垂直隧穿场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种垂直隧穿场效应晶体管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]隧穿场效应晶体管(TFET)本质上为一个有栅控的反偏PIN 二极管，其源区和漏区的掺杂类型不同。对于N型隧穿场效应晶体管(TFET)来说，其中，N型掺杂为漏区，工作时加正向偏置。P型掺杂为源端，工作时加负向偏置。与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，隧穿场效应晶体管(TFET)可以获得更小的亚阈值摆幅(SS)，因此隧穿场效应晶体管(TFET)很适合用于低功耗应用。
[0003]在隧穿场效应晶体管(TFET)中，输出电流随着漏端电压增大而增大的过程是通过漏端电压降在源端隧穿结处，非常有效的改变隧穿结隧穿宽度从而使输出隧穿电流增大实现。但是与传统的MOSFET相比较，隧穿电流小，因此改善隧穿场效应晶体管(TFET)的隧穿电流是一个非常重要的问题。
[0004]目前隧穿场效应晶体管(TFET) —般采用垂直隧穿，源区区域和沟道区域在栅区的作用下发生垂直隧穿，尽管这种方法可以增加隧穿几率，但现有技术中，由于源区与栅区之间的重叠区域有限，使得隧穿面积较小，因而隧穿电流较小。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种垂直隧穿场效应晶体管及其制备方法，能够增加隧穿面积，有效提尚隧穿电流。
[0006]一方面，提供了一种垂直隧穿场效应晶体管，所述垂直隧穿场效应晶体管包括源区、第一外延层、栅介质层、栅区及两个漏区；所述第一外延层、所述栅介质层及所述栅区依次叠加于所述源区上；
[0007]所述源区上朝向所述第一外延层的表面设有第一沟槽；所述第一外延层上设有第二沟槽，所述第二沟槽形成于所述第一沟槽中，所述第二沟槽与所述第一沟槽的开口朝向相同；所述第一外延层形成所述栅区与所述源区之间的隧穿沟道；
[0008]所述栅介质层及栅区均设置于所述第二沟槽中；所述栅介质层设置于所述第一外延层上，所述栅介质层将所述栅区与所述第一外延层隔离；
[0009]两个所述漏区分别设置在所述第二沟槽外的两相对侧处，所述漏区与所述栅区相隔离；所述第一外延层延伸至所述漏区与所述源区之间，并形成所述漏区与所述源区之间的沟道。
[0010]在第一种可能的实现方式中，所述栅区延伸至所述第二沟槽外，并朝向所述漏区延伸形成有扩展部，所述扩展部与所述第一外延层之间设置有所述栅介质层。
[0011]在第二种可能的实现方式中，所述栅区的扩展部与所述漏区之间设有间隙；或者，
[0012]所述栅介质层延伸至所述栅区的扩展部与所述漏区之间，所述漏区与所述栅区通过绝缘材质相隔离。
[0013]在第三种可能的实现方式中，在所述源区与所述第一外延层的叠加方向上，所述第一沟槽与所述第二沟槽的截面形状相同。
[0014]结合第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一沟槽的截面与所述第二沟槽的截面均为矩形。
[0015]在第五种可能的实现方式中，所述栅区上设有第三沟槽，所述第三沟槽与所述第一沟槽的开口朝向相同。
[0016]在第六种可能的实现方式中，所述漏区与所述第一外延层之间还设有沟道层。
[0017]在第七种可能的实现方式中，所述源区与所述第一外延层之间还设有第二外延层，所述第二外延层的掺杂类型与所述源区的掺杂类型相同，所述第二外延层的掺杂浓度大于所述源区的掺杂浓度。
[0018]另一方面，提供了一种垂直隧穿场效应晶体管的制备方法，所述垂直隧穿场效应晶体管的制备方法包括以下步骤:
[0019]提供衬底；
[0020]在所述衬底上覆盖源区材料；
[0021]在所述源区材料上形成一第一沟槽，以制备成源区；
[0022]在所述源区上覆盖第一外延层材料，并在位于所述第一沟槽中的第一外延层材料上形成一第二沟槽，所述第二沟槽与所述第一沟槽的开口朝向相同，以制备成第一外延层；以及
[0023]在所述第一外延层上形成栅介质层、栅区及两个漏区；
[0024]所述步骤“在所述第一外延层上形成栅区及两个漏区”中包括不分先后的两个步骤:在所述第一外延层的第二沟槽上依次形成栅介质层及栅区，所述栅介质层将所述栅区与所述第一外延层隔离；以及，
[0025]在所述第一外延层上位于所述第二沟槽外的两个相对侧处分别形成一漏区，所述漏区与所述栅区相隔离。
[0026]在第二种可能的实现方式中，当所述步骤“在所述第一外延层的第二沟槽上依次形成栅介质层及栅区”在所述步骤“在所述第一外延层上位于所述第二沟槽外的两个相对侧处分别形成一漏区”之前时，所述步骤“在所述第一外延层的第二沟槽上依次形成栅介质层及栅区”包括以下步骤:
[0027]在所述第一外延层整体上表面覆盖栅介质材料，并在位于所述第二沟槽中的栅介质材料上形成一凹槽；
[0028]在所述栅区介质层整体上表面覆盖栅区材料，并使栅区材料将所述凹槽填充；
[0029]去除全部或部分位于所述第一外延层的第二沟槽的两个相对侧上的栅区介质层及栅区。
[0030]在第三种可能的实现方式中，当所述步骤“在所述第一外延层的第二沟槽上依次形成栅介质层及栅区”在所述步骤“在所述第一外延层上位于所述第二沟槽外的两个相对侧处分别形成一漏区”之后时，所述步骤“在所述第一外延层的第二沟槽上依次形成栅介质层及栅区”包括以下步骤:
[0031]在所述第一外延层及两漏区的整体上表面覆盖栅介质材料，覆盖的所述栅介质材料两侧呈对称的阶梯状，并形成一凹槽及一容置槽；所述凹槽形成于所述第二沟槽的栅介质材料中，所述容置槽形成于两个所述漏区之间栅介质材料中，所述凹槽位于容置槽的槽底；
[0032]在所述栅介质材料的整体上表面上覆盖栅区材料，所述栅区材料填充所述凹槽及所述容置槽；
[0033]移除位于所述漏区上的栅介质材料及栅区材料。
[0034]在第四种可能的实现方式中，在所述步骤“在所述第一外延层上形成栅区及两个漏区”中还包括步骤:在所述栅区上形成一第三沟槽，所述第三沟槽与所述第一沟槽开口朝向相同；
[0035]所述步骤“在所述栅区上形成一第三沟槽，所述第三沟槽与所述第一沟槽开口朝向相同”在所述步骤“在所述第一外延层的第二沟槽上依次形成栅介质层及栅区”之后。
[0036]在第五种可能的实现方式中，在所述步骤“在所述第一外延层上位于所述第二沟槽外的两个相对侧处分别形成一漏区”中包括以下步骤:
[0037]在所述第一外延层上位于所述第二沟槽外的两个相对侧处分别形成一沟道层；
[0038]在所述沟道层上形成所述漏区。
[0039]在第六种可能的实现方式中，在所述步骤“在所述源区材料上形成一第一沟槽，以制备成源区”与所述步骤“在所述源区上覆盖第一外延层材料，并在位于所述第一沟槽中的第一外延层材料上形成一第二沟槽，以制备成第一外延层”之间，所述垂直隧穿场效应晶体管的制备方法还包括步骤:在所述源区上形成一第二外延层，所述第二外延层的掺杂类型与所述源区的掺杂类型相同，所述第二外延层的掺杂浓度大于所述源区的掺杂浓度。
[0040]根据本发明的垂直隧穿场效应晶体管及其制备方法，源区的第一沟槽与栅区有重叠的区域内的载流电子都会都到栅区电场的作用，源区的第一沟槽内各个面上的载流电子均可以发生隧穿，即利用第一沟槽增加了源区与栅区之间的重叠面积，从而增加隧穿面积；第一外延层可以形成栅区与源区之间的沟道，隧穿类型属于线性隧穿，栅区电场方向和源区的电子隧穿方向处于一条线上，隧穿几率大，从而提高了隧穿电流。
【附图说明】
[0041]为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]图1是本发明第一实施方式提供的垂直隧穿场效应晶体管的剖面示意图；
[0043]图2是图1的垂直隧穿场效应晶体管的分解剖面示意图；
[0044]图3是图1中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的流程图；
[0045]图4是图3中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤Sll对应的剖面图；
[0046]图5是图3中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S12对应的剖面图；
[0047]图6是图3中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S13的流程图；
[0048]图7是图6中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S131对应的剖面图；
[0049]图8是图6中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S133对应的剖面图；
[0050]图9是图3中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S14对应的剖面图；
[0051]图10是图3中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S15的流程图；
[0052]图11是图10中垂直隧穿场效应晶体管的制备方法的步骤S1511对应的剖面