[发明专利]近源栅近漏栅分立控制型无掺杂场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明属于超大规模集成电路制造领域，涉及一种适用于超高集成度集成电路制造的高迁移率低泄漏电流的近源栅近漏栅分立控制型无掺杂场效应晶体管。

背景技术

集成电路的基本单元MOSFETs晶体管随着尺寸的不断减小，需要在几个纳米的距离内实现多个数量级的浓度差来形成极陡的源极和漏极PN结，这样的浓度梯度对于掺杂和热处理工艺有极高的要求。一种解决此问题的方法是通过在SOI晶圆上制成的无结场效应晶体管。无结场效应晶体管采用多子导通，通过离子注入使器件的源区、漏区和沟道区形成相同类型、相同浓度的杂质分布，由于硅薄膜很薄，以N型器件为例，当栅电极处于低电位时，沟道区的绝大多数电子在栅电场的作用下被耗尽，从而使器件的沟道处于高阻状态。随着栅电极电位的逐渐升高，沟道区的多子耗尽随之逐渐解除，并在界面处形成电子积累，从而使器件的沟道处于低阻状态。因此，这种无需在几个纳米的距离内实现多个数量级的浓度差来形成极陡的源极和漏极PN结，但同样可以实现传统MOSFETs晶体管的开关功能。然而，这种无结场效应晶体管的劣势在于：

1. 为降低源漏电阻，无结场效应晶体管需要很高的掺杂浓度，但过高的掺杂浓度会导致器件沟道区迁移率的明显下降，同时，杂质随机散射会导致器件的可靠性受到严重影响。因此器件的源漏电阻和器件的沟道迁移率之间存在的固有的矛盾关系。

2. 为实现器件的阻断状态，需要将沟道区做成很薄且绝缘于衬底的片状薄膜，这需要将无结型场效应晶体制造在SOI晶圆上，因此对比于普通硅衬底，无疑加大了生产成本。

此外，同传统MOSFETs晶体管相类似，当栅电极处于反向偏压时，正偏的漏电极电压和反偏的栅电极电压之间所形成的高电势差使得临近两个电极的硅薄膜区域附近形成强电场，这会导致硅薄膜局部能带的显著弯曲，进而导致泄漏电流的产生。

发明内容

发明目的

为提高基于硅技术的纳米级尺寸场效应晶体管的迁移率，并降低普通有结和无结晶体管的泄漏电流，本发明提供一种高集成度的近源栅近漏栅分立控制型无掺杂场效应晶体管的具体结构。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种近源栅近漏栅分立控制型无掺杂场效应晶体管，包括单晶硅衬底；其特征在于：单晶硅衬底凸起部分的中部上方为栅极绝缘层；单晶硅衬底凸起部分的两端上方分别为源电极和漏电极；单晶硅衬底凹槽部分填充有绝缘介质层；栅极绝缘层上方为近源栅电极和近漏栅电极；源电极、漏电极、近源栅电极和近漏栅电极之间通过绝缘介质层彼此隔离。

单晶硅衬底为无需引入杂质的纯单晶硅衬底材料，或杂质浓度含量小于10¹⁶cm^-3的低杂质浓度的单晶硅衬底材料。

源电极和漏电极分别与单晶硅衬底凸起部分的两端接触并形成肖特基势垒。

栅极绝缘层是通过对单晶硅衬底氧化生成的二氧化硅层，或者是通过淀积工艺生成的具有高介电常数的绝缘材料介质层，所述的具有高介电常数的绝缘材料介质层为二氧化铪、四氮化三硅或三氧化二铝。

优点及效果

本发明具有如下优点及有益效果：

1.高迁移率：

由于本发明采用无需引入杂质的纯单晶硅材料作为器件的沟道部分，使得器件对比于普通掺杂型有结或无结场效应晶体管具有更高的迁移率。

2. 低泄漏电流：

由于本发明采用近源栅电极和近漏栅电极这两个彼此独立控制的栅电极，当器件工作时，将近漏栅电极始终保持在高电位，因此单晶硅衬底在漏电极的一端始终处于低阻状态。将近源栅电极作为器件实际的开关控制电极。当近源栅电极处于低电位时，单晶硅衬底临近源电极一端没有明显的能带弯曲，因此单晶硅衬底和源电极之间所形成的肖特基势垒宽度很厚，即便单晶硅衬底在漏电极的一端处于低阻状态，由于单晶硅衬底的临近漏电极的一端与临近源电极的一端之间是串联关系，因此器件整体依然具有极高的阻值。对比于普通有结或无结场效应晶体管，本发明所提出的近源栅近漏栅分立控制型无掺杂场效应晶体管有效地避免了泄漏电流的产生。

3. 优秀的开关特性：

本发明通过近源栅电极作为器件的实际的开关控制电极，利用近源栅电极电位的改变来调节源电极和单晶硅衬底之间的接触面所形成的肖特基势垒宽度，以此调节单晶硅衬底在源电极一端的电阻值，使器件具有优秀的开关特性。

4. 低成本：

本发明可以利用普通的单晶硅晶圆进行制造，无需引入SOI晶圆，适合于降低集成电路的生产成本。