專利名稱：一種線性摻雜的自旋場效應(yīng)管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自旋場效應(yīng)管領(lǐng)域，尤其是涉及線性摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管。
背景技術(shù)：
除了電荷以外，電子的另外一個(gè)屬性是自旋。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件只利用了電子的電荷特性而自旋特性被忽略。目前由于半導(dǎo)體器件的尺寸的發(fā)展將接近極限，而自旋電子學(xué)(Spintronics)是在傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮自旋這一新的特性，利用電子自旋來控制電子。利用自旋電子學(xué)來研制新的電子器件，成為一個(gè)新興的學(xué)科。1990年，Datta和Das首次提出了自旋場效應(yīng)晶體管，它是由鐵磁/半導(dǎo)體/鐵磁組成的類似三明治的結(jié)構(gòu)。G.Schmidt研究出由于鐵磁和半導(dǎo)體的電導(dǎo)不匹配，使得自旋注入率不高。E.Rashba和A.Fert等人指出在鐵磁和半導(dǎo)體之間加一勢壘，如果勢壘足夠高的話，可提高自旋電子的注入率[3]。Bruno和Pareek用緊束縛近似的方法對自旋場效應(yīng)晶體管進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬了 Rashba自旋-軌道耦合的二維電子氣中的自旋相干特性。Matsuyama等人對鐵磁/砷化銦/鐵磁器件中彈道自旋輸運(yùn)和自旋干擾的模擬計(jì)算。除了上述的自旋場效應(yīng)晶體管外，人們還提出了其他類型的自旋場效應(yīng)晶體管。Ciuti等人在源極和漏極是非磁性的，柵極是由兩個(gè)串聯(lián)的鐵磁組成，而這兩個(gè)串聯(lián)的鐵磁的磁化方向的取向能夠引起磁阻效應(yīng)。本文在Y.Gao和T.Low的基礎(chǔ)上m，采用彈道輸運(yùn)模型來研究自旋場效應(yīng)晶體管(spin-FET)的電流特性，該模型采用二維非平衡格林函數(shù)(NEGF)和泊松(Poisson)方程對spin-FET參數(shù)進(jìn)行自洽求解。利用這個(gè)模型，研究了 spin-FET的輸運(yùn)特性，并與LDD和線性摻雜的spin-FET輸運(yùn)特性進(jìn)行了對比。結(jié)合器件的工作原理，研究了器件在不同的Si溝道摻雜下的轉(zhuǎn)移特性曲線，對影響器件性能的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。為spin-FET能夠投入到實(shí)際的應(yīng)用提供了理論的模型。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)納米器件因短溝道效應(yīng)和其他一系列副效應(yīng)而引起的器件性能下降問題，提供一種線性摻雜的自旋場效應(yīng)管，使得器件抑制熱載流子效應(yīng)的能力也增強(qiáng)。能夠獲得較高的磁電流比，這使得線性摻雜自旋場效應(yīng)管在集成電路中的應(yīng)用稱為可能。技術(shù)方案:本發(fā)明受硅基橫向溝道工程的啟發(fā)，將用于改善傳統(tǒng)MOSFET性能的摻雜結(jié)構(gòu)引入自旋場效應(yīng)管中，包括梯度摻雜結(jié)構(gòu)[周海亮，池雅慶，張民選.基于梯度摻雜策略的碳納米管場效應(yīng)管性能優(yōu)化[J].物理學(xué)報(bào)，2010，59(11): 8105-8111.]、輕漏摻雜結(jié)構(gòu)
.1EEE Trans Electron Devices, 1980, 15(4): 1359-1367.]和線性慘雜結(jié)構(gòu)[張盛東，韓汝琦.漂移區(qū)為線性摻雜的高壓薄膜SOI器件的研制[J].電子學(xué)報(bào)，2001,29 (2): 1-3]。由于輕摻雜漏極結(jié)構(gòu)可以有效地抑制器件的熱載流子效應(yīng)，線性摻雜結(jié)構(gòu)可以有效抑制短溝道效應(yīng)(如閾值電壓漂移，漏致勢壘降低效應(yīng))。基于上述考慮，本發(fā)明提出了在溝道進(jìn)行線性摻雜。由于目前自旋場效應(yīng)管的仿真還處于起步階段，且目前很少有文獻(xiàn)涉及這類摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管電學(xué)特性的研究。為揭示納米尺度該類器件的量子輸運(yùn)特性，本發(fā)明在非平衡格林函數(shù)(NEGF)框架下，通過自洽求解泊松方程和薛定諤方程，對不同摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管的電學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并給出了相應(yīng)的性能比較。本發(fā)明對揭示自旋場效應(yīng)管的輸運(yùn)物理機(jī)制、改善自旋場效應(yīng)管器件結(jié)構(gòu)性能提供理論依據(jù)。本發(fā)明的線性摻雜的自旋場效應(yīng)管是一種雙柵結(jié)構(gòu)，其中用半導(dǎo)體材料硅作為導(dǎo)電溝道，溝道與兩個(gè)柵電極間用同種電介質(zhì)材料填充，且兩個(gè)柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)；該場效應(yīng)管的源區(qū)和漏區(qū)為半金屬鐵磁，在硅溝道與源區(qū)和漏區(qū)之間有一層自旋隨機(jī)層和隧穿氧化層，且在硅溝道有一個(gè)線性摻雜結(jié)構(gòu)，即在溝道中摻雜濃度隨著溝道長度而線性變化；腿=F+α其中Nd為溝道的摻雜濃度力溝道的長度，I為開始的溝
道摻雜濃度，￠( > O)為摻雜線性變化的系數(shù)，溝道中摻雜的濃度隨著溝道長度的增加而增大。所述的雙柵為關(guān)于器件溝道對稱的頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為3.95的金屬作為柵極材料，該自旋場效應(yīng)管溝道與兩柵電極間用柵電介質(zhì)填充，以形成柵氧化層。所述的半導(dǎo)體材料硅作為該場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道，兩個(gè)柵電極平行且等長。所述器件的源擴(kuò)展區(qū)，長度為Ls,器件的源區(qū)和漏區(qū)為半金屬鐵磁，在溝道和源/漏區(qū)，有一層自旋隨機(jī)層和隧穿氧化層；在硅溝道中是線性摻雜結(jié)構(gòu)，這樣，便組成了一個(gè)線性摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管。有益效果:本發(fā)明從溝道工程的角度，提出了一種適用于改善硅溝道材料性能的優(yōu)化摻雜策略，并基于非平衡格林函數(shù)的方法，對比分析了不同摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管的電學(xué)特性，如J-K電流特性 、亞閾值特性和磁電流率等電學(xué)特性，結(jié)果表明，采用線性摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管相比其他摻雜結(jié)構(gòu)擁有更低的關(guān)態(tài)電流、更大的閾值電壓、更高的開關(guān)電流比、更小的閾值電壓漂移、更高的磁電流率。表明該結(jié)構(gòu)的器件能更好的抑制DIBL效應(yīng)，說明該器件擁有更好的柵控能力，能更好的抑制短溝道效應(yīng)，使得器件抑制熱載流子效應(yīng)的能力也增強(qiáng)。能夠獲得較高的磁電流比，這使得線性摻雜自旋場效應(yīng)管在集成電路中的應(yīng)用稱為可能。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括:源區(qū)1、自旋隨機(jī)層2、隧穿氧化層3、硅4、漏區(qū)5、雙柵6、柵氧化層7。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明研究的類MOSFET結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管如摘要圖所示，本發(fā)明的線性摻雜的自旋場效應(yīng)管是一種雙柵6結(jié)構(gòu)，其中用半導(dǎo)體材料硅4作為導(dǎo)電溝道，溝道與兩個(gè)柵電極間用同種電介質(zhì)材料填充，且兩個(gè)柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)；該場效應(yīng)管的源區(qū)和漏區(qū)為半金屬鐵磁，在硅4溝道與源區(qū)和漏區(qū)之間有一層自旋隨機(jī)層2和隧穿氧化層3，且在硅4溝道有一個(gè)線性摻雜結(jié)構(gòu)，即在溝道中進(jìn)行線性摻雜。所述的雙柵6為關(guān)于器件溝道對稱的頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為3.95的金屬作為柵極材料，該場效應(yīng)管溝道與兩柵電極間用柵電介質(zhì)填充，以形成柵氧化層7。所述的半導(dǎo)體材料硅4作為該場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道，兩個(gè)柵電極平行且等長。所述的場效應(yīng)管的仿真是通過在實(shí)空間下構(gòu)建緊束縛哈密頓量，然后基于非平衡格林函數(shù)方法，自洽迭代求解泊松和薛定諤方程組，求取系統(tǒng)的電學(xué)參量。 對于納米自旋場效應(yīng)管器件會出現(xiàn)短溝道效應(yīng)，隨著器件尺寸不斷縮小產(chǎn)生一些二級效應(yīng)如漏致勢壘降低(DIBL)效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)等問題，從橫向溝道工程的角度出發(fā)，提出一種用于改善自旋場效應(yīng)管電學(xué)性能的新型摻雜策略。基于量子力學(xué)非平衡格林函數(shù)(NEGF)理論框架，在開放邊界條件下，通過自洽求解泊松和薛定諤方程，構(gòu)建了適用于線性摻雜的自旋場效應(yīng)管的輸運(yùn)模型，并利用該模型分析采用線性摻雜策略對自旋場效應(yīng)管電學(xué)特性的影響?？傮w上看，該摻雜策略模型具有以下特征:
A.它是一種雙柵結(jié)構(gòu)，其中硅溝道作為導(dǎo)電溝道，溝道與兩個(gè)柵電極間用同種電介質(zhì)材料填充，且兩個(gè)柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)。B.器件的源/漏區(qū)均采用半金屬鐵磁，硅溝道采用線性摻雜。C.模型的計(jì)算是利用NEGF方法，在開放邊界條件下，自洽求解泊松方程和薛定諤方程。模型的計(jì)算是利用非平衡格林函數(shù)(NEGF)方法，在開放邊界條件下，自洽求解泊松和薛定諤方程。具體過程是給定一個(gè)初始溝道電勢，利用NEGF方程計(jì)算出其電荷密度，再將電荷密度代入泊松方程求解出硅溝道中的靜電勢，然后又將求得的電勢重新代入NEGF方程中進(jìn)行計(jì)算，如此反復(fù)迭代直到得到自洽解為止。本發(fā)明所計(jì)算的線性摻雜的
自旋場效應(yīng)管，即整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)自能矩陣M口 ，分別用于描述導(dǎo)電溝道與源/漏
端的耦合關(guān)系，在選定了合適的基組和用于描述溝道的哈密頓量以及自能項(xiàng)后，對于給定的自洽電勢，系統(tǒng)的遲滯格林函數(shù)有如下形式[DATTA S.Nanoscale device modeling:The Green，s function method[J].Superlattices Microstruct, 2000, 28(4): 253 -278.]:
權(quán)利要求
1.種線性摻雜的自旋場效應(yīng)管,其特征在于該場效應(yīng)管是一種雙柵(6)結(jié)構(gòu),其中用半導(dǎo)體材料硅(4)作為導(dǎo)電溝道，溝道與兩個(gè)柵電極間用同種電介質(zhì)材料填充，且兩個(gè)柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)；該場效應(yīng)管的源區(qū)(I)和漏區(qū)(5)為半金屬鐵磁，在硅(4)溝道與源區(qū)(I)和漏區(qū)(5)之間有一層自旋隨機(jī)層(2)和隧穿氧化層(3)，且在硅(4)溝道有一個(gè)線性摻雜結(jié)構(gòu)，即在溝道中摻雜濃度隨著溝道長度而線性變化；Nd 二 N+ex其中Nd為溝道的摻雜濃度，X為溝道的長度，Hf為開始的溝道摻雜濃度，> O)為摻雜線性變化的系數(shù)，溝道中摻雜的濃度隨著溝道長度的增加而增大。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線性摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管，其特征在于所述的雙柵(6)為關(guān)于器件溝道對稱的頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為3.95的金屬作為柵極材料，該自旋場效應(yīng)管溝道與兩柵電極間用柵電介質(zhì)填充，以形成柵氧化層(7)。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線性摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管，其特征在于所述的半導(dǎo)體材料硅(4)作為該場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道，兩個(gè)柵電極平行且等長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種線性輕摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管?；诹孔恿W(xué)非平衡格林函數(shù)理論框架，通過自洽求解泊松(Poisson)和薛定諤(Schr dinger)方程，構(gòu)建了適用于線性摻雜自旋場效應(yīng)管的輸運(yùn)模型，并利用該模型分析計(jì)算線性摻雜和普通摻雜策略對自旋場效應(yīng)管(Spin-FET)電學(xué)特性的影響。通過與采用其他摻雜策略的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性、開關(guān)電流比、磁電流率等電學(xué)特性對比，發(fā)現(xiàn)這種摻雜結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)管具有更大的開關(guān)電流比、更高的磁電流率、更小的亞閾值擺幅和閾值電壓漂移，即表明采用線性摻雜具有更好的柵控能力，能夠有效的抑制短溝道效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)。
文檔編號H01L29/66GK103094327SQ201310040690
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月3日
發(fā)明者王偉, 王燕, 張華鑫 申請人:南京郵電大學(xué)