隧道場效應晶體管及其形成方法
【專利摘要】一種隧穿場效應晶體管及其形成方法，所述隧穿場效應晶體管包括：半導體襯底，所述半導體襯底包括鰭部；柵極結構，所述柵極結構橫跨所述鰭部的中部；源極，所述源極橫跨所述鰭部的一端；漏極，位于所述鰭部的另一端；所述漏極的導電類型為第一導電類型，所述源極的導電類型為第二導電類型，所述第一導電類型和所述第二導電類型不同。本發明所提供隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積較大，隧穿場效應晶體管的工作電流較大，包括所提供隧穿場效應晶體管的器件的響應速度。
【專利說明】隧道場效應晶體管及其形成方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體制造【技術領域】，尤其涉及一種隧道場效應晶體管及其形成方法。

【背景技術】
[0002]金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor,簡稱為M0S)技術已經得到了廣泛的應用，例如互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,簡稱為CMOS)晶體管已成為半導體集成電路中的核心元件。為了使集成電路的性能和封裝密度不斷提高，以及使集成電路的成本不斷降低，CMOS晶體管的特征尺寸在不斷縮小。
[0003]然而，隨著CMOS晶體管的尺寸不斷縮小，CMOS晶體管的總功率消耗不斷增加。其原因有:一、短溝道效應越來越明顯(如漏電流增加)；二、難以使電源電壓隨著CMOS晶體管尺寸的減小而繼續減小。后者主要是由于典型的MOS晶體管的亞閾值擺幅(sub-thresholdswing)具有約為60毫伏/10X 10_6體積分數(mV/decade)的極限值,使得將晶體管由關狀態切換至開狀態需要一定的電壓改變，CMOS晶體管具有最小電源電壓。
[0004]由于隧穿場效應晶體管(TunnelingField-Effect Transistor,簡稱為 TFET)沒有短溝道效應的問題，且由于其亞閾值擺幅可小于60mV/decade，可使用更低的工作電壓，隧穿場效應晶體管被認為是CMOS晶體管的繼承者。但是，現有隧穿場效應晶體管的工作電流較低、驅動能力較差。
[0005]有鑒于此，實有必要提出一種隧穿場效應晶體管及其形成方法，提高隧穿場效應晶體管的工作電流，克服現有技術的缺陷。


【發明內容】

[0006]本發明解決的問題是提供一種隧穿場效應晶體管及其形成方法，提高隧穿場效應晶體管的工作電流，進而提高隧穿場效應晶體管的驅動能力，使其在后續驅動電容進行充電放電的速度較快，提高了包括隧穿場效應晶體管的器件的響應速度。
[0007]為解決上述問題，本發明提供一種隧穿場效應晶體管，包括:
[0008]半導體襯底，所述半導體襯底包括鰭部；
[0009]柵極結構，所述柵極結構橫跨所述鰭部的中部；
[0010]源極，所述源極橫跨所述鰭部的一端；
[0011]漏極，位于所述鰭部的另一端；
[0012]所述漏極的導電類型為第一導電類型，所述源極的導電類型為第二導電類型，所述第一導電類型和所述第二導電類型不同。
[0013]可選的，所述漏極位于所述鰭部內。
[0014]可選的，所述漏極橫跨所述鰭部。
[0015]為解決上述問題，本發明還提供一種隧穿場效應晶體管的形成方法，包括:
[0016]提供半導體襯底，所述半導體襯底包括鰭部；
[0017]形成橫跨所述鰭部中部的柵極結構；
[0018]在所述鰭部的一端形成橫跨所述鰭部的源極；
[0019]在所述鰭部的另一端形成漏極；
[0020]所述漏極的導電類型為第一導電類型，所述源極的導電類型為第二導電類型，所述第一導電類型和所述第二導電類型不同。
[0021]可選的，形成所述漏極的方法包括:對所述鰭部的另一端進行重摻雜離子注入。
[0022]可選的，形成所述漏極的方法包括:在所述鰭部的另一端形成橫跨所述鰭部的漏極。
[0023]可選的，形成所述源極的方法為:在進行外延生長工藝的同時進行離子摻雜，所述離子摻雜的離子的導電類型為第二導電類型。
[0024]可選的，在形成所述源極和所述漏極之前，所述形成方法還包括:對所述鰭部的一端和另一端進行輕摻雜離子注入，所述輕摻雜離子注入的摻雜離子的導電類型為第一導電類型。
[0025]與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點:
[0026]本發明技術方案中隧穿場效應晶體管包括橫跨半導體襯底中鰭部中部的柵極結構，橫跨鰭部一端的源極和位于鰭部另一端的漏極。由于源極與鰭部的接觸面的面積較大，隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積較大，有效增大了隧穿場效應晶體管的工作電流，提高了隧穿場效應晶體管的驅動能力，使其在后續驅動電容進行充電放電時的速度較快，最終提高了包括隧穿場效應晶體管的器件的響應速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是現有工藝中隧穿場效應晶體管的剖面結構示意圖；
[0028]圖2至圖6是本發明隧穿場效應晶體管的形成方法一個實施例的示意圖。

【具體實施方式】
[0029]參考圖1，為現有工藝中P型隧穿場效應晶體管的剖面結構示意圖，包括:半導體襯底101 ;柵極結構，位于半導體襯底101上，所述柵極結構包括位于半導體襯底101上的高k介質層103和位于所述高k介質層103上的金屬柵極105 ;源極107，位于所述柵極結構一側的半導體襯底101內；漏極109，位于所述柵極結構與所述源極相對一側的半導體襯底101內。其中，所述半導體襯底101和所述漏極109的導電類型為P型，所述源極107的導電類型為N型。由于隧穿場效應晶體管的工作電流與隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積成正比，而圖1中隧穿場效應晶體管的PN結隧穿面積(大致等于半導體襯底101中源極107的深度與溝道寬度的乘積)較小，導致圖1中隧穿場效應晶體管的工作電流較低，驅動能力較差。
[0030]由于隧穿場效應晶體管的工作電流與隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積成正t匕，因此可以通過增大隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積來增大隧穿場效應晶體管的工作電流。經過研究發現，能夠參考現有鰭式場效應晶體管的形成工藝形成隧穿場效應晶體管。具體的，先形成包括鰭部的半導體襯底，然后形成橫跨鰭部中部的柵極結構，并在鰭部一端形成橫跨鰭部的源極，在鰭部另一端形成漏極，其中漏極的導電類型為第一導電類型，源極的導電類型為第二導電類型，第一導電類型和第二導電類型不同。由于源極與鰭部的接觸面較大，隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積較大，相應的，隧穿場效應晶體管的工作電流較大、驅動能力較好，提高了包括隧穿場效應晶體管的器件的響應速度。而且，本發明中隧穿場效應晶體管的形成方法能夠與現有鰭式場效應管的形成工藝兼容，，隧穿場效應晶體管的制作成本低。
[0031]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。
[0032]本實施例中，以形成P型隧穿場效應晶體管(即漏極的導電類型為P型，源極的導電類型為N型)為例，對本發明隧穿場效應晶體管的形成方法進行說明，N型隧穿場效應晶體管(即漏極的導電類型為P型，源極的導電類型為N型)的形成方法與之類似，在此不做詳細說明。
[0033]參考圖2，提供半導體襯底205，所述半導體襯底205包括鰭部207。
[0034]其中，所述半導體襯底的材料可為本征娃(intrinsic silicon,即未摻雜的單晶硅)，也可以為導電類型為P型的硅襯底。
[0035]本實施例中，所述半導體襯底205的導電類型為P型。
[0036]通常提供的晶圓的導電類型為P型。以P型的晶圓形成圖2中半導體襯底205時，可包括如下步驟:
[0037]對導電類型為P型的基底201 (如晶圓)進行離子摻雜，形成導電類型為N型的阱區 203 ；
[0038]對N型的阱區203進行離子注入，在N型的阱區203內形成P型的阱區；
[0039]對P型的阱區進行刻蝕，形成包括鰭部207的半導體襯底205。
[0040]本實施例中，形成鰭部207的方法可參考現有形成鰭式場效應管時鰭部的形成方法，在此不做贅述。
[0041]通過形成N型阱區203，使P型的基底201與后續形成的P型阱區隔離，避免后續形成于基底201上的電路相互干擾。
[0042]需要說明的是，在其他實施例中，還可以直接對P型的基底201進行刻蝕，形成包括鰭部的半導體襯底。
[0043]繼續參考圖2，在所述鰭部207兩側的半導體襯底205上形成隔離層209。
[0044]本實施例中，所述隔離層209的材料可為氧化硅。形成所述隔離層209的方法請參考現有工藝，本發明對此不做限制。所述隔離層209用于使半導體襯底205上的鰭部207相互隔離。
[0045]參考圖3，形成橫跨所述鰭部207中部的柵極結構。
[0046]本實施例中，所述柵極結構包括橫跨所述鰭部207中部的柵介質層211和位于所述柵介質層211上的柵極213。
[0047]本實施例中，所述柵介質層211的材料為高k材料，如氧化鉿、氧化鋯、氧化鑭、氧化招、氧化鈦、鈦酸銀、氧化招鑭、氧化釔、氮氧化鉿、氮氧化錯、氮氧化鑭、氮氧化招、氮氧化鈦、氮氧化鍶鈦、氮氧化鑭鋁、氮氧化釔中的一種或多種。形成所述柵介質層211的方法可為原子層沉積工藝。所述柵極213的材料可為鎢，形成所述柵極213的方法可為物理氣相沉積工藝。
[0048]參考圖4，形成橫跨所述鰭部207 —端的源極215。
[0049]本實施例中，所述源極215的材料可為硅、鍺硅或者氮化硅。形成所述源極215的方法可為外延生長工藝。
[0050]受到源極215材料的晶格生長規律的影響，通過外延生長工藝形成的源極215呈西格瑪(Σ，或者稱為sigma)形狀。但需要說明的是，本發明并不限制源極215的形狀。
[0051]具體的，可先在所述隔離層209和柵極結構上形成第一掩膜層(圖未示)，所述第一掩膜層中形成有第一開口，所述第一開口暴露出所述鰭部207 —端的頂部和側壁；然后以第一掩膜層為掩模，形成橫跨鰭部207 —端的源極215 ;最后去除所述第一掩膜層。
[0052]本實施例中，所述第一掩膜層的材料可為光刻膠，但本發明不限于此。
[0053]需要說明的是，在通過外延生長工藝形成源極215的材料硅、鍺硅或者碳化硅同時，向進行外延生長工藝的反應腔內注入N型的摻雜原子(如磷或者砷)，以對所形成的硅、鍺硅或者碳化硅進行N型離子摻雜，形成N型的源極215。與通過離子注入對源極215進行離子摻雜相比，上述形成源極215的方法能夠避免導電類型為N型摻雜離子進入P型的鰭部中，進而在源極215與鰭部207的接觸面形成PN結。另外，由于源極215的材料的形成工藝和對源極215的材料進行離子摻雜工藝在同一腔室中進行，能夠減少轉移圖3中隧穿場效應晶體管的步驟，提高了隧穿場效應晶體管的制作效率，降低了隧穿場效應晶體管的制作成本。
[0054]圖4沿AA方向的剖視圖如圖5所示。由圖4和圖5可知，源極215與鰭部207的接觸面的面積S近似等于2HXL+WXL，其中H為源極215與鰭部207側壁的接觸面的高度，L為源極215與鰭部207側壁的接觸面的長度，W為鰭部207頂部的寬度。由于源極215與鰭部207的接觸面的面積較大，后續形成的隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積較大，隧穿場效應晶體管的工作電流較大、驅動能力較好。
[0055]繼續參考圖4，形成橫跨所述鰭部207另一端的漏極217。
[0056]本實施例中，所述漏極217的材料可為硅、鍺硅或者氮化硅。形成所述漏極217的方法可為外延生長工藝。
[0057]受到漏極217材料的晶格生長規律的影響，通過外延生長工藝形成的漏極217也呈西格瑪形狀。但需要說明的是，本發明并不限制漏極217的形狀。
[0058]具體的，可先在所述隔離層209、柵極結構和源極215上形成第二掩膜層(圖未示)，所述第二掩膜層中形成有第二開口，所述第二開口暴露出所述鰭部207另一端的頂部和側壁；然后以第二掩膜層為掩模，形成橫跨鰭部207另一端的漏極217 ;最后，去除所述第二掩膜層。
[0059]本實施例中，所述第二掩膜層的材料可為光刻膠，但本發明不限于此。
[0060]需要說明的是，在通過外延生長工藝形成漏極217的材料硅、鍺硅或者氮化硅時，還會向進行外延生長工藝的反應腔內注入P型的摻雜原子(如硼或者二氟化硼)，以對所形成的硅、鍺硅或者碳化硅進行P型離子摻雜，形成P型的漏極217。
[0061]本實施例中，所述漏極217在所述源極215形成之后形成。在其他實施例中，所述漏極217還可在所述源極215形成之前形成，其不限制本發明的保護范圍。
[0062]在一個實施例中，還可以不通過外延生長工藝形成漏極217的材料，也不包括對外延生長工藝形成的材料進行P型離子摻雜。而通過對鰭部207的另一端進行P型離子注入，在鰭部207的另一端內形成隧穿場效應晶體管的漏極。對鰭部207的另一端進行P型離子注入的步驟可以在源極215形成之前形成，也可以在源極215形成之后形成，本發明對此不做限制。
[0063]在另一個實施例中，在形成源極215和漏極217之前，還包括:在所述柵極結構兩側的半導體襯底205上形成覆蓋所述柵介質層211和柵極213側壁的側墻(圖未示)，以調節源極215與柵極結構之間距離以及漏極215與柵極結構的距離，進而調節后續形成隧穿場效應晶體管的溝道長度，達到調節隧穿場效應晶體管的閾值電壓的目的。
[0064]在再一個實施例中，在形成源極215和漏極217之前，還包括:對所述鰭部207的一端和另一端進行輕摻雜離子注入，所述輕摻雜離子注入的摻雜離子的導電類型為P型。通過進行輕摻雜離子注入，形成導電類型為P型的源極輕摻雜區(圖未示)和漏極輕摻雜區(圖未示)。
[0065]通過形成源極輕摻雜區，提高所形成PN結兩側摻雜離子濃度差異，PN結兩側摻雜離子的濃度變化曲線陡峭，提高所形成隧穿場效應晶體管的反向擊穿電壓，進而提高隧穿場效應晶體管的開啟電流。
[0066]在圖4中源極215和漏極217形成之后，進行退火工藝。
[0067]本實施例中，所述退火工藝為快速熱退火。進行快速熱退火的溫度范圍為950攝氏度至1100攝氏度，退火氣體可為氮氣。通過進行退火工藝，激活所述源極215和所述漏極217中的摻雜離子。
[0068]參考圖6，在所述源極215上形成第一金屬插塞219，在所述柵極結構上形成第二金屬插塞221,以及在漏極217上形成第三金屬插塞223。
[0069]本實施例中，所述第一金屬插塞219、第二金屬插塞221和第三金屬插塞223的材料可為鎢或者鋁，但本發明不限于此。
[0070]在其他實施例中，在形成源極215、柵極結構和漏極217之后，還包括:進行退火工藝，使與第一金屬插塞219和第三金屬插塞223分別與其下方的源極215和漏極217中娃原子發生反應，在第一金屬插塞219與源極215的接觸面和第三金屬插塞223與漏極217的接觸面形成一層金屬硅化物(圖未示)，所形成的金屬硅化物能夠有效降低成源極215和漏極217與后續形成金屬插塞之間的接觸電阻，降低所形成隧穿場效應晶體管的內耗。
[0071]在以上實施例中，所述柵介質層和柵極在源極215和漏極217形成之前形成。在其他實施例中，還可以在源極215和漏極217形成之后形成柵極結構。具體的，可以先形成橫跨所述鰭部中部的偽柵極結構，所述偽柵極結構包括偽柵介質層(圖未示)和偽柵極(圖未示)；接著，在鰭部的一端形成源極，以及在鰭部的另一端形成漏極；然后，去除所述偽柵結構，形成橫跨所述鰭部中部的柵極結構，所述柵極結構包括柵介質層和柵極。所述偽柵介質層的材料可為氧化硅，所述偽柵極的材料可為多晶硅；所述柵介質層的材料可為高k材料，所述柵極的材料可為金屬材料。由于柵極結構在源極和漏極形成之后形成，故能夠避免源極和漏極的形成工藝對柵極結構造成影響，提高了所形成隧穿場效應晶體管的性能。
[0072]上述實施例中，所形成隧穿場效應晶體管中PN結隧穿面積較大，隧穿場效應晶體管的工作電流較大、驅動能力較好，包括所形成隧穿場效應晶體管的器件的響應速度快。而且，上述實施例中隧穿場效應晶體管的形成方法能夠與現有鰭式場效應管的形成工藝兼容，工藝簡單。
[0073]參考圖6，本發明還提供了一種隧穿場效應晶體管，包括:
[0074]半導體襯底205，所述半導體襯底205包括鰭部207 ；
[0075]柵極結構，所述柵極結構橫跨所述鰭部207的中部，所述柵極結構包括橫跨鰭部207中部的柵介質層211和位于柵介質層211上的柵極213 ；
[0076]源極215，所述源極215橫跨所述鰭部207的一端；
[0077]漏極217，所述源極215橫跨所述鰭部207的另一端；
[0078]所述半導體襯底205和所述漏極217的導電類型為第一導電類型，所述源極215的導電類型為第二導電類型，所述第一導電類型和所述第二導電類型不同。
[0079]具體的，所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型，即圖6中所述隧穿場效應晶體管為P型的隧穿場效應晶體管；或者，所述第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型，即圖6中所述隧穿場效應晶體管為N型的隧穿場效應晶體管。
[0080]所述源極和漏極的材料可包括硅、鍺硅或者碳化硅。
[0081]所述隧穿場效應晶體管還包括隔離層209，所述隔離層209的材料可為氮化硅，用以使半導體襯底205中的鰭部207相互隔離。
[0082]在一個實施例中，所述漏極還可位于所述鰭部207內。
[0083]在另一個實施例中，所述隧穿場效應晶體管還包括:源極輕摻雜區(圖未示)，位于所述源極下方的鰭部內；漏極輕摻雜區(圖未示)，位于所述漏極下方的鰭部內。當所述漏極的導電類型為P型時，所述源極輕摻雜區和所述漏極輕摻雜區的導電類型為P型；當所述漏極的導電類型為N型時，所述源極輕摻雜區和所述漏極輕摻雜區的導電類型為N型。
[0084]上述隧穿場效應晶體管除了具有現有隧穿場效應晶體管所具有的鎢短溝道效應、漏電流低、亞閾值擺幅可小于60mV/deCade的極限值等優點外，還具有更大的工作電流，其驅動能力較好，在后續驅動電容進行充電放電的速度較快，包括隧穿場效應晶體管的器件的響應速度快。
[0085]需要說明的是，對于N型的隧穿場效應晶體管，若以P型的基底(如晶圓)形成包括鰭部的半導體襯底時，可包括如下步驟:對P型的基底進行離子注入，在P型的基底中形成N型的阱區；對N型的阱區進行刻蝕，形成包括鰭部的N型半導體襯底。此時，P型的基底與包括鰭部的N型半導體襯底隔離，可有效避免形成于P型基底上的電路相互干擾。N型的隧穿場效應晶體管其余形成步驟請參考上述P型的隧穿場效應晶體管的形成方法，在此不做贅述。
[0086]雖然本發明披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種隧穿場效應晶體管，其特征在于，包括: 半導體襯底，所述半導體襯底包括鰭部； 柵極結構，所述柵極結構橫跨所述鰭部的中部； 源極，所述源極橫跨所述鰭部的一端； 漏極，位于所述鰭部的另一端； 所述漏極的導電類型為第一導電類型，所述源極的導電類型為第二導電類型，所述第一導電類型和所述第二導電類型不同。
2.如權利要求1所述的隧穿場效應晶體管，其特征在于，所述漏極位于所述鰭部內。
3.如權利要求1所述的隧穿場效應晶體管，其特征在于，所述漏極橫跨所述鰭部。
4.如權利要求1所述的隧穿場效應晶體管，其特征在于，所述源極的材料包括硅、鍺硅或者碳化娃。
5.如權利要求1所述的隧穿場效應晶體管，其特征在于，所述隧穿場效應晶體管還包括源極輕摻雜區和漏極輕摻雜區；所述源極輕摻雜區位于所述源極下方的鰭部內，所述漏極輕摻雜區位于所述漏極下方的鰭部內；所述源極輕摻雜區和所述漏極輕摻雜區的導電類型為第一導電類型。
6.如權利要求1所述的隧穿場效應晶體管，其特征在于，所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型；或者，所述第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型。
7.—種隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底包括鰭部； 形成橫跨所述鰭部中部的柵極結構； 在所述鰭部的一端形成橫跨所述鰭部的源極； 在所述鰭部的另一端形成漏極； 所述漏極的導電類型為第一導電類型，所述源極的導電類型為第二導電類型，所述第一導電類型和所述第二導電類型不同。
8.如權利要求7所述的隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述漏極的方法包括:對所述鰭部的另一端進行重摻雜離子注入。
9.如權利要求7所述的隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述漏極的方法包括:在所述鰭部的另一端形成橫跨所述鰭部的漏極。
10.如權利要求7所述的隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述源極的材料包括娃、鍺娃或者碳化娃。
11.如權利要求10所述的隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述源極的方法為:在進行外延生長工藝的同時進行離子摻雜，所述離子摻雜的離子的導電類型為第二導電類型。
12.如權利要求7所述的隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，在形成所述源極和所述漏極之前，所述形成方法還包括:對所述鰭部的一端和另一端進行輕摻雜離子注入，所述輕摻雜離子注入的摻雜離子的導電類型為第一導電類型。
13.如權利要求7所述的隧穿場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型；或者，所述第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型。
【文檔編號】H01L29/78GK104425593SQ201310365871
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】黃新運, 丁士成 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司