[发明专利]使用铁电材料的凹陷沟道型晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于快速开关技术领域，具体涉及一种半导体场效应晶体管及其制造方法，特别涉及一种使用铁电材料的凹陷沟道型晶体管及其制造方法。

背景技术

金属-氧化物-硅场效应晶体管（MOSFET）的亚阈值摆幅(SS)定义为亚阈值区工作条件下，漏极电流变化一个数量级时所需要的栅极电压增量，其公式为：

式中，是栅极电压，为表面势，为表面耗尽层电容，为栅极氧化层电容，为源漏之间的电流。理想情况下，的值为1，SS在室温下可以达到最小值60mv/dec。受最小的SS值60mv/dec的限制，小尺寸情况下的MOSFET的开关速度较慢。碰撞电离型场效应晶体管（IFET）和隧穿场效应晶体管（TFET）可以通过改变的值来降低SS值，而浮栅晶体管（SGFET）可以通过改变的值来降低SS值。

最近，一种使用铁电材料的场效应晶体管（Fe-FET）被提了出来，其基本结构如图1所示，该Fe-FET 100包括半导体衬底101，以及在衬底101上形成源区102和漏区103。与传统MOSFET相比，Fe-FET 100的栅氧化层104和栅电极106之间添加了一层薄的铁电材料105。铁电材料层105相当于一个电压转换器，可以放大栅极电压，这样就可以使SS值低于最小的60mv/dec。

同时，随着MOSFET尺寸的不断缩小，单位阵列上的晶体管密度也越来越高，随之而来的短沟道效应也愈加明显。如今的集成电路器件技术节点已经处于50纳米左右，MOSFET源漏极之间的漏电流，随着沟道长度的缩小而迅速上升。当沟道长度下降到30纳米以下时，有必要使用新型的器件来获得较小的漏电流，从而降低芯片功耗。

栅控PNPN晶体管和栅控P-i-N晶体管都是漏电流非常小的晶体管，可以大大降低芯片的功耗。但是，随着栅控PNPN场效应晶体管和栅控P-i-N晶体管的尺寸缩小到20纳米以下，其漏电流也在随器件的缩小而上升。普通栅控PNPN晶体管和栅控P-i-N晶体管的驱动电流较MOSFET低2-3个数量级，因此需要提高其驱动电流，以提高集成栅控PNPN晶体管和栅控P-i-N晶体管的芯片的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种半导体场效应晶体管，该半导体场效应晶在提高驱动电流的同时，也可以抑制漏电流和亚阈值摆幅的增加。并且提供该半导体场效应晶体管的制备方法。

本发明提出的半导体场效应晶体管，是一种使用SiGe源极的凹陷沟道型栅控P-i-N晶体管和栅控PNPN晶体管。

所述的栅控P-i-N晶体管至少包括：

一个具有第一种掺杂类型的半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成的具有第二种掺杂类型的漏区；

在所述半导体衬底上形成的具有第一种掺杂类型的SiGe源区；

位于所述漏区与所述源区之间形成的凹陷沟道区域；

在所述凹陷沟道区域之上形成的覆盖整个凹陷沟道区域的绝缘薄膜；

在所述凹陷沟道区域之上形成的覆盖所述绝缘薄膜的铁电材料层；

在所述凹陷沟道区域之上形成的覆盖所述铁电材料层的导电层。

进一步地，所述的半导体衬底为单晶硅、多晶硅或者为绝缘体上的硅(SOI)。所述的绝缘薄膜为SiO₂或高k材料，一层或两层。所述的铁电材料层为偏二氟乙烯与三氟乙烯的二元共聚物P(VDF-TrFE)、钽酸锶铋SBT（SrBi₂Ta₂O₉）或者为锆钛酸铅PZT（PbZr_xTi_1-xO₂）。所述的导电层为多晶硅、钨金属、氮化钛、氮化钽或金属硅化物，或者为它们之中几种的混合物。所述的第一种掺杂类型为p型，第二种掺杂类型为n型；或者，所述的第一种掺杂类型为n型，第二种掺杂类型为p型。

所述的栅控PNPN晶体管，至少包括：

一个具有第一种掺杂类型的半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成的具有第二种掺杂类型的漏区；

在所述半导体衬底内靠近所述漏区的一侧形成的一个凹陷型沟道区域；

在所述半导体衬底上所述凹陷沟道区域的非漏区侧形成的具有第一种掺杂类型的SiGe源区；

在所述半导体衬底上所述SiGe源区之下形成的具有第二种掺杂类型的SiGe耗尽区；

在所述凹陷沟道区域之上形成的覆盖整个凹陷沟道区域的绝缘薄膜；

在所述凹陷沟道区域之上形成的覆盖所述绝缘薄膜的铁电材料层；

在所述凹陷沟道区域之上形成的覆盖所述铁电材料层的导电层。