專利名稱：一種非對稱柵場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件中的場效應晶體管，特別涉及一種非對稱柵場效應晶體管。
背景技術：
不斷縮小器件的尺寸、提高集成度以獲得更好的性能是集成電路技術追求的目標，但是當器件的特征尺寸進入到深亞微米以后，器件的短溝道效應(Short-Channel-Effect)、漏致勢壘降低效應(Drain-Induced-Barrier-Lower Effect，簡稱DIBL效應)、熱載流子效應(Hot-Carrier-Effect，簡稱HCE效應)等日趨嚴重，使器件性能退化。現(xiàn)有技術通過溝道工程和柵工程來解決這些問題。溝道工程是通過溝道內(nèi)的非均勻摻雜來提高器件的性能，所得到的溝道電場分布是連續(xù)的；而柵工程則是通過改變器件溝道內(nèi)的電場分布來改善器件的特性，所得到的溝道電場分布是不連續(xù)的。
在溝道工程中，人們提出了許多新的溝道結構器件，如輕摻雜漏(Lightly-Dope-Drain，簡稱LDD)結構、Pocket和Halo結構等。輕摻雜漏結構可以有效地吸收漏端的電力線，降低器件的漏端電場，抑制熱載流子效應(Franklin L.Duan.et al.Electron Devices，IEEE Transactions on，Volume44 Issue6，June 1997.Page(s)972-977.G.-H Lee.et al. Microelectronic Engineer，Volume28，1995，Page(s)365-368.)。Pocket和Halo結構器件可以通過對源端進行局部重摻雜，抬高源端勢壘，削弱漏端強電場對源端勢壘的影響，很好地抑制器件的閾值電壓漂移、源漏穿通以及器件的DIBL效應(Bin Yu.et al.Electron Devices，IEEE Transactions on，Volume44 Issue4，April.1997 Page(s)627-634.Tomohisa Mizumo.Electron Devices，IEEE Transactionson，Volume47 Issue4，April.2000 Page(s)756-761.)。
在柵工程中，人們也提出了許多新的柵結構器件，如條紋柵結構、異質(zhì)柵結構等。一種條紋柵結構器件，在多晶硅柵電極中插入一薄層金屬，改變插入的金屬層的厚度可以靈活控制器件的閾值電壓，從而無需對溝道摻雜進行調(diào)整，可以采用本征體區(qū)。由于減小了垂直方向電場，使器件的漏端電流和工作速度都得到了提高(R.Koh.1999International Conference on Solid State Devices and Materials，Tokyo，Page(s)342-343.)；一種異質(zhì)柵場效應晶體管，采用兩種不同功函數(shù)的材料做柵電極，改變兩個柵電極長度的比值和兩種材料之間的功函數(shù)差來調(diào)整閾值電壓，同時獲得源端載流子速度過沖以及溝道電勢屏蔽效應，從而一方面有效地解決了載流子傳輸效率問題，另一方面也較好地抑制了器件的短溝道效應以及DIBL效應(Xing Zhou.Electron Devices，IEEETransactions on，Volume47，January 2000 Page(s))。
但是上述LDD結構增加了器件源漏區(qū)的串聯(lián)電阻，會使器件的驅動電流降低；Pocket結構中，當Pocket的注入劑量/能量增加時，器件的閾值電壓升高，也使器件的飽和驅動電流降低，這都影響了器件的工作速度。而條紋柵結構和異質(zhì)柵結構器件，在器件的特征尺寸進入到深亞微米以后，隨著細線條越來越難制備，這種復雜的柵結構也更難實現(xiàn)，不利于小尺寸器件的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非對稱柵場效應晶體管，它可以形成很好的溝道電場分布和電子速度分布，抑制器件的短溝道效應，同時提高溝道內(nèi)載流子的速度，提高器件的驅動電流、跨導及截止頻率，且利于小尺寸器件的制作。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種非對稱柵場效應晶體管，包括柵氧化層、源端、漏端和襯底在內(nèi)的場效應晶體管本體，在所述襯底的兩端置有所述源端和漏端，在所述源端和漏端之間的襯底上置有所述柵氧化層，所述柵氧化層分為兩部分，一部分靠近源端，一部分靠近漏端，靠近源端部分的柵氧化層厚度大于靠近漏端的柵氧化層厚度。
依上述方案制造出的是非對稱的柵氧場效應晶體管。
所述非對稱柵場效應晶體管襯底摻雜濃度Np-＝5×1016cm-3，源、漏區(qū)N+摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3、源端和襯底的電壓Vs＝Vsub＝0V。
所述靠近源端的柵氧化層厚度和靠近漏端的柵氧化層厚度之比為tox1/tox2＝2∶1。其中優(yōu)選的是靠近源端的柵氧厚度tox1＝20nm，靠近漏端的柵氧厚度tox2＝10nm；或者是靠近源端的柵氧厚度tox1＝4nm，靠近漏端的柵氧厚度tox2＝2nm。
本發(fā)明所提供的非對稱柵氧場效應晶體管與常規(guī)場效應晶體管相比，具有如下優(yōu)點1)具有穩(wěn)定的源端電勢，受漏端電勢波動的影響較??；2)減小了因短溝道效應和DIBL效應引起的閾值電壓漂移；3)提高溝道電場強度，降低了器件的漏端電場，抑制了熱載流子效應；
4)提高溝道平均電子速度，解決了溝道載流子輸運的瓶頸問題；5)提高驅動電流，增加器件的驅動能力；6)特征尺寸縮小以后，仍然可以有效地抑制器件的DIBI效應，改善器件的短溝道特性，是深亞微米器件的一個很好選擇。


圖1為本發(fā)明場效應晶體管結構示意2(a)為常規(guī)結構器件在不同漏壓下的溝道電勢分布示意圖2(b)為非對稱柵氧結構器件在不同漏壓下的溝道電勢分布示意3(a)為常規(guī)結構與非對稱柵氧結構器件的由短溝道效應引起的閾值電壓漂移對比3(b)為常規(guī)結構與非對稱柵氧結構器件的由DIBL效應引起的閾值電壓漂移對比4(a)為非對稱柵氧結構器件的溝道電場分布4(b)為常規(guī)結構器件的溝道電場分布5(a)為非對稱柵氧結構器件的溝道電子速度分布5(b)為常規(guī)結構器件的溝道電子速度分布6為非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的輸入輸出特性對比7為溝道長度為100nm的非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的轉移特性對比圖具體實施方式
為了說明本發(fā)明提供的非對稱柵場效應晶體管的性能，用二維器件模擬軟件DESSIS ISE(6.0版本)對非對稱柵場效應晶體管的特性進行模擬分析。并且同時與常規(guī)結構(即柵氧化層沒有變化)場效應晶體管的特性進行對比。本發(fā)明非對稱柵氧場效應晶體管的結構如圖1所示，包括具有柵氧化層1、源端2、漏端3及襯底4在內(nèi)的場效應晶體管本體，柵氧化層1分為靠近源端11與靠近漏端12兩部分，靠近源端部分的柵氧化層11厚度比靠近漏端的柵氧化層12厚度大很多?？拷炊说臇叛趸瘜雍穸群涂拷┒说臇叛趸瘜雍穸戎葹閠ox1/tox2＝2∶1。
具體實施例中器件的參數(shù)為襯底摻雜濃度Np-＝5×1016cm-3、源、漏區(qū)N+摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3、源端和襯底的電壓Vs＝Vsub＝OV；非對稱柵氧結構中，靠近源端的柵氧厚度tox1＝20nm、長度Ls，靠近漏端的柵氧厚度tox2＝10nm，長度Ld；常規(guī)結構中，柵氧化層的厚度tox＝20nm。通過改變器件的漏端電壓Vds、源端柵氧長度Ls和漏端柵氧長度Ld來得到器件的特性。模擬中采用流體動力學和量子效應模型；復合模型采用了SRH、Auger、Band2band和Avalanche模型；遷移率模型采用了dopingDependence、High field saturation、Enormal和PhuMob模型。
實施例1常規(guī)結構器件與非對稱柵氧場器件在不同漏端電壓下的溝道電勢分布比較使柵電壓Vgs＝源電壓Vs＝0V，漏端電壓以1V為步長，由0V變化到5V，得到常規(guī)結構器件與非對稱柵氧場器件在不同漏端電壓下的溝道電勢分布情況，如圖2(a)、(b)所示。圖中橫坐標從左至右是器件從源到漏的方向。
從圖2(b)可以看出，本發(fā)明結構通過非對稱柵氧設計，在溝道內(nèi)造成了一個臺階電勢分布，使得當漏端電勢發(fā)生變化時，大部分漏壓降落在tox2區(qū)域的下方溝道內(nèi)，源端溝道電勢被鉗位在一個固定值，從而源端電勢不再受漏端電勢波動的影響，漏電壓被屏蔽在柵氧化層tox2之下，使得短溝引起的閾值電壓漂移以及漏致感應勢壘降低(DIBL)效應被有效地抑制。相比之下，常規(guī)結構源端的勢壘當溝道變得越來越小時，對漏端電勢有很大的敏感性，并且隨著漏電壓的增加而勢壘降低，如圖2(a)所示。
實施例2常規(guī)結構與非對稱柵氧結構器件由短溝效應和DIBL效應引起的閾值電壓漂移對比圖3(a)(b)分別給出了非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的由短溝道效應和DIBL效應引起的閾值電壓漂移。其中，兩種結構器件的溝道長度為源端柵氧沿溝道方向的長度和漏端柵氧沿溝道方向的長度之和(即L＝Ls+Ld)。
圖3(a)是固定了Ls＝0.5μm，變化Ld，得到不同的溝道長度，從而得到器件在不同溝道長度下的閾值電壓漂移(即VT-rolloff＝VT-L＝0.9μm-VT-L；閾值電壓定義為當漏電流IDS＝1×10-7×(W/L)A/μm時所對應的柵壓)?？梢钥闯?，當漏端柵氧的長度由0.4μm變化到0.1μm時，非對稱柵氧結構器件的閾值電壓漂移比常規(guī)結構的閾值電壓漂移減小了30多毫伏，明顯改善了器件的短溝道效應。
圖3(b)則是固定溝道長度L＝1μm，變化漏端電壓Vds，從而得到器件在不同漏壓下的閾值電壓漂移(即VT-rolloff＝VT-Vds＝0.5V-VT-Vds)。由圖3(b)可知，當漏端電壓Vds由0.5V變化到3.5V時，非對稱柵氧結構器件的閾值電壓漂移僅有微小變化，而常規(guī)結構器件的閾值電壓漂移卻有較大的變化。這是由于非對稱柵氧結構的溝道電勢臺階屏蔽效應，使得非對稱柵氧結構器件可以有效地抑制器件的DIBL效應。
實施例3常規(guī)結構與非對稱柵氧結構器件的溝道電場分布4(a)(b)分別給出了非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的溝道電場分布圖。由圖可以看出，一方面由于非對稱柵氧結構溝道電場的臺階效應，引起了其沿溝道方向電場分布的變化。常規(guī)結構器件在溝道內(nèi)的平均電場強度為1.8×104V/cm；而非對稱柵氧結構器件的平均電場強度為1.4×105V/cm，即非對稱柵氧結構可以使器件的溝道電場整體提高約7倍左右，這就使得其載流子的平均速度有望得到大大提高。另一方面，常規(guī)結構器件在漏端有很強的電場，值約為2.0×105V/cm；而非對稱柵氧結構器件的漏端平均電場強度約為1.3×105V/cm，比常規(guī)結構器件減小了35％，大大降低了器件的漏端電場，削弱了漏端的碰撞離化現(xiàn)象，有效地抑制了器件的熱載流子效應。
實施例4常規(guī)結構與非對稱柵氧結構器件的溝道電子速度分布5(a)(b)給出了非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的溝道電子速度分布圖。其中，柵壓Vg＝0.1V，而漏壓以0.2V為步長，從0.1V變化到0.7V。
由圖5(a)，非對稱柵氧結構器件的獨特溝道電場分布使溝道內(nèi)的電子速度分布有兩個峰值，其中一個較高的峰靠近源端，造成了器件在源端的速度過沖效應，大大提高了載流子在源端的速度，解決了溝道載流子輸運的瓶頸問題。
由圖5(b)可知，常規(guī)結構器件的電子以一個非常低的初速度進入溝道，在向漏端運動的過程中慢慢加速，在漏端達到電子的最大漂移速度(也即電子速度分布僅有一個峰值)，因此電子在漏端運動很快，而在源端速度較低。又由于器件的輸運效率主要與溝道中電子的平均輸運速度密切相關，所以常規(guī)結構器件由于源端載流子的速度較低，導致器件在溝道中的平均速度也遠遠低于非對稱柵氧結構器件。
由此，可以看出，非對稱柵氧結構器件的輸運效率大大提高。
實施例5非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的輸入輸出特性對比圖6給出了非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的輸入輸出曲線。其中，非對稱柵氧結構器件的溝道長度L＝Ls+Ld＝0.5μm+0.5μm＝1μm，常規(guī)器件的溝道長L＝1μm。由于非對稱柵氧結構器件的溝道電場的臺階分布及溝道內(nèi)的載流子速度過沖效應，使得在相同條件下，與常規(guī)結構器件相比，非對稱柵氧結構器件的驅動電流大大提高。當Vg＝1.0V時，非對稱柵氧結構器件的飽和驅動電流是常規(guī)結構的1.6倍?？梢钥闯?，非對稱柵氧結構器件可以增加器件的驅動能力。
實施例6溝道長度為100nm的非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的轉移特性對比為了考察非對稱柵氧結構器件在器件的特征尺寸進入到亞微米以后的器件的性能，選取了一組結構參數(shù)進行了ISE模擬。取Ls＝Ld＝50nm，溝道長度L＝100nm、襯底摻雜濃度Np-＝1×1018cm-3、源、漏區(qū)N+摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3，對于非對稱柵場效應晶體管，靠近源端的柵氧厚度tox1＝4nm，靠近漏端的柵氧厚度tox2＝2nm對于常規(guī)結構器件，柵氧化層的厚度tox＝4nm。
圖7給出了非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的轉移特性?？梢钥闯?，當漏壓Vds＝0.1V時，非對稱柵氧結構和常規(guī)結構器件的亞閾值斜率分別為81mV/dec，88mV/dec；當Vds＝2.0V時，兩種結構器件的亞閾值斜率分別為62mV/dec和66mV/dec。這說明非對稱柵氧結構器件保持了較好的亞閾特性。又由圖7可知，常規(guī)結構器件的由DIBL效應引起的閾值電壓漂移為114mV，而非對稱柵氧結構的為60mV，即采用非對稱柵氧結構可以使器件的閾值電壓漂移減小將近1倍左右。這就足以說明當器件的特征尺寸縮小以后，非對稱柵氧結構器件仍然可以有效地抑制器件的DIBL效應，改善器件的短溝道特性，為深亞微米器件的一個很好選擇。
權利要求
1.一種非對稱柵場效應晶體管，包括柵氧化層、源端、漏端和襯底在內(nèi)的場效應晶體管本體，在所述襯底的兩端置有所述源端和漏端，在所述源端和漏端之間的襯底上置有所述柵氧化層，其特征在于所述柵氧化層分為兩部分，一部分靠近源端，一部分靠近漏端，靠近源端部分的柵氧化層厚度大于靠近漏端的柵氧化層厚度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種非對稱柵場效應晶體管，其特征在于所述非對稱柵場效應晶體管襯底摻雜濃度Np-＝5×1016cm-3，源、漏區(qū)N+摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3、源端和襯底的電壓Vs＝Vsub＝0V。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種非對稱柵場效應晶體管，其特征在于所述靠近源端的柵氧化層厚度和靠近漏端的柵氧化層厚度之比為tox1/tox2＝2∶1。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種非對稱柵場效應晶體管，其特征在于所述靠近源端的柵氧厚度tox1＝20nm，靠近漏端的柵氧厚度tox2＝10nm。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種非對稱柵場效應晶體管，其特征在于所述靠近源端的柵氧厚度tox1＝4nm，靠近漏端的柵氧厚度tox2＝2nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非對稱柵場效應晶體管，目的是提供一種非對稱柵場效應晶體管，它可以形成很好的溝道電場分布和電子速度分布，抑制器件的短溝效應、同時提高溝道內(nèi)載流子的速度，提高器件的驅動電流、跨導及截止頻率，且利于小尺寸器件的制作。本發(fā)明的技術方案是一種非對稱柵場效應晶體管，包括柵氧化層、源端、漏端和襯底在內(nèi)的場效應晶體管本體，在襯底的兩端置有所述源端和漏端，在源端和漏端之間的襯底上置有柵氧化層，柵氧化層分為兩部分，一部分靠近源端，一部分靠近漏端，靠近源端部分的柵氧化層厚度大于靠近漏端的柵氧化層厚度。本發(fā)明非對稱柵場效應晶體管在特征尺寸縮小以后，仍然可以有效地抑制器件的DIBL效應，改善器件的短溝道特性，是深亞微米器件的一個很好選擇。
文檔編號H01L29/66GK1523674SQ0310466
公開日2004年8月25日 申請日期2003年2月20日 優(yōu)先權日2003年2月20日
發(fā)明者楊勝齊, 何進, 黃如, 王文平, 張興, 王陽元 申請人:北京大學