本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管邏輯器件，具體涉及一種超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管及其制備方法。

背景技術(shù)：

在過去五十年以來，半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展使得集成電路芯片的性能不斷提升，但是隨著器件尺寸的不斷變小，系統(tǒng)的功耗逐漸增大，這一問題已經(jīng)成為減緩器件尺寸進(jìn)一步縮小的主要原因。由于亞閾值斜率在室溫條件下存在60mV/dec的理論極限值，使得傳統(tǒng)MOSFET器件難以通過持續(xù)降低工作電壓V_DD來降低功耗。為了適應(yīng)集成電路的未來發(fā)展趨勢，新型超低功耗器件的研究開發(fā)引起廣泛關(guān)注。隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET，Tunneling Field-Effect Transistor)采用柵控源區(qū)與溝道之間的帶帶隧穿寬度，以此控制源端價(jià)帶電子隧穿到溝道導(dǎo)帶(或溝道價(jià)帶電子隧穿到源端導(dǎo)帶)形成隧穿電流。不同于MOSFET器件的擴(kuò)散漂流的導(dǎo)通機(jī)制，這種新型的電流導(dǎo)通機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)陡峭的亞閾值斜率，在室溫條件下理論上可以實(shí)現(xiàn)低于60mV/dec的亞閾值斜率，使其成為一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ男滦偷凸钠骷?/p>

但是不同于MOSFET，TFET器件的轉(zhuǎn)特曲線的亞閾斜率存在退化現(xiàn)象，導(dǎo)致TFET器件難以實(shí)現(xiàn)較低的平均亞閾值斜率SS_avg，這使得器件低于60mV/dec的區(qū)域較小。對于超低功耗電路的電路應(yīng)用，除了較小的亞閾斜率SS_min，器件的平均亞閾值斜率SS_avg也是一種非常重要的性能指標(biāo)。因此，對于TFET器件，如何抑制亞閾值斜率退化，成為需要迫切解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管及制備方法；本發(fā)明的隧穿場效應(yīng)晶體管可以有效改善常規(guī)隧穿場效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性中亞閾特性退化的問題，使得器件在工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較小的亞閾值斜率，并且同時(shí)保持較小的平均亞閾值斜率。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管。

本發(fā)明的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管包括：襯底、源區(qū)內(nèi)層、源區(qū)外層、柵疊層、漏區(qū)和溝道區(qū)內(nèi)層和溝道區(qū)外層；其中，襯底包括絕緣層以及絕緣層上的第一半導(dǎo)體材料；刻蝕第一半導(dǎo)體材料在絕緣層上形成鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層以及分別形成在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層兩端的第一引出端內(nèi)層和第二引出端內(nèi)層；對第一引出端內(nèi)層以及與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分進(jìn)行第一次源區(qū)離子注入，形成源區(qū)內(nèi)層，源區(qū)內(nèi)層包括第一引出端內(nèi)層以及延伸至與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分；在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層及兩端的引出端上外延生長第二半導(dǎo)體材料，在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層上形成覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的鰭式結(jié)構(gòu)外層，以及分別覆蓋在第一和第二引出端內(nèi)層上的第一和第二引出端外層；在鰭式結(jié)構(gòu)外層的表面形成柵疊層，柵疊層不覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)外層的兩端邊緣；對第一引出端外層以及與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層的邊緣進(jìn)行第二次源區(qū)離子注入，形成源區(qū)外層，源區(qū)外層包括第一引出端外層以及與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層的邊緣，源區(qū)內(nèi)層和源區(qū)外層共同構(gòu)成源區(qū)；源區(qū)內(nèi)層沿溝道方向的長度大于源區(qū)外層沿溝道方向的長度為L1；對第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣進(jìn)行離子注入，在第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層和內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣形成漏區(qū)；位于源區(qū)內(nèi)層和漏區(qū)之間的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層形成溝道區(qū)內(nèi)層，以及位于源區(qū)外層和漏區(qū)之間的鰭式結(jié)構(gòu)外層形成溝道區(qū)外層，溝道區(qū)內(nèi)層沿溝道方向的長度小于溝道區(qū)外層沿溝道方向的長度為L1；第二半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大于第一半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。

第一半導(dǎo)體材料為輕摻雜(1×10¹³cm^-3～1×10¹⁵cm^-3)或未摻雜的半導(dǎo)體材料。鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層為中性摻雜的第一半導(dǎo)體材料。

對于N型器件，源區(qū)為P型重?fù)诫s，其摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3，漏區(qū)為N型重?fù)诫s，其摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；而對于P型器件來說，源區(qū)為N型重?fù)诫s，其摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3，漏區(qū)為P型重?fù)诫s，其摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

對于本發(fā)明的隧穿場效應(yīng)晶體管，第二半導(dǎo)體材料的禁帶寬度比第一半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大0.3eV～0.7eV。

第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料采用II-VI、III-V和IV-IV族之一的二元或三元化合物半導(dǎo)體材料，如SiGe半導(dǎo)體材料。

溝道區(qū)內(nèi)層沿溝道方向的長度小于溝道區(qū)外層沿溝道方向的長度L1≥5nm，且小于溝道區(qū)外層沿溝道方向的長度。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法。

本發(fā)明的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：

1)提供襯底，襯底包括下層的絕緣層以及絕緣層上的第一半導(dǎo)體材料；

2)在襯底上刻蝕第一半導(dǎo)體材料形成鰭式結(jié)構(gòu)(Fin條)內(nèi)層以及分別形成在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層兩端的第一引出端內(nèi)層和第二引出端內(nèi)層，刻蝕停止在絕緣層的上表面；

3)旋涂一層光刻膠，光刻暴露出第一引出端內(nèi)層以及與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分，以光刻膠為掩膜，進(jìn)行第一次源區(qū)離子注入，形成源區(qū)內(nèi)層，源區(qū)內(nèi)層包括第一引出端內(nèi)層以及延伸至與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分；

4)在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層及兩端的引出端上外延生長第二半導(dǎo)體材料，在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層上形成覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的鰭式結(jié)構(gòu)外層，以及分別覆蓋在第一和第二引出端內(nèi)層上的第一和第二引出端外層；

5)淀積柵介質(zhì)材料，并淀積柵電極材料，旋涂一層光刻膠，進(jìn)行光刻和刻蝕，在鰭式結(jié)構(gòu)外層的表面形成柵疊層，柵疊層不覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)外層的兩端邊緣；

6)旋涂一層光刻膠，光刻暴露出第一引出端外層以及與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的邊緣，以光刻膠和柵疊層為掩膜，進(jìn)行第二次源區(qū)離子注入，形成源區(qū)外層，源區(qū)外層包括第一引出端外層以及延伸至與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層的邊緣；

7)旋涂一層光刻膠，光刻暴露出第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣，以光刻膠和柵疊層為掩膜，進(jìn)行離子注入，在第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層和內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣形成漏區(qū)；

8)快速高溫退火激活雜質(zhì)；

9)最后進(jìn)入同互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS一致的后道工序，包括淀積鈍化層、開接

觸孔以及金屬化，得到超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管。

其中，在步驟1)中，第一半導(dǎo)體材料為輕摻雜(1×10¹³cm^-3～1×10¹⁵cm^-3)或未摻雜的半導(dǎo)體材料。第一半導(dǎo)體材料采用絕緣體上的硅(SOI)、絕緣體上的鍺(GOI)、或者II-VI、III-V和IV-IV族之一的二元或三元化合物半導(dǎo)體，如Si或Ge。

在步驟3)中，第一次源區(qū)離子注入濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

在步驟4)中，第二半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大于第一半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。第二半導(dǎo)體材料采用I-VI，III-V和IV-IV族的二元或三元化合物半導(dǎo)體，如SiGe。

在步驟5)中，柵介質(zhì)材料采用SiO₂、Si₃N₄或高K柵介質(zhì)材料；生長柵介質(zhì)材料的方法采用常規(guī)熱氧化、摻氮熱氧化、化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積。柵材料采用摻雜多晶硅、金屬或金屬硅化物，如金屬鈷或鎳。

在步驟6)中，第二次源區(qū)離子注入的濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

在步驟7)中，漏區(qū)離子注入的濃度為1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管通過器件結(jié)構(gòu)顯著改善了器件轉(zhuǎn)移特性，有效降低了器件的平均亞閾斜率，同時(shí)保持了陡直的最小亞閾斜率；本發(fā)明制備工藝簡單，制備方法完全基于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS IC工藝，能有效地在CMOS集成電路中集成TFET器件，還可以利用標(biāo)準(zhǔn)工藝制備由TFET組成的低功耗集成電路，極大地降低了生產(chǎn)成本，簡化了工藝流程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；其中，(a)為立體圖，(b)為沿圖(a)中A-A’線的剖面圖，(c)為沿圖(a)中B-B’線的剖面圖；圖2～圖7為本發(fā)明的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管包括：襯底、源區(qū)內(nèi)層4、源區(qū)外層1、柵疊層6、漏區(qū)3、溝道區(qū)外層2和溝道區(qū)內(nèi)層5；其中，襯底包括下層的絕緣層以及絕緣層上的第一半導(dǎo)體材料；刻蝕第一半導(dǎo)體材料在絕緣層上形成凸起的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層以及分別形成在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層兩端的第一引出端內(nèi)層和第二引出端內(nèi)層；對第一引出端內(nèi)層以及與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分進(jìn)行第一次源區(qū)離子注入，形成源區(qū)內(nèi)層4，源區(qū)內(nèi)層4包括第一引出端內(nèi)層以及延伸至與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分；在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層及兩端的引出端上外延生長第二半導(dǎo)體材料，在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層上形成覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的鰭式結(jié)構(gòu)外層，以及分別覆蓋在在第一和第二引出端內(nèi)層上的第一和第二引出端外層；在鰭式結(jié)構(gòu)外層的表面形成柵疊層6，柵疊層6不覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)外層的兩端邊緣；對第一引出端外層以及與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的邊緣進(jìn)行第二次源區(qū)離子注入，形成源區(qū)外層1，源區(qū)外層1包括第一引出端外層以及延伸至與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層的邊緣，源區(qū)內(nèi)層4和源區(qū)外層1共同構(gòu)成源區(qū)；對第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層和內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣進(jìn)行離子注入，在第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層和內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣形成漏區(qū)3；位于源區(qū)和漏區(qū)3之間的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層和鰭式結(jié)構(gòu)外層分別形成溝道區(qū)內(nèi)層5和溝道區(qū)外層2；第二半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大于第一半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。源區(qū)內(nèi)層沿溝道方向的長度大于源區(qū)外層沿溝道方向的長度為L1，也就是源區(qū)內(nèi)層伸入溝道區(qū)外層下方的長度，換句話說是溝道區(qū)內(nèi)層沿溝道方向的長度小于溝道區(qū)外層沿溝道方向的長度為L1。本實(shí)施例中，鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層為矩形。

以N型器件為例，本實(shí)施例中，襯底的絕緣層采用SiO₂，絕緣層上的第一半導(dǎo)體材料采用未摻雜的晶向?yàn)?lt;001>的Ge；第二半導(dǎo)體材料采用Si_1-xGe_x(0<x<1)，x為Ge在材料中所占組分。

本實(shí)施例的超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：

1)提供襯底，襯底包括下層的絕緣層SiO₂以及絕緣層上的第一半導(dǎo)體材料未摻雜的晶向?yàn)?lt;001>的Ge；

2)在襯底上刻蝕第一半導(dǎo)體材料形成鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層以及分別形成在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層兩端的第一引出端內(nèi)層和第二引出端內(nèi)層，刻蝕停止在絕緣層的上表面，鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的寬度為5nm～10nm，如圖2所示；

3)旋涂一層光刻膠，光刻暴露出第一引出端內(nèi)層以及與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分，以光刻膠為掩膜，進(jìn)行第一次源區(qū)離子注入，雜質(zhì)濃度1E20cm^-3，形成源區(qū)內(nèi)層4，源區(qū)內(nèi)層4包括第一引出端內(nèi)層以及延伸至與第一引出端內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一部分，如圖3所示；

4)在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層及兩端的引出端上外延生長第二半導(dǎo)體材料Si_1-xGe_x，在鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層上形成覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的鰭式結(jié)構(gòu)外層，以及覆蓋在第一和第二引出端內(nèi)層上的第一和第二引出端外層，如圖4所示；

5)淀積柵介質(zhì)材料，并淀積柵電極材料，旋涂一層光刻膠，進(jìn)行光刻和刻蝕，在鰭式結(jié)構(gòu)外層的表面形成柵疊層6，柵疊層6包括柵介質(zhì)和柵，柵疊層6不覆蓋鰭式結(jié)構(gòu)外層的兩端邊緣，如圖5所示；

6)旋涂一層光刻膠，光刻暴露出第一引出端外層以及與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層的邊緣，以光刻膠和柵疊層6為掩膜，進(jìn)行第二次源區(qū)離子注入，雜質(zhì)濃度1E20cm^-3，形成源區(qū)外層1，源區(qū)外層1包括第一引出端外層以及延伸至與第一引出端外層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層的邊緣，如圖6所示；

7)旋涂一層光刻膠，光刻暴露出第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層和內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣，以光刻膠和柵疊層6為掩膜，進(jìn)行離子注入，雜質(zhì)濃度1E18cm^-3，在第二引出端外層和內(nèi)層以及與第二引出端外層和內(nèi)層相連接的鰭式結(jié)構(gòu)外層和內(nèi)層的邊緣形成漏區(qū)3，同時(shí)位于源區(qū)和漏區(qū)3之間的鰭式結(jié)構(gòu)內(nèi)層和鰭式結(jié)構(gòu)外層分別形成溝道區(qū)內(nèi)層5和溝道區(qū)外層2，如圖7所示；

8)快速高溫退火，在溫度1050℃下-10s激活雜質(zhì)；

9)最后進(jìn)入同CMOS一致的后道工序，包括淀積鈍化層、開接觸孔以及金屬化，得到超陡平均亞閾值擺幅鰭式隧穿場效應(yīng)晶體管。

以本實(shí)施例說明本發(fā)明的有益效果：

1、器件的隧穿源區(qū)由內(nèi)層和外層組成，外層為禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料，在距離溝道表面一定距離的內(nèi)層為禁帶寬度較窄的半導(dǎo)體材料。

2、柵電極加正電壓，溝道能帶下拉，在柵壓較小時(shí)，首先在靠近表面的源區(qū)外層1與溝道區(qū)外層2之間的隧穿結(jié)處發(fā)生帶帶隧穿，隧穿類型為點(diǎn)隧穿，此時(shí)器件開啟。因?yàn)闇系辣砻嫣幉牧暇哂休^寬禁帶寬度的，所以可以獲得較陡直的最小亞閾值擺幅，并且有效避免了窄禁帶材料會(huì)導(dǎo)致的關(guān)態(tài)電流增大。

3、隨著柵壓增大，源區(qū)內(nèi)層4與溝道區(qū)外層2之間的隧穿結(jié)部分發(fā)生帶帶隧穿。且對于此處帶帶隧穿來說，第一、源區(qū)內(nèi)層4為窄禁帶材料，相較于溝道表面處的隧穿，此處的隧穿具有更大的隧穿幾率，在相同柵電壓增量條件下可以獲得更大的帶帶隧穿電流增量；第二、由于源區(qū)內(nèi)層4深入溝道區(qū)外層2下方，使該處隧穿方向與柵電場方向相同，發(fā)生的隧穿類型為線隧穿，相較于點(diǎn)隧穿具有更大的隧穿幾率，有助于進(jìn)一步提升帶帶隧穿電流增量。綜合以上兩點(diǎn)，該器件可以獲得更陡直的平均亞閾斜率，有效抑制了器件亞閾斜率隨柵電壓增大而退化的現(xiàn)象。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。