一种静电掺杂隧穿场效应晶体管

1.本发明属于纳电子学技术领域，涉及一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管。


背景技术：

2.随着mosfet的尺寸继续减小，能耗问题也成为了制约mosfet尺寸缩小的一个重要因素。根据半导体物理知识，mosfet的亚阈值斜率(subthreshold swing，ss)的最小值为60mv/dec。降低集成电路功耗的最有效的解决方法之一就是降低电源电压。然而亚阈值斜率有最小值决定了当电源电压下降时，开启电流与关断电流之差也要相应降低。当晶体管处于导通状态时，电流值不宜过小，因此开启电流尽量不能降低，这也就意味着随着电源电压下降，器件的关断电流要相应升高，这会大大增加电路的静态功耗。为了解决这一问题，隧穿场效应晶体管(tunnel field effect transistor，tfet)被广泛应用。
3.tfet打破了传统mosfet亚阈值斜率的约束，当电源电压降低时，关断电流仍然能够保持在一个较低的水平。但是它也存在一些缺点，最重要的缺点便是由于载流子依靠隧穿效应在能带之间进行隧穿，因此导通电流与mosfet相比大幅度降低。另外，以n型tfet为例，当施加负栅压时，漏区和沟道区之间势垒宽度较小，也可以发生隧穿，形成双极性电流。因此，如何提高tfet器件的导通电流的同时降低其双极性电流是亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中在提高隧穿场效应晶体管器件的导通电流的同时，降低其双极性电流的问题，提供一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，包括横向依次设置的p型重掺杂源区、n型重掺杂pocket区、p型轻掺杂沟道区和n型重掺杂漏区；
7.所述p型重掺杂源区的上方和下方分别为顶部第一极性栅极氧化层和底部第一极性栅极氧化层，所述顶部第一极性栅极氧化层的上方为顶部第一极性栅电极，所述底部第一极性栅极氧化层的下方为底部第一极性栅电极，p型重掺杂源区的侧面设置源电极接触区；
8.所述p型轻掺杂沟道区的上方和下方分别为顶部控制栅极氧化层和底部控制栅极氧化层，所述顶部控制栅极氧化层的上方为顶部控制栅电极，所述底部控制栅极氧化层的下方为底部控制栅电极；
9.所述n型重掺杂漏区的上方和下方分别为顶部第二极性栅极氧化层和底部第二极性栅极氧化层，所述顶部第二极性栅极氧化层的上方为顶部第二极性栅电极，所述底部第二极性栅极氧化层的下方为底部第二极性栅电极，n型重掺杂漏区的侧面设置漏电极接触区。
10.本发明的进一步改进在于：
11.所述顶部第一极性栅极氧化层和底部第一极性栅极氧化层的厚度相同，并且采用
相同的材料制成。
12.所述顶部第二极性栅极氧化层和底部第二极性栅极氧化层的厚度相同，并且采用相同的材料制成。
13.所述顶部第一极性栅电极和底部第一极性栅电极具有相同的功函数，所述顶部第二极性栅电极和底部第二极性栅电极具有相同的功函数。
14.所述n型重掺杂pocket区的掺杂浓度为4
×
10
19
cm-3
，长度为1nm～9nm。
15.所述p型轻掺杂沟道区的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
。
16.所述n型重掺杂pocket区的上方和下方分别为源区-沟道区顶部侧墙和源区-沟道区底部侧墙；所述p型轻掺杂沟道区的上方靠近n型重掺杂漏区的一侧设置漏区-沟道区顶部侧墙，所述p型轻掺杂沟道区的下方靠近n型重掺杂漏区的一侧设置漏区-沟道区底部侧墙。
17.所述漏区-沟道区顶部侧墙的长度为5nm～30nm；所述漏区-沟道区底部侧墙的长度为5nm～30nm。
18.所述源电极接触区和漏电极接触区均由硅化镍构成，其肖特基势垒高度为0.45ev。
19.所述场效应晶体管沿水平方向的中轴线，在中轴线的上方和下方两部分结构为对称结构。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明提出了一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，通过在源区和漏区上的氧化层上淀积不同的金属材料形成偏置电极，并施加一定的偏置电压，利用电极偏置原理，在源区和漏区感生大量电子或空穴，形成n型或p型掺杂，利用双栅结构控制器件沟道的开启和关断。开启状态时在器件源区和沟道区之间形成一个极窄的n
+
pocket区，隧穿势垒宽度减小，导通电流增大。关断状态时在器件漏区和沟道区之间形成一个p型间隙，通过改变此间隙的长度可以调整漏区附近的势垒宽度，达到减小双极性电流的目的。
附图说明
22.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
23.图1为本发明的静电掺杂隧穿场效应晶体管最终结构示意图；
24.图2为本发明的静电掺杂隧穿场效应晶体管初始结构示意图。
25.其中：1-p型轻掺杂沟道区，2-n型重掺杂pocket区，3a-顶部控制栅极氧化层，3b-底部控制栅极氧化层，3c-顶部第一极性栅极氧化层，3d-底部第一极性栅极氧化层，3e-顶部第二极性栅极氧化层，3f-底部第二极性栅极氧化层，4a-顶部控制栅电极，4b-底部控制栅电极，5a-顶部第一极性栅电极，5b-底部第一极性栅电极，6a-顶部第二极性栅电极，6b-底部第二极性栅电极，7-p型重掺杂源区，8-n型重掺杂漏区，9a-源电极接触区，9b-漏电极接触区，10a-源区-沟道区顶部侧墙，10b-源区-沟道区底部侧墙，11a-漏区-沟道区顶部侧墙，11b-漏区-沟道区底部侧墙，12-p型轻掺杂沟道及漏区，13-n型重掺杂源区。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.本发明提出了一种基于极性偏置原理的静电掺杂隧穿场效应晶体管，通过在源区和漏区上的氧化层上淀积不同的金属材料形成偏置电极，并施加一定的偏置电压，利用电极偏置原理，在源区和漏区感生大量电子或空穴，形成n型或p型掺杂，利用双栅结构控制器件沟道的开启和关断。以n型tfet器件为例，开启状态时在器件源区和沟道区之间形成一个极窄的n
+
pocket区，隧穿势垒宽度减小，导通电流增大。关断状态时在器件漏区和沟道区之间形成一个p型间隙，通过改变此间隙的长度可以调整漏区附近的势垒宽度，达到减小双极性电流的目的。
33.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
34.参见图1，为本发明中静电掺杂隧穿场效应晶体管最终结构示意图，场效应晶体管包括横向依次设置的p型重掺杂源区7、n型重掺杂pocket区2、p型轻掺杂沟道区1和n型重掺杂漏区8；所述p型重掺杂源区7的上方和下方分别为顶部第一极性栅极氧化层3c和底部第一极性栅极氧化层3d，所述顶部第一极性栅极氧化层3c和底部第一极性栅极氧化层3d的厚度相同，并且采用相同的材料制成，所述顶部第一极性栅极氧化层3c的上方为顶部第一极性栅电极5a，所述底部第一极性栅极氧化层3d的下方为底部第一极性栅电极5b，所述顶部第一极性栅电极5a和底部第一极性栅电极5b具有相同的功函数，p型重掺杂源区7的侧面设
置源电极接触区9a，所述源电极接触区9a由硅化镍构成，其肖特基势垒高度为0.45ev；所述p型轻掺杂沟道区1的上方和下方分别为顶部控制栅极氧化层3a和底部控制栅极氧化层3b，p型轻掺杂沟道区1的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
，所述p型轻掺杂沟道区1的上方靠近n型重掺杂漏区8的一侧设置漏区-沟道区顶部侧墙11a，所述漏区-沟道区顶部侧墙11a的长度为5nm～30nm，所述p型轻掺杂沟道区1的下方靠近n型重掺杂漏区8的一侧设置漏区-沟道区底部侧墙11b，所述漏区-沟道区底部侧墙11b的长度为5nm～30nm；所述顶部控制栅极氧化层3a的上方为顶部控制栅电极4a，所述底部控制栅极氧化层3b的下方为底部控制栅电极4b；所述n型重掺杂漏区8的上方和下方分别为顶部第二极性栅极氧化层3e和底部第二极性栅极氧化层3f，所述顶部第二极性栅极氧化层3e和底部第二极性栅极氧化层3f的厚度相同，并且采用相同的材料制成，所述顶部第二极性栅极氧化层3e的上方为顶部第二极性栅电极6a，所述底部第二极性栅极氧化层3f的下方为底部第二极性栅电极6b，所述顶部第二极性栅电极6a和底部第二极性栅电极6b具有相同的功函数，n型重掺杂漏区8的侧面设置漏电极接触区9b，所述漏电极接触区9b由硅化镍构成，其肖特基势垒高度为0.45ev。所述n型重掺杂pocket区2的掺杂浓度为4
×
10
19
cm-3
，长度为1nm～9nm，n型重掺杂pocket区2的上方和下方分别为源区-沟道区顶部侧墙10a和源区-沟道区底部侧墙10b。
35.参见图2，为本发明中静电掺杂隧穿场效应晶体管初始结构示意图，初始结构包括横向的n型重掺杂源区13和p型轻掺杂沟道及漏区12。根据极性偏置原理，当顶部第一极性栅电极5a和底部第一极性栅电极5b施加一定的负偏压时，其下方的部分源区感生出大量空穴，形成p型重掺杂源区7。当顶部第二极性栅电极6a和底部第二极性栅电极6b之间施加一定的正偏压时，其下方的部分漏区感生出大量电子，形成n型重掺杂漏区8。所述p型重掺杂源区和n型重掺杂漏区均由静电掺杂形成，无需传统的离子注入等化学掺杂步骤，在几纳米的范围内可实现标准的pn结。
36.本发明中静电掺杂隧穿场效应晶体管的工作原理具体为：
37.一、开启状态时，场效应晶体管形成pnpn结构，导通电流增大。
38.对于n型隧穿场效应晶体管，第一极性栅电极的功函数较小(《4.33ev)，且施加足够大的负电压(《-0.7v)时，根据极性偏置原理，在其下方的部分源区会感生出大量空穴，形成p型重掺杂区。因此，初始结构的n型重掺杂源区由p型重掺杂源区和n型重掺杂pocket区所替代。同时，第二极性栅电极的功函数也较小(《4.5ev)，且施加足够大的正电压(》0.7v)时，根据极性偏置原理，在其下方的部分漏区会感生出大量电子，形成n型重掺杂区。因此，初始结构的p型轻掺杂区由p型轻掺杂沟道和n型重掺杂漏区所替代，综上，场效应晶体管形成pnpn结构，该结构的特点为：开启状态下，源区与沟道之间的n型重掺杂pocket部分会在能带上引入一个局部最小点，使得此处隧穿势垒宽度迅速降低，载流子的隧穿几率大大增加，因此，导通电流也增大。
39.二、关断状态时，双极电流减小。
40.对于n型器件，当控制栅电极施加足够大的负电压(《-0.7v)时，沟道的能带被抬高，当沟道的价带高于漏区的导带时，载流子就可能在沟道与漏区之间发生带间隧穿效应，双极电流增大。且载流子隧穿的几率与漏区附近的隧穿势垒宽度成反比，隧穿势垒宽度越大，隧穿几率越小，双极电流也越小。由于双极电流增大会严重降低tfet器件的性能，在器件总长度保持不变的前提下，可通过减小第二极性栅电极的长度来增大漏区与沟道之间的
间隙长度l
gap
，进一步减小双极电流。因此，该器件的漏区附近隧穿势垒宽度实现可控。
41.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，包括横向依次设置的p型重掺杂源区(7)、n型重掺杂pocket区(2)、p型轻掺杂沟道区(1)和n型重掺杂漏区(8)；所述p型重掺杂源区(7)的上方和下方分别为顶部第一极性栅极氧化层(3c)和底部第一极性栅极氧化层(3d)，所述顶部第一极性栅极氧化层(3c)的上方为顶部第一极性栅电极(5a)，所述底部第一极性栅极氧化层(3d)的下方为底部第一极性栅电极(5b)，p型重掺杂源区(7)的侧面设置源电极接触区(9a)；所述p型轻掺杂沟道区(1)的上方和下方分别为顶部控制栅极氧化层(3a)和底部控制栅极氧化层(3b)，所述顶部控制栅极氧化层(3a)的上方为顶部控制栅电极(4a)，所述底部控制栅极氧化层(3b)的下方为底部控制栅电极(4b)；所述n型重掺杂漏区(8)的上方和下方分别为顶部第二极性栅极氧化层(3e)和底部第二极性栅极氧化层(3f)，所述顶部第二极性栅极氧化层(3e)的上方为顶部第二极性栅电极(6a)，所述底部第二极性栅极氧化层(3f)的下方为底部第二极性栅电极(6b)，n型重掺杂漏区(8)的侧面设置漏电极接触区(9b)。2.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述顶部第一极性栅极氧化层(3c)和底部第一极性栅极氧化层(3d)的厚度相同，并且采用相同的材料制成。3.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述顶部第二极性栅极氧化层(3e)和底部第二极性栅极氧化层(3f)的厚度相同，并且采用相同的材料制成。4.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述顶部第一极性栅电极(5a)和底部第一极性栅电极(5b)具有相同的功函数，所述顶部第二极性栅电极(6a)和底部第二极性栅电极(6b)具有相同的功函数。5.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述n型重掺杂pocket区(2)的掺杂浓度为4
×
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cm-3
，长度为1nm～9nm。6.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述p型轻掺杂沟道区(1)的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
。7.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述n型重掺杂pocket区(2)的上方和下方分别为源区-沟道区顶部侧墙(10a)和源区-沟道区底部侧墙(10b)；所述p型轻掺杂沟道区(1)的上方靠近n型重掺杂漏区(8)的一侧设置漏区-沟道区顶部侧墙(11a)，所述p型轻掺杂沟道区(1)的下方靠近n型重掺杂漏区(8)的一侧设置漏区-沟道区底部侧墙(11b)。8.如权利要求7所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述漏区-沟道区顶部侧墙(11a)的长度为5nm～30nm；所述漏区-沟道区底部侧墙(11b)的长度为5nm～30nm。9.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述源电极接触区(9a)和漏电极接触区(9b)均由硅化镍构成，其肖特基势垒高度为0.45ev。10.如权利要求1所述的一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管沿水平方向的中轴线，在中轴线的上方和下方两部分结构为对称结构。

技术总结
本发明提出了一种静电场掺杂隧穿场效应晶体管，通过在源区和漏区上的氧化层上淀积不同的金属材料形成偏置电极，并施加一定的偏置电压，利用电极偏置原理，在源区和漏区感生大量电子或空穴，形成N型或P型掺杂，利用双栅结构控制器件沟道的开启和关断。开启状态时在器件源区和沟道区之间形成一个极窄的N


技术研发人员：单婵 刘赢 刘舒娴 苏乐辉
受保护的技术使用者：集美大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/8