[发明专利]一种铁电材料可重构场效应晶体管

说明书

本发明公开了一种铁电材料可重构场效应晶体管，该晶体管包括：沟道、设置在沟道一端的漏极及沟道另一个端的源极、设置在沟道外侧的栅极介电缓冲层、包裹在栅极介电缓冲层外侧的铁电材料层、分别设置在源极和漏极端且铁电材料层外侧的控制栅极以及极性栅极、用于控制栅极和极性栅极与源极和漏极电学隔离的内边墙及外边墙。本发明置于栅极介电缓冲层外侧的铁电材料层能在其下方沟道处产生的极化电荷，提高了栅极对沟道的控制能力，增大了相同栅极电压下的开启电压，降低了器件的亚阈值摆幅，减小了器件的静态功耗。栅极介电缓冲层隔离了沟道与铁电材料，阻挡二者的相互扩散并不对铁电材料层的极化特性产生影响。

技术领域

本发明属于CMOS超大集成电路(VLSI)中的数字逻辑与存储器件，具体涉及一种铁电材料可重构场效应晶体管。

背景技术

随着社会与经济的不断发展，半导体器件的尺寸逐渐缩小，特别是近年来，半导体器件的特征尺寸似乎已经达到其物理极限。而经济发展对于半导体技术的要求还未止步，因此越来越多的新型器件不断涌现。可重构场效应晶体管(RFET)就是其中之一。在这种可重构晶体管器件中，开态下电流的载流子极性可以通过控制栅上的电压进行改变。也就是说，一个RFET器件既可以实现N型场效应晶体管的功能，又可以实现P型场效应晶体管的功能，RFET器件的使用有望减少设计复杂电路时的晶体管数量。

RFET结构一般由源极(Source)、漏极(Drain)、控制栅极(Control Gate)、极性栅极(Program Gate)以及能与源、漏级形成肖特基势垒的纳米线(Nanowire)沟道构成，其中源极和漏极材料采用金属硅化物，沟道采用未掺杂或低掺杂的硅纳米线，在硅纳米线外侧采用边墙(Spacer)进行电隔离。RFET器件由控制栅极(Control Gate)和极性栅极(ProgramGate)协同控制。当控制栅极偏置(V_ControlGate)由负电压增大到正电压，且漏极与极性栅极都保持恒定正偏置时，与源端相邻的沟道处能带开始逐渐向下弯曲，电子通过源极隧穿注入纳米线沟道，器件此时表现为N型场效应晶体管特性；当控制栅极偏置(V_ControlGate)由正电压减小到负电压，且漏极与极性栅极都保持恒定负偏置时，与源端相邻的沟道处能带开始逐渐向上弯曲，空穴通过源极隧穿注入纳米线沟道，器件此时表现为P型场效应晶体管特性。

RFET由于其特殊的工作方式，其一般结构拥有较高的电流开关比，但来自于隧穿电流的开态电流较低等缺点造成一般结构的RFET器件在组合逻辑门电路时延迟时间较长，且难以应用到射频、微波等技术。此外，对于RFET这样的小尺寸器件，小尺寸带来的集成度上升的同时牺牲了其功耗，以及器件工作在亚阈值区的性能。

发明内容

本发明的目的是针对目前已有的一般结构的可重构场效应晶体管的开态驱动电流较低及器件的亚阈值摆幅较高、功耗较高等问题，为了提高器件的开启电流，降低器件功耗，提高开关性能，提出了一种基于铁电材料(负电容效应)可重构场效应晶体管。这样的晶体管结构能够提高相同栅极电压下的开态电流，减小器件的亚阈值摆幅，从而提高器件的放大能力，降低功耗，提高器件的开关性能，降低集成电路逻辑门延迟时间，提升器件的特征频率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种铁电材料可重构场效应晶体管，该晶体管包括：

沟道；

设置在沟道一端的漏极及沟道另一个端的源极；

设置在沟道外侧的栅极介电缓冲层；

包裹在栅极介电缓冲层外侧的铁电材料层；

分别设置在源极和漏极端且铁电材料层外侧的控制栅极以及极性栅极；

用于控制栅极、极性栅极和源极、漏极电学隔离的内边墙及外边墙。

其中：