[发明专利]隧道场效应晶体管及其制造方法

说明书

根据本发明的隧道场效应晶体管（TFET）与迄今为止的现有技术相比尤其是具有两个优点。首先，提供了缩短的隧道势垒，并且由此提供了缩短的隧道结。这通过如下方式来实现：在源极区域中，一方面设置硅化并且此外设置掺杂物分离，它们导致更陡峭的隧道边沿。另一方面，通过选择性和自调校的硅化，隧道面积自身扩大，其中在根据本发明的隧道场效应晶体管（TFET）中设置与栅极的电场线平行延伸的隧道结。根据本发明的隧道场效应晶体管（TFET）因此将与栅极的电场线平行的隧道结与栅极之下的经扩大的隧道区域相连接，所述隧道区域具有拥有较窄带隙的材料。根据本发明的用于制造TFET的方法包括选择性的自调校的硅化并且此外包括掺杂物分离。通过这些步骤可以精确到几纳米地可再现地制造隧道结。

技术领域

本发明涉及一种具有垂直隧道路径的隧道场效应晶体管以及一种用于制造这样的隧道场效应晶体管（TFET）的方法。

背景技术

为了开发越来越高性能的具有较高功率的移动设备以及计算机，能效较高的晶体管是不可或缺的。晶体管大小的不断缩小和每芯片高于10⁹个晶体管的封装密度增加造成了过高的能耗，并且与之相关联地造成有问题的发热。尽管常规场效应晶体管（MOSFET）一直在改善并且由此能耗也被减小，但是接通特性在原则上限制了能效。这涉及被注射到晶体管沟道中的载流子在室温下的热学上展宽的能量分布。接通特性可以通过所谓的逆亚阈值斜率（S）描述，逆亚阈值斜率说明：为了将输出电流（I_on）提高十倍（dec）必须将栅极电压提高多少毫伏（mV）。在室温下，得出最小S为60mV/dec。在如用在高性能处理器中的短沟道晶体管的情况下，短沟道效应将S在32nm栅极长度的情况下扩大到大约100mV/dec。所述原理性限制也提高了在给定阈值电压情况下的关断电流（I_off）并且因此提高了损耗。

为了减少晶体管的能耗，应当减少运行电压（=漏极电压（Vdd））和逆亚阈值斜率（S）。当附加地考虑到开关频率时，动态能耗与V_dd的平方成比例变化，甚至与V_dd的三次幂成比例变化。S的缩小使得能够缩小阈值电压而没有I_off的显著升高。

为了满足这些要求，需要一种新型开关元件、所谓的“陡坡器件”。属于最有前景的方案的是所谓的带到带隧道晶体管（Band-to-band tunneling (BTBT) transistors）、在此称为隧道FET（TFET）、以及具有前置能量过滤器的MOSFET。后者由于巨大的技术问题而还未被实现。迄今为止制造的隧道场效应晶体管通常还未满足预期，因为输出电流过小并且S仅仅在小得不可用的栅极电压范围内60mV/dec。

图1示意性地示出了常规MOSFET和隧道场效应晶体管的开关特性。示出了漏极侧的电流（I_d）相对于栅极电压的转移特征曲线。虚线示出了具有60mV/dec的MOSFET的最小逆亚阈值斜率S。V_t表示阈值电压。根据模拟计算，隧道场效应晶体管可以实现S60mV/dec。此外，隧道场效应晶体管可以在显著更小的栅极电压下就已经完全接通。由此可以与MOSFET相比减小阈值电压V_t（由于较小的S）而不提高I_off，并且因此实现较高的能效。

图2示出了平面隧道场效应晶体管的原理性构造，其由具有栅极装置203、204的源极-沟道-漏极结构、例如p-i-n结构构成，其中栅极装置有利地包括具有大介电常数（k）的栅极电介质203、比如HfO₂。栅极接触部（栅电极）204借助于金属层（例如TiN）来实现。源极206和漏极205在对称构建的晶体管的情况下可以交换。隧道结202可以任选地实现在源极或漏极侧。201表示本征硅。