[发明专利]具有隧穿介质层的栅控肖特基结场效应晶体管及形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体设计及制造技术领域，特别涉及一种具有隧穿介质层的栅控肖特基结场效应晶体管及形成方法。

背景技术

长期以来，为了获得更高的芯片密度、更快的工作速度以及更低的功耗，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸不断按比例缩小，当前已经进入到了超深亚微米和纳米尺度的范围。然而，随之而来的一个严重的挑战是出现了短沟道效应，例如亚阈值电压下跌(V_t roll-off)、漏极引起势垒降低(DIBL)、源漏穿通(punch through)等效应，使得MOSFET器件的亚阈值斜率变差、关态泄漏电流显著增大等现象，从而导致性能发生恶化。

TFET(Tunneling Field Effect Transistor，隧穿场效应晶体管)是一种基于载流子的隧道穿透效应的量子力学器件，相对于传统的MOS晶体管而言，它具有较弱的短沟道效应和更小的泄漏电流。TFET晶体管的结构是基于金属-氧化物-半导体栅控的p-i-n二极管，如图1所示给出了一个典型的n型沟道TFET。具体地，n型沟道TFET包含一个p型掺杂的源区1000’和一个n型掺杂的漏区2000’，源区1000’和漏区2000’之间被一个沟道区3000’所隔离开，栅堆叠4000’包含一个位于沟道区上方的栅介质层和一个栅极导电层。

在TFET器件的关闭状态，即没有施加栅压时，源区1000’和漏区2000’之间形成的结为反向偏置的二极管，而由反向偏置二极管建立的势垒大于通常互补型MOSFET所建立的势垒，因此，这就导致了即使沟道长度非常短的时候TFET器件的亚阈值泄漏电流和直接隧穿电流大大降低。当对TFET的栅极施加电压时，在场效应的作用下器件的沟道区3000’产生一个电子的通道，一旦沟道中的电子浓度发生简并，那么在源区1000’和沟道区3000’之间就会形成一个隧穿结，隧穿产生的隧穿电流通过这个隧穿结。从能带的角度来看，这种基于栅控p-i-n二极管结构的隧穿场效应晶体管是通过控制栅极电压来调节源区1000’和沟道区3000’之间所形成的p-n结的隧道长度。但是，随着TFET器件尺寸不断按比例缩小，为了获得更大的开态电流和更小的亚阈值区斜率，需要源区1000’和沟道区3000’之间所形成的p-n结界面处的杂质掺杂浓度梯度更加陡直，如采用异质结等方法，这就大大的增加了工艺步骤的难度和成本。

另一方面，随着MOSFET特征尺寸的不断缩小，源区和漏区的接触面积也随之缩小，因此，源漏区的寄生接触电阻反而不断增大，最终使器件性能降低。通常来讲，源区和漏区均为重掺杂的半导体，那么，为了减小接触电阻，可以采用将半导体替换成具有低电阻率的金属或者金属硅化物等材料，从而在源区和漏区分别形成了一个肖特基势垒。潜在可以进一步减小肖特基势垒的方法包括采用双层金属、双层金属硅化物、界面工程等技术。不幸的是，这些技术同样显著地增加了工艺制造的难度，不可避免地导致生产成本的升高。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是要解决TFET器件的工艺复杂，生成成本高的缺陷。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种具有隧穿介质层的栅控肖特基结场效应晶体管，包括：衬底；形成在所述衬底之中的沟道区，所述沟道区为第一半导体材料；形成在所述衬底中且与所述沟道区的一端相邻的金属源区；形成在所述金属源区与所述沟道区之间的隧穿介质层，其中，所述金属源区-隧穿介质层-沟道区形成金属-介质-半导体隧穿结，并且该隧穿结具有整流特性；形成在所述衬底中且与所述沟道区的另一端相邻的漏区，其中，所述漏区为第二半导体材料；和形成在所述沟道区之上的栅堆叠。

在本发明的一个实施例中，所述沟道区包括第一导电类型的第一半导体材料，所述漏区包括第一导电类型的第二半导体材料。

在本发明的一个实施例中，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料相同或不相同。

在本发明的一个实施例中，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料为Si、Ge、SiGe、SiC、III-V族半导体材料、碳纳米管或石墨烯的应变或非应变材料。

在本发明的一个实施例中，所述第一导电类型为N型或P型。

在本发明的一个实施例中，所述金属源区包括金属、金属合金、金属化合物、金属氮化物、金属硅化物或金属锗化物。

在本发明的一个实施例中，所述隧穿介质层包括高介电常数介质、氮硅化物、氮锗化物、氧化镧、氧化铪或氧化铝。

在本发明的一个实施例中，所述隧穿介质层的厚度为0.1nm至10nm。