專利名稱：一種獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路用器件，特別是涉及一種獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)
晶體管。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)一直按照摩爾定律在飛速發(fā)展，集成電路用的晶體管尺寸不斷減小。 受制于短溝道效應(yīng)和柵極漏電流的限制，傳統(tǒng)的平面體硅技術(shù)在32nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下將遭 遇理論的極限。新結(jié)構(gòu)器件不斷涌現(xiàn)，包括了絕緣體上硅、雙柵、三柵、環(huán)柵等眾多非平面工 藝器件。其中環(huán)柵器件因?yàn)闁诺娜鼑Y(jié)構(gòu)而能提供最強(qiáng)的柵控制能力、最小的短溝道效 應(yīng)以及高開關(guān)電流比等優(yōu)良特性，被認(rèn)為很有可能在未來CMOS技術(shù)中應(yīng)用。在體硅器件中，通過襯底的偏置可以改變器件的閾值電壓。對(duì)雙柵器件，可以通過 獨(dú)立柵的操作，比如通過調(diào)節(jié)背柵偏置電壓從而對(duì)前柵的閾值電壓進(jìn)行控制。獨(dú)立柵控制 的器件因?yàn)榭梢酝ㄟ^外加偏置信號(hào)改變閾值電壓，在功耗管理領(lǐng)域比如低功耗的存儲(chǔ)器電 路中有重要應(yīng)用。環(huán)柵器件因?yàn)闁诺娜鼑Y(jié)構(gòu)，不能從襯底引出電極，而且柵極在電學(xué)上 是連通的，一般不認(rèn)為能進(jìn)行獨(dú)立柵操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的目的是提供一種獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是由外柵電極、內(nèi) 柵電極、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)和內(nèi)外柵介質(zhì)層組成；其中，所述內(nèi)柵電極位于所述納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的中心；所述溝道區(qū)通過內(nèi)柵 介質(zhì)層隔離，并同軸全包圍所述內(nèi)柵電極；所述外柵電極與所述溝道區(qū)通過外柵介質(zhì)隔離， 并同軸全包圍所述溝道區(qū)；所述源區(qū)和漏區(qū)分別位于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，并同軸全包圍所 述內(nèi)柵介質(zhì)區(qū)。源漏區(qū)的厚度可等于溝道區(qū)厚度，也可設(shè)計(jì)為在靠近溝道區(qū)的部分等同于 溝道區(qū)厚度，遠(yuǎn)離溝道區(qū)的厚度增大，即抬升了源漏區(qū)。上述獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道區(qū)為不摻雜或輕摻雜的半導(dǎo)體材料， 如硼摻雜濃度為IX IO11CnT3的硅材料。源區(qū)和漏區(qū)為重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，如磷的摻雜濃 度為lX102°cm_3的硅材料。內(nèi)柵電極和外柵電極的材料和功函數(shù)可調(diào)。內(nèi)柵電極的直徑可 調(diào)，一般控制在十個(gè)納米以上。內(nèi)柵介質(zhì)材料和厚度可調(diào)，如采用氧化硅材料，厚度保持為 1.5到2納米。溝道區(qū)半導(dǎo)體材料厚度可以根據(jù)器件的溝道長度調(diào)節(jié)。外柵介質(zhì)材料和厚 度可調(diào)，如采用厚度為1.5到2納米的氧化硅材料。外柵電極的厚度可調(diào)，一般也控制在十 個(gè)納米以上。本發(fā)明提供的獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有兩個(gè)電學(xué)上不連通的柵電 極內(nèi)柵電極和外柵電極。與常規(guī)的環(huán)柵器件相比，該結(jié)構(gòu)器件允許在內(nèi)柵電極和外柵電極 上施加不同的工作電壓，從而可以使器件工作在獨(dú)立柵控的條件下，為器件的電路應(yīng)用提 供方便。當(dāng)該獨(dú)立柵控的納米線器件工作在獨(dú)立柵條件下時(shí)，不改變器件摻雜和尺寸參數(shù)，改變內(nèi)柵電極的偏壓將改變器件的電流電壓特性。比如降低內(nèi)柵電極的電壓將提高外柵的 閾值電壓，降低整個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)電流。這個(gè)結(jié)果為低功耗的電路設(shè)計(jì)如存儲(chǔ)器單元電路設(shè) 計(jì)提供一種選擇方案。當(dāng)該獨(dú)立柵控制的納米線器件工作在共柵條件下時(shí)，與具有相同溝 道半徑的常規(guī)環(huán)柵納米線器件相比，能有效地降低關(guān)態(tài)電流，提高開態(tài)電流，提高器件的電 流開關(guān)比。與具有相同硅膜厚度的雙柵器件相比，在相同的漏電流條件下該獨(dú)立柵控制的 納米線器件可以在一定程度上提高開態(tài)電流，使得驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。本發(fā)明為允許獨(dú)立柵控 制的納米線器件性能優(yōu)化、電路應(yīng)用等提供了 一個(gè)備選方案。


圖1為本發(fā)明提供的獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的截面示意圖。圖2為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管內(nèi)柵電極對(duì)器件電流特性的影響。圖3為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管外柵閾值電壓受內(nèi)柵電極的調(diào)節(jié)關(guān)系。圖4為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管亞閾值斜率受內(nèi)柵電極的調(diào)節(jié)關(guān)系。圖5為提出的納米線晶體管在共柵操作下與常規(guī)納米線晶體管電流特性比較。圖6為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管與雙柵器件相比在考慮遷移率退化因素條件 下的電流特性比較。圖7為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管與雙柵器件相比在無遷移率退化因素條件下 的電流特性比較。圖8為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管在共柵操作下閾值電壓隨溝道長度的漂移關(guān)系。圖9為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管在共柵操作下漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)隨溝道長度 的變化關(guān)系。圖10為獨(dú)立柵控制的納米線晶體管在共柵操作下亞閾值斜率隨溝道長度的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由內(nèi)柵 電極1，外柵電極2，內(nèi)柵介質(zhì)區(qū)3，外柵介質(zhì)區(qū)4，溝道區(qū)5，源區(qū)6和漏區(qū)7組成。整個(gè)器件 結(jié)構(gòu)各區(qū)共軸。外柵電極全包圍器件的溝道區(qū)。內(nèi)柵電極通過源漏區(qū)引出。該晶體管按照現(xiàn)有方法進(jìn)行制備，制備流程簡(jiǎn)述如下1)在硅圓片上用圓形氮化硅硬掩模，SF6刻蝕出多晶硅硅柱；高溫1150°C氧化、HF 水溶液(HF與水的體積比為1 25)腐蝕縮小硅柱尺寸；高溫氧化形成設(shè)定厚度的內(nèi)柵介 質(zhì)包圍多晶硅柱的結(jié)構(gòu)；2)外延工藝制作溝道結(jié)構(gòu)，高溫1150°C氧化、HF水溶液(HF與水的體積比為 1 25)腐蝕減小溝道區(qū)厚度達(dá)到設(shè)定值；熱生長外柵介質(zhì)氧化層；3)完成外柵結(jié)構(gòu)的制備；大角度注入磷(lX1015Cm_7l0keV)并退火 (IOOO0C /10s)，制備源漏區(qū)；4)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完成金屬電極制備。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1、獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其性能檢測(cè)該獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，內(nèi)柵電極1和外柵 電極2材料的功函數(shù)設(shè)為4. 61電子伏；內(nèi)柵介質(zhì)3和外柵介質(zhì)4為厚度1. 5納米的氧化硅 層，溝道區(qū)5為硼摻雜濃度IXlO11cnT3的硅材料，厚度為10納米；源區(qū)6和漏區(qū)7是磷摻 雜濃度為lX102°cm_3的硅材料；內(nèi)柵半徑為10納米。器件的源區(qū)和漏區(qū)的長度均為50納 米。源漏區(qū)厚度等于溝道區(qū)厚度并包圍內(nèi)柵電極。對(duì)100納米柵長的獨(dú)立柵控制的納米線器件在獨(dú)立柵控制和共柵控制下進(jìn)行對(duì) 比，所得如圖2-7所示。首先在不同內(nèi)柵電極偏置的條件下得到的電流電壓關(guān)系如圖1所示。由該圖可 知，增大內(nèi)柵電極的偏置電壓會(huì)降低外柵的閾值電壓，使器件的關(guān)態(tài)電流和開態(tài)電流同時(shí) 增大，而關(guān)態(tài)電流的變化幅度更大，器件的亞閾值斜率發(fā)生退化。降低內(nèi)柵電極的偏置電壓 甚至使內(nèi)柵電極偏置在負(fù)壓的條件下，可以提高外柵的閾值電壓，在降低關(guān)態(tài)電流的同時(shí) 也降低了開態(tài)電流。比如內(nèi)柵電極的偏置電壓從0. 6V降低到-IV，器件關(guān)態(tài)電流改變了 8 個(gè)數(shù)量級(jí)，開態(tài)電流改變了 15倍。提取獨(dú)立柵器件操作在各個(gè)內(nèi)柵偏置電壓下外柵的閾值電壓并繪于圖2?？梢愿?明顯地看到，內(nèi)柵偏置電壓偏置電壓從0. 7V降低到-2V，外柵的閾值電壓從接近OV提高到 0. 8V。閾值電壓的改變很明顯。圖中的直線與閾值電壓隨內(nèi)柵電極電壓變化曲線平行，斜率 為0. 24。這個(gè)斜率反映了內(nèi)柵電壓對(duì)閾值電壓變化的調(diào)節(jié)靈敏度，也是內(nèi)外柵電極耦合強(qiáng) 度的一個(gè)直觀體現(xiàn)。Dupre的文章中給出的獨(dú)立柵控制的納米線器件的這個(gè)斜率為0. 15， 而與之比較的雙柵器件的這個(gè)斜率為0. 2。我們提出的獨(dú)立柵控制的納米線器件的這個(gè)因 子高于上述兩種結(jié)構(gòu)。提取獨(dú)立柵器件操作在各個(gè)內(nèi)柵偏置電壓下外柵的亞閾值斜率并繪于圖3。由圖 3可以看出，正的內(nèi)柵偏置電壓會(huì)使器件的開關(guān)特性退化，器件的亞閾值斜率很快的升高。 而降低內(nèi)柵偏置電壓開始會(huì)改善器件的開關(guān)特性，但是進(jìn)一步降低內(nèi)柵偏置電壓卻會(huì)使亞 閾值斜率略微升高，最后基本維持在84左右。這個(gè)結(jié)果與Dupre得到的82相似。因此應(yīng) 用獨(dú)立柵納米線器件到電路中將涉及到一個(gè)優(yōu)化選擇內(nèi)柵偏置的問題。圖5比較了獨(dú)立柵控制的納米線器件與常規(guī)的納米環(huán)柵器件在相同溝道直徑下 的電流電壓特性。從圖5可知，內(nèi)柵的引入增強(qiáng)了柵電極對(duì)溝道的控制能力，使得器件的關(guān) 態(tài)電流降低。同時(shí)，當(dāng)器件工作在強(qiáng)反型時(shí)，內(nèi)柵的引入又使得溝道中實(shí)際上存在兩個(gè)導(dǎo)電 層，獨(dú)立柵控制納米線的驅(qū)動(dòng)電流基本保持在常規(guī)納米環(huán)柵器件的2倍左右?？梢姫?dú)立柵 納米線器件在環(huán)柵器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善了開關(guān)特性。獨(dú)立柵控制的納米線器件相當(dāng)于寬度方向卷曲的雙柵器件。圖6繪出與具有等效 溝道寬度的雙柵器件相比的電流電壓特性。由圖6可知，兩種器件的關(guān)態(tài)電流相似，但是獨(dú) 立柵控制納米線器件給出了更高的開態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，該實(shí)施例制備所得器件的驅(qū)動(dòng)電流增大 了 2倍多?？烧J(rèn)為這種增強(qiáng)得益于獨(dú)立柵控制納米線器件溝道內(nèi)垂直溝道方向電場(chǎng)要低，從 而使得載流子遷移率退化比雙柵器件降低。圖7給出了不考慮載流子遷移率退化條件下兩 種器件的電流測(cè)定結(jié)果。首先兩者的轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合，說明遷移率不同程度的蛻化 是導(dǎo)致獨(dú)立柵控制納米線器件比雙柵器件驅(qū)動(dòng)電流高的原因。對(duì)獨(dú)立柵納米線，遷移率的退化導(dǎo)致電流減小約為原來的1/3 ；而對(duì)雙柵器件，這個(gè)因子大約為1/7。遷移率退化在雙 柵器件中更加明顯。基于上述結(jié)果，獨(dú)立柵控制的納米線晶體管取得了最大的柵控制能力，得到的器 件性能優(yōu)于納米環(huán)柵器件和雙柵器件，在器件尺寸縮小到32nm及其以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)后有發(fā) 揮應(yīng)用的潛力。該器件工作于共柵條件下隨溝道長度縮小的器件特性在圖8-10中給出。圖8繪制了該納米線器件的閾值電壓隨溝道長度的漂移關(guān)系圖。在器件溝道長度 從100納米縮小到20納米后閾值電壓的漂移量為0. 136V。圖9繪制了漏致勢(shì)壘降低因子 隨溝道長度的變化關(guān)系圖。在溝道長度達(dá)到20納米后，這個(gè)因子升高到約180mV。圖10給 出亞閾值斜率隨溝道長度的變化。20納米柵長器件給出的亞閾值斜率約為90mV/dec。即在 閾值電壓漂移0. 14V，漏致勢(shì)壘降低因子180mV，亞閾值斜率90mV/dec的器件設(shè)計(jì)窗口內(nèi)， 獨(dú)立柵控制的納米線器件可以用10納米的硅膜厚度推進(jìn)器件溝道長度縮小到20納米。本發(fā)明提供的獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以提供獨(dú)立柵的操作，從而為 納米線用于低功耗電路設(shè)計(jì)提供一種選擇方案。同時(shí)與傳統(tǒng)納米環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比， 獨(dú)立柵器件能在一定程度上降低器件關(guān)態(tài)電流，提高電流開關(guān)比。與雙柵器件相比，該獨(dú)立 柵器件因?yàn)槠洵h(huán)形的結(jié)構(gòu)使得器件內(nèi)部電場(chǎng)降低，器件受遷移率退化的影響更小，從而能 提供較高的驅(qū)動(dòng)電流。在一定的器件設(shè)計(jì)裕度要求下，該獨(dú)立柵控納米線晶體管器件用10 納米硅膜厚度可以將器件柵長縮小到20納米。
權(quán)利要求
一種獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是由外柵電極、內(nèi)柵電極、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)和內(nèi)外柵介質(zhì)層組成；其中，所述內(nèi)柵電極位于所述納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的中心；所述溝道區(qū)通過內(nèi)柵介質(zhì)層隔離，并同軸全包圍所述內(nèi)柵電極；所述外柵電極與所述溝道區(qū)通過外柵介質(zhì)隔離，并同軸全包圍所述溝道區(qū)；所述源區(qū)和漏區(qū)分別位于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，并同軸全包圍所述內(nèi)柵介質(zhì)區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于所述構(gòu)成溝道區(qū)的材料為不摻雜或摻 雜濃度為1 X IO11CnT3-I X IO15CnT3的半導(dǎo)體材料；所述構(gòu)成源區(qū)和漏區(qū)的材料為摻雜濃度為1 X 102°cm_3-2 X IO21CnT3的半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體管，其特征在于所述構(gòu)成溝道區(qū)的材料為硼摻雜濃度 為1 X IO11CnT3的硅材料；所述構(gòu)成源區(qū)和漏區(qū)的材料為磷摻雜濃度為lX102°cnT3的硅材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的晶體管，其特征在于所述內(nèi)柵電極的直徑為10-15 納米；所述內(nèi)柵介質(zhì)層的厚度為1. 5-2納米； 所述外柵電極的厚度為5-20納米； 所述外柵介質(zhì)層的厚度為1. 5-2納米； 所述溝道區(qū)的厚度為5-20納米。
全文摘要
本發(fā)明公開一種獨(dú)立柵控制的納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該晶體管是由內(nèi)柵電極、外柵電極，內(nèi)外柵介質(zhì)層，溝道區(qū)和源區(qū)、漏區(qū)組成；其中，內(nèi)柵電極位于整個(gè)器件結(jié)構(gòu)的中心；由內(nèi)向外內(nèi)柵介質(zhì)，溝道區(qū)，外柵介質(zhì)和外柵電極同軸的全包圍內(nèi)層區(qū)域。內(nèi)柵電極的引入可以使該納米線器件工作于獨(dú)立柵控的條件下，為低功耗電路設(shè)計(jì)提供一種選擇方案，而且閾值電壓受控制電極的調(diào)節(jié)靈敏度更大。當(dāng)該器件工作于共柵條件下時(shí)，器件的電學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)納米環(huán)柵器件和雙柵器件。用10納米的硅膜厚度，該獨(dú)立柵控納米線晶體管器件可以將柵長縮小到20納米。
文檔編號(hào)H01L29/423GK101944539SQ20091008921
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者何進(jìn), 張健, 張立寧 申請(qǐng)人:北京大學(xué)