的上方，且分别与栅极绝缘层接触；栅极绝缘层纵向边的两侧且绝缘介质阻挡层的上方为栅极，两个栅极分别位于两侧绝缘介质阻挡层之上且分别与两侧栅极绝缘层接触；栅电极位于栅极上方；源电极位于重掺杂源区上方；漏电极位于重掺杂漏区上方。

所述单晶硅薄膜为进行n型轻掺杂，且掺杂浓度为不高于1*10^16/cm^3的单晶硅半导体材料。

所述重掺杂源区为掺杂浓度不低于1*10^20/cm^3的p型掺杂。

所述重掺杂漏区为掺杂浓度不低于1*10^19/cm^3的n型掺杂。

所述栅极绝缘层厚度为0.4nm—1.8nm，栅极绝缘层为高介电常数的物质，采用二氧化铪、四氮化三硅或三氧化二铝中三种物质之一。

所述的绝缘介质阻挡层的介电常数低于栅极绝缘层的介电常数，绝缘介质阻挡层材料采用二氧化硅或氮化硅两种物质之一。

本发明的有益效果在于：

1).低亚阈值摆幅

由于本发明是基于隧穿场效应晶体管的隧穿机制，并采用对称双栅结构，具有良好的栅极控制能力，在栅电极的控制作用下，能带发生弯曲，单晶硅薄膜沟道的左右两侧在与栅电极绝缘层接触的表面附近同时发生隧穿，使得载流子具有较大概率穿过势垒，在较短时间内迅速形成较大电流，相较于mosfets器件具有低亚阈值摆幅。

2).低静态功耗、低反向泄漏电流和高正反向电流比

因为倒t型隧穿场效应晶体管正向导通电流大小取决于源极两侧的能带弯曲程度大小，而反向泄露电流的大小取决于漏极区域能带弯曲程度大小。为了保证该器件正向导通电流不下降的同时又能尽最大可能的降低反向泄露电流和静态功耗，本发明设计的器件采用双栅极结构来保证优秀的器件特性，一方面通过控制l形沟道来保证具有优秀的亚阈值特性和正向导通能力；另一方面l形沟道下方与栅极之间的栅极绝缘层和绝缘介质隔离层减缓反偏漏极区域附近的能带弯曲程度，使得器件保证在正向特性的同时，具有良好的低反向泄露电流和静态功耗。

附图说明

图1为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤一示意图。

图2为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤二示意图。

图3为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤三示意图。

图4为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤四示意图。

图5为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤五示意图。

图6为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤六示意图。

图7为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤七示意图。

图8为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤八示意图。

图9为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤九示意图。

图10为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤十示意图。

图11为本发明倒t型隧穿场效应晶体管制作步骤十一示意图。

其中，1-硅衬底、2-衬底绝缘层，3-单晶硅薄膜，4-氮化硅保护层，5-栅极绝缘层，6-重掺杂源区，7-绝缘介质阻挡层，6-栅极，9-重掺杂漏区，10-漏电极，11-栅电极，12-源电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种倒t型隧穿场效应晶体管，包含soi晶圆的硅衬底，soi晶圆的硅衬底上方为soi晶圆的衬底绝缘层，soi晶圆的衬底绝缘层上方为重掺杂源区、两个单晶硅薄膜和两个重掺杂漏区，其中重掺杂源区位于衬底绝缘层上方正中间，两个单晶硅薄膜均为l型，位于重掺杂源区的两侧，且相互对称，两个重掺杂漏区分别位于单晶硅薄膜的l型底部且紧贴soi晶圆的衬底绝缘层的横向边的外沿，且位于衬底绝缘层的上方；两个单晶硅薄膜l型纵向边的两侧分别有一个栅极绝缘层，栅极绝缘层分别被l形单晶硅薄膜两面环绕；栅极绝缘层纵向边的两侧分别有绝缘介质阻挡层，绝缘介质阻挡层分别位于两个l形单晶硅薄膜横向边的上方，且分别与栅极绝缘层接触；栅极绝缘层纵向边的两侧且绝缘介质阻挡层的上方为栅极，两个栅极分别位于两侧绝缘介质阻挡层之上且分别与两侧栅极绝缘层接触；栅电极位于栅极上方；源电极位于重掺杂源区上方；漏电极位于重掺杂漏区上方。

所述单晶硅薄膜为进行n型轻掺杂，且掺杂浓度为不高于1*10^16/cm^3的单晶硅半导体材料。

所述重掺杂源区为掺杂浓度不低于1*10^20/cm^3的p型掺杂。

所述重掺杂漏区为掺杂浓度不低于1*10^19/cm^3的n型掺杂。

所述栅极绝缘层厚度为0.4nm—1.8nm，栅极绝缘层为高介电常数的物质，采用二氧化铪、四氮化三硅或三氧化二铝中三种物质之一。

所述的绝缘介质阻挡层的介电常数低于栅极绝缘层的介电常数，绝缘介质阻挡层材料采用二氧化硅或氮化硅两种物质之一。

当器件工作时，通过对栅电极施加正向电压，使得栅极内侧的单晶硅薄膜l形沟道区临近源区的区域一侧发生能带弯曲，能带弯曲使该处发生带间隧穿效应，从而使源区电子从价带跃至单晶硅薄膜l形沟道导带，随着栅电极电压的不断升高，栅极内侧单晶硅薄膜l形沟道临近源区的一侧能带弯曲程度不断增长，发生隧穿效应的概率不断增大，电流亦成指数形式不断增大。当栅电极处于高电位时，栅电极内侧的单晶硅薄膜l形沟道临近源区的区域一侧能带弯曲剧烈，致使大量源区电子由价带跃至单晶硅薄膜l形沟道的导带，在电场的作用下电子由源区流向漏区，此时隧穿晶体管处于开启状态；由于本发明采用双栅来控制单晶硅薄膜l形沟道，一方面控制单晶硅薄膜l形沟道来保证器件具有优秀的亚阈值特性和正向导通能力；另一方面漏区上方的栅极绝缘层和绝缘介质阻挡层减缓反偏调节下漏极附近的能带弯曲程度，使得器件保证具有高压阈值电流上升的同时，具有低反向泄露电流和静态功耗的优点。

一种t型隧穿场效应晶体管的制造步骤如下：

步骤一：如图1所示，本发明提供一个soi晶圆，最下方为soi晶圆的硅衬底(1)，硅衬底上面是衬底绝缘层(2)，衬底绝缘层上面为单晶硅薄膜(3)；

步骤二：通过离子注入/扩散向单晶硅薄膜(3)注入/扩散低浓度p型杂质，其杂质掺杂浓度不高于1*10^16/cm^3；

步骤三：如图2所示，在soi晶圆上面淀积氮化硅(4)形成保护层；

步骤四：如图3所示，在氮化硅(4)淀积光刻胶，通过光刻、刻蚀工艺形成倒t形单晶硅薄膜，栅极窗口位于被刻蚀的部分；

步骤五：如图4所示，在两个栅极窗口的两侧分别淀积绝缘介质hfo2，形成栅极绝缘层(5)；

步骤六：如图5所示，在两侧的栅极绝缘层(5)分别淀积绝缘介质sio2，形成栅极绝缘介质阻挡层(7)。

步骤七：如图6所示，在两侧的绝缘介质阻挡层(7)上方淀积栅极材料形成栅极(8)；

步骤八：如图7所示，在氮化硅(4)淀积光刻胶，通过光刻、刻蚀工艺形成源区扩散窗口；

步骤九：如图8所示，通过离子注入/扩散在源区扩散窗口向单晶硅薄膜(3)注入/扩散高浓度p型杂质，其杂质掺杂浓度不低于1*10^20/cm^3随后进行退火处理(700℃—800℃)，形成器件源区(6)；

步骤十：如图9所示，通过离子注入/扩散向栅极一侧的单晶硅薄膜(3)注入/扩散高浓度n型杂质，其杂质掺杂浓度为不低于1*10^19/cm3，随后进行退火处理(700℃—800℃)，形成器件漏区(9)；

步骤十一：如图10所示，刻蚀掉多余的在栅极(8)、栅极绝缘层(5)、氮化硅保护层(4)、使得源区(6)与栅极(8)，栅极绝缘层(5)，单晶硅薄膜(3)水平面平行；

步骤十二：如图11所示，在源区(6)、栅极(8)、源区(9)分别淀积金属形成漏电极(10)、栅电极(11)、源电极(12)，即可形成所述的晶体管。