[发明专利]负电子压缩率-超陡亚阈斜率场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负电子压缩率‑超陡亚阈斜率场效应晶体管及其制备方法。本发明在器件亚阈区，第一常规栅介质层和第二常规栅介质层构成常规栅介质电容，负电子压缩率栅介质层构成NEC电容，使得常规栅介质电容的电容大于NEC电容的绝对值，从而两个串联电容为负值，实现栅控制系数小于1，抑制了栅泄露电流，从而使栅压对沟道表面势有超常的控制能力使器件拥有超陡亚阈值斜率；并且，器件中NEC栅介质层在电子尺度的变化能够使其宏观特性不再回滞并且无材料疲劳性，所以在降低器件功耗的基础上，解决了传统铁电NCFET的问题，对于未来的低功耗集成电路产业发展，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及场效应晶体管逻辑器件，具体涉及一种负电子压缩率-超陡亚阈斜率场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

二十世纪以来，集成电路产业在经济和技术的双轮驱动下随着摩尔定律不断快速发展，如今，传统金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET特征尺寸已经缩小至纳米尺度，然而随之面临的器件尺寸缩小带来的问题也日益严峻。器件不断的等比例缩小，使得短沟道效应越来越严重，热电子效应、漏致势垒降低效应以及漏PN结击穿等将引起关态电流的增大的问题，与此同时，传统MOSFET器件亚阈值斜率无法随着尺寸等比例缩小而同步减小，因为一方面受到热电势kT/q的限制，另一方面由于正电容分压使栅压对表面势的控制作用受到限制，导致器件功耗较高。因此解决功耗问题成为现在集成电路产业发展的燃眉之急。

而为了解决器件功耗高问题，在传统MOSFET方面，减薄氧化层厚度或者采用多栅甚至围栅器件，能够提高MOSFET栅压对沟道表面势控制作用，有效抑制短沟道效应，但是这种方式对栅控提高仍然有限。因此，为了利用超陡亚阈值斜率器件来降低功耗，一方面，采用新型导通机制替代传统MOSFET导通机制已经成为研究焦点，其中包括栅控P-I-N结构的隧穿场效应晶体管(TFET)，通过隧穿开启机制突破传统MOSFET亚阈值斜率60的限制；另一方面，利用非常规栅氧化层材料形成负电容效应来放大栅压，也能够实现超陡亚阈值器件，包括以铁电为栅材料的负电容场效应晶体管NCFET。但是由于铁电材料晶格结构限制，铁电NCFET具有回滞大，频率依赖性大，材料易疲劳等问题。所以，利用其它机制材料来实现栅压放大成为紧迫的重要问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种负电子压缩率场效应晶体管(NECFET)，以实现超陡亚阈值斜率器件来降低器件应用功耗。

本发明的一个目的在于提出一种负电子压缩率超陡亚阈斜率场效应晶体管。

本发明的负电子压缩率超陡亚阈斜率场效应晶体管包括：衬底、源区、漏区、第一常规栅介质层、负电子压缩率NEC栅介质层、第二常规栅介质层、控制栅、隔离层、栅电极、源电极和漏电极；其中，在衬底上淀积常规栅介质材料形成第一常规栅介质层；负电子压缩率栅介质层转移至在第一常规栅介质层上，负电子压缩率栅介质层采用负电子压缩率材料；在负电子压缩率栅介质层上电子束蒸发种籽层材料，形成种籽层，自然氧化形成介质，在介质上淀积常规栅介质材料，与介质一起形成第二常规栅介质层；在第二常规栅介质层上形成控制栅；第一常规栅介质层、负电子压缩率NEC栅介质层、第二常规栅介质层和控制栅构成栅叠层；对栅叠层两端的衬底分别进行离子注入，分别形成源区和漏区；在源区、漏区和控制栅上淀积形成隔离层；在隔离层中形成接触孔，在接触孔中分别形成连接源区的源电极、连接控制栅的栅电极以及连接漏区的漏电极；第一常规栅介质层和第二常规栅介质层构成常规栅介质电容，负电子压缩率栅介质层构成NEC电容，两个电容串联；根据第一和第二常规栅介质层以及负电子压缩率栅介质层的材料，调整第一和第二常规栅介质层以及负电子压缩率栅介质层的厚度，使得常规栅介质电容的电容值大于NEC电容的电容值的绝对值，从而两个串联电容为负值，实现栅控制系数小于1，同时沟道表面势对栅压的响应大于1。