專利名稱：具有石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管技 術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種具有石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
隨著互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)尺寸縮小日益達(dá)到技術(shù)的極限，需要新的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升芯片的性能。隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管利用隧穿效應(yīng)進(jìn)行電荷的傳輸，可以突破傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的亞閾值斜率(SS)的極限60meV/deCade。除此之外，隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管還具有低的驅(qū)動(dòng)電壓、高的開關(guān)比等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代半導(dǎo)體器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者[I]。隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般采取非対稱摻雜的技術(shù)，在源區(qū)和漏區(qū)分別進(jìn)行空穴(P)摻雜和電子(η)摻雜，溝道中采用本征材料，進(jìn)而形成p-i-n結(jié)。由于這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)電壓下，P區(qū)的價(jià)帶頂能量會(huì)大于η區(qū)導(dǎo)帶底的能量，從而P區(qū)的空穴可以隧穿到η區(qū)，通過柵電壓的調(diào)制可以控制隧穿電流的大小。目前已經(jīng)制備出利用硅、鍺和III-V族材料作為溝道材料的隧穿超效應(yīng)晶體管[2-6]。隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比于傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有小的漏電流和較小的亞閾值斜率等優(yōu)點(diǎn)，但是其開態(tài)電流相比于金屬絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管要小。針對(duì)這ー問題，需要通過采用新的材料和新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能。上面提到的參考文獻(xiàn)如下I、A. Μ. Ionescu and H. Riel, “Tunnel field-effect transistors as energyefficient electronic switches, ”Nature，vol. 479，no. 7373，pp. 329-337，Nov. 2011.2、Appenzeller，J.，Lin，Y.-M.，Knoch J. & Avouris, P. Band-to-band tunnelingin carbon nanotube field-effect transistors. Phys. Rev. Lett. 93,196805(2004).3、Krishnamohan，T.，Kim, D.，Raghunathan, S. & Saraswat, K. Double-gatestrained-Ge heterostructure tunneling FET(TFET)with record high drive currentsand く 60 mV/dec subthreshold slope. Tech. Digest IEEE Int. Electron DevicesMeet.947-949 (IEEE，2008).4、Mayer，F(xiàn). et al. Impact of SOI, Sil-xGexOI and GeOI substrates onCMOS compatible tunnel FET performance. Tech. Digest IEEE Int. Electron DevicesMeet.163-166 (IEEE，2008).5、Hu，C.et al. Prospect of tunneling green transistor for 0. 1VCM0S. IEEEInt. Electron Devices Meet. 16. I. 1-16. I. 4 (IEEE，2010) ·6、Moselund，K. E. et al. Comparison of VLS grown Si Nff tunnel FETs withdifferent gate stacks. Proc. Eur. Solid State Device Res. Conf. 448-451 (IEEE,2009).

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何在保持隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管較小漏電流的同時(shí)增大開態(tài)電流，并進(jìn)一歩減小亞閾值斜率。(ニ)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供ー種具有石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)，所述源區(qū)和漏區(qū)分別形成于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，所述溝道區(qū)的材料為石墨烯納米帶，所述源區(qū)的材料為P型摻雜的石墨烯納米帶，所述漏區(qū)的材料為η型摻雜的石墨烯納米帯，且所述源區(qū)的石墨烯納米帶的寬度大于所述溝道區(qū)、漏區(qū)的石墨烯納米帶的寬度。優(yōu)選地，所述溝道區(qū)和漏區(qū)的石墨烯納米帶的寬度相等。優(yōu)選地，還包括襯底區(qū)，所述源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)均形成于所述襯底區(qū)上方。優(yōu)選地，還包括形成于所述溝道區(qū)上方的柵疊層區(qū)。 優(yōu)選地，還包括形成于所述柵疊層區(qū)上方的柵電極、形成于所述源區(qū)上方的源電扱，以及形成于所述漏區(qū)上方的漏電極。優(yōu)選地，所述柵疊層區(qū)包括位于上部的柵導(dǎo)電層和位于下部的柵絕緣層。 優(yōu)選地，所述源電極與柵電極之間，所述柵電極與漏電極之間均具有絕緣層。優(yōu)選地，所述柵電極、源電極和漏電極的材料均為金屬。(三)有益效果上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)利用石墨烯納米帶形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在保持隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管較小漏電流的同時(shí)增大開態(tài)電流，并進(jìn)一歩減小亞閾值斜率。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管中石墨烯納米帶所形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I :源區(qū)；2 :溝道區(qū)；3 :漏區(qū)；4 :襯底區(qū)；5 :棚置層區(qū)；501 :棚導(dǎo)電層；502 柵絕緣層；6 :柵電極；7 :源電極；8 :漏電極；9 :絕緣層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施例提供ー種具有石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括源區(qū)I、溝道區(qū)2和漏區(qū)3，所述源區(qū)I和漏區(qū)3分別形成于所述溝道區(qū)2的兩側(cè)，所述溝道區(qū)2的材料為石墨烯納米帶，所述源區(qū)I的材料為P型摻雜的石墨烯納米帶，所述漏區(qū)3的材料為η型摻雜的石墨烯納米帯，且所述源區(qū)I的石墨烯納米帶的寬度大于所述溝道區(qū)2和漏區(qū)3的石墨烯納米帶的寬度(如圖2所示)。所述溝道區(qū)I和漏區(qū)3的石墨烯納米帶的寬度可以相等。其中，源區(qū)和漏區(qū)使用不同的摻雜可以使電流從源區(qū)隧穿到漏區(qū)。還包括襯底區(qū)4、形成于所述溝道區(qū)2上方的柵疊層區(qū)5，形成于所述柵疊層區(qū)5上方的柵電極6、形成于所述源區(qū)I上方的源電極7，以及形成于所述漏區(qū)3上方的漏電極8，所述源區(qū)I、溝道區(qū)2和漏區(qū)3均形成于所述襯底區(qū)4上方。所述柵疊層區(qū)5包括位于上部的柵導(dǎo)電層501和位于下部的柵絕緣層502。所述源電極7與柵電極6之間，所述柵電極6與漏電極8之間均具有絕緣層9。所述柵電極6、源電極7和漏電極8的材料均為金屬，如Pt、W、Ti、Ta、Cu等。絕緣層9可以采用介電常數(shù)較高的氧化物，如SiO2、HfO2等氧化物。由于隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開態(tài)電流、關(guān)態(tài)電流由隧穿勢(shì)壘決定，但開態(tài)和關(guān)態(tài)所面對(duì)的勢(shì)壘是不同的，開態(tài)時(shí)，隧穿電流主要由源區(qū)和溝道區(qū)的界面處的勢(shì)壘決定，而關(guān)態(tài)電流由整個(gè)溝道區(qū)的勢(shì)壘決定。因此，可以通過 保持較高的整個(gè)溝道區(qū)的勢(shì)壘以保持較低的關(guān)態(tài)電流，同時(shí)通過縮小源區(qū)和溝道區(qū)界面處的勢(shì)壘來提高開態(tài)電流。利用這一原理設(shè)計(jì)了本發(fā)明的由石墨烯納米帶形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于石墨烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)和其寬度相關(guān)，納米帶越寬，帶隙越小，因此在源區(qū)采用比溝道區(qū)、漏區(qū)寬度大的石墨烯納米帶，這種結(jié)構(gòu)使源區(qū)具有小的能帶，而溝道區(qū)和漏區(qū)具有較大的能帶，這樣就可以在源區(qū)和溝道區(qū)的界面處形成小的隧穿勢(shì)壘，同時(shí)又能保證整個(gè)溝道區(qū)有較大的隧穿勢(shì)壘。由以上分析可以看出，由于提高了開態(tài)電流，降低了關(guān)態(tài)電流，因此，與傳統(tǒng)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，本發(fā)明在沒有提高漏電流(由于采用納米帶)的情況下提高了開態(tài)/關(guān)態(tài)電流比，而由于本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在源區(qū)和溝道接觸處的勢(shì)壘在亞閾值區(qū)會(huì)隨著柵壓的增大而變小，從而可以實(shí)現(xiàn)亞閾值斜率的減小。本發(fā)明適用于超低工作電壓、超低功耗的電路。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明利用石墨烯納米帶形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在保持隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管較小漏電流的同時(shí)增大開態(tài)電流，并進(jìn)一歩減小亞閾值斜率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.ー種具有石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，包括源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)，所述源區(qū)和漏區(qū)分別形成于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，所述溝道區(qū)的材料為石墨烯納米帶，所述源區(qū)的材料為P型摻雜的石墨烯納米帶，所述漏區(qū)的材料為η型摻雜的石墨烯納米帯，且所述源區(qū)的石墨烯納米帶的寬度大于所述溝道區(qū)、漏區(qū)的石墨烯納米帶的寬度。
2.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道區(qū)和漏區(qū)的石墨烯納米帶的寬度相等。
3.如權(quán)利要求I所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，還包括襯底區(qū)，所述源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)均形成于所述襯底區(qū)上方。
4.如權(quán)利要求I或2或3所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，還包括形成于所述溝道區(qū)上方的柵疊層區(qū)。
5.如權(quán)利要求4所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在干，還包括形成于所述柵疊層區(qū)上方的柵電極、形成于所述源區(qū)上方的源電極，以及形成于所述漏區(qū)上方的漏電極。
6.如權(quán)利要求4所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在干，所述柵疊層區(qū)包括位于上部的柵導(dǎo)電層和位于下部的柵絕緣層。
7.如權(quán)利要求5所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源電極與柵電極之間，所述柵電極與漏電極之間均具有絕緣層。
8.如權(quán)利要求5所述的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵電極、源電極和漏電極的材料均為金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種具有石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)，所述源區(qū)和漏區(qū)分別形成于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，所述溝道區(qū)的材料為石墨烯納米帶，所述源區(qū)的材料為p型摻雜的石墨烯納米帶，所述漏區(qū)的材料為n型摻雜的石墨烯納米帶，且所述源區(qū)的石墨烯納米帶的寬度大于所述溝道區(qū)、漏區(qū)的石墨烯納米帶的寬度。本發(fā)明利用石墨烯納米帶形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在保持隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管較小漏電流的同時(shí)增大開態(tài)電流，并進(jìn)一步減小亞閾值斜率。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102694030SQ201210180199
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者劉曉彥, 劉飛, 杜剛, 王漪 申請(qǐng)人:北京大學(xué)