阅读说明：本技术 一种铁电材料可重构场效应晶体管 (Ferroelectric material reconfigurable field effect transistor ) 是由 孙子涵 田明 王昌锋 李相龙 孙亚宾 李小进 石艳玲 廖端泉 曹永峰 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a ferroelectric material reconfigurable field effect transistor, which comprises: the gate-type transistor comprises a channel, a drain arranged at one end of the channel, a source arranged at the other end of the channel, a gate dielectric buffer layer arranged outside the channel, a ferroelectric material layer wrapped outside the gate dielectric buffer layer, a control gate and a polarity gate which are respectively arranged at the source and the drain end and outside the ferroelectric material layer, and an inner side wall and an outer side wall which are used for electrically isolating the control gate and the polarity gate from the source and the drain. The ferroelectric material layer arranged on the outer side of the gate dielectric buffer layer can generate polarization charges at a channel below the ferroelectric material layer, so that the control capability of the gate on the channel is improved, the starting voltage under the same gate voltage is increased, the subthreshold swing of a device is reduced, and the static power consumption of the device is reduced. The gate dielectric buffer layer isolates the channel from the ferroelectric material, and prevents the mutual diffusion of the channel and the ferroelectric material from influencing the polarization characteristic of the ferroelectric material layer.)

一种铁电材料可重构场效应晶体管

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_{Control Gate})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_{Control Gate})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：

所述沟道为硅纳米线、锗纳米线、锗硅纳米线、砷化镓纳米线、氮化镓纳米线、磷化铟纳米线或碳纳米管；

所述栅极介电缓冲层为淀积包裹在沟道外侧的二氧化硅、二氧化铪、氮氧化硅材料或所述材料的组合堆叠；

所述铁电材料层为淀积包裹栅极介电缓冲层的钙钛矿型铁电体、铌酸锂型铁电体、钨青铜型铁电体或铋层状钙钛矿结构铁电体；

所述源极和漏极可采用的材料为钛硅化物、镍硅化物、钴硅化物、氮化钛和氮化钽中的一种或几种组合；

所述控制栅极和极性栅极可采用的材料为淀积在铁电材料层外侧经光刻、刻蚀后形成的铝、铜、银、金、多晶硅、氮化钽或氮化钛；

所述源极、漏极一侧的内边墙材料为二氧化铪、氮化硅、氮氧化硅和碳氮化硅中的一种或几种组合；

所述源极、漏极一侧的外边墙材料为二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃和空气中的一种或几种组合。

所述钙钛矿型铁电体为BaTiO₃；铌酸锂型铁电体为LiNbO₃、LiTaO₃或BiFeO₃；钨青铜型铁电体为PbTa₂O₆；铋层状钙钛矿结构铁电体为SrBi₂Ta₂O₉或Bi₄Ti₃O₁₂。

本发明由于在栅极介电层与栅极之间添加一层铁电材料，具有负电容性质的铁电材料会在外加电场下产生极化，在硅表面上感应出大量的极化电荷，改变硅的表面势。一方面感应产生的极化电荷与栅极电压成正反馈关系，从而起到了“电压放大”的作用，另一方面硅表面势变化在栅电压比较小的时候会快于栅极电压的变化，从而提高了栅电极对于晶体管沟道的控制能力。电压放大作用与栅极控制能力的提升可以降低室温下的亚阈值摆幅(SS)，从而降低器件的静态功耗。在SS的表达式(1)中，V_gs为栅极电压偏置，I_d为器件漏电流，

半导体硅的电势，C_s为半导体硅电容，C_ins为介电层电容，项在室温下约为60mV/decade，要想获得更小的亚阈值摆幅，关键在于得到更小的电容项值。传统的栅氧化物的电容C_ins为正，但是铁电材料具有负电容效应。利用铁电材料负电容(C_ins<0)的特点，有可能使得SS在室温下小于60mV/decade。当铁电材料与衬底硅直接接触时，相互之间会发生元素扩散而产生大量的界面态，使得铁电与硅衬底之间的界面特性变差。铁电材料与衬底硅之间的高k绝缘层材料可以作为缓冲层的结构，阻挡原子的扩散，同时不会影响铁电层负电容特性的作用。

由于铁电材料的加入起到了“电压放大”的作用，采用铁电材料的RFET在相同的栅极电压下表现出更高的漏极电流，为RFET器件工作提供了更高的增益。铁电材料可重构场效应晶体管相较一般结构的可重构场效应晶体管，其开关性能，栅极电压对电流的控制能力都得到了一定的增强。在采用铁电材料的RFET时，可以有效减小器件功耗，降低数字集成电路中逻辑延迟时间，提高模拟集成电路中的工作频率。

附图说明

图1为本发明沿沟道方向的截面图；

图2为本发明在控制栅极的位置、垂直于沟道方向的截面图；

图3为本发明在源极一侧边墙的位置、垂直于沟道方向的截面图；

图4为本发明表征N型状态的转移特性曲线图；

图5为本发明表征P型状态的转移特性曲线图；

图6为本发明制备流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

参阅图1-3，本发明包括纳米线沟道1、栅极介电缓冲层2、铁电材料层3、极性栅极4、漏、源极一侧内边墙5、漏、源极一侧外边墙6、漏极7、源极8、控制栅极9；漏、源极一侧内边墙5与漏、源极一侧外边墙6所采用的材料不同。

一种基于铁电材料可重构场效应晶体管，包括中心纳米线沟道1，包裹在沟道1外侧的栅极介电缓冲层2，沟道1一端的源极8，沟道1另一端的漏极7，包裹在栅极介电缓冲层2外侧的铁电材料层3，分别包裹在铁电材料层3两端的控制栅极9与极性栅极4，以及设置在源极8与控制栅极9以及漏极4与极性栅极4之间的内边墙5、外边墙6。

所述沟道1的构成材料为硅纳米线、锗纳米线、硅锗纳米线、砷化镓纳米线、氮化镓纳米线、磷化铟纳米线或碳纳米管；所述栅极介电缓冲层2为淀积包裹在沟道1外侧的二氧化硅、二氧化铪、氮氧化硅材料或上述材料的组合堆叠；所述铁电材料层3为淀积包裹在沟道1外侧的所述铁电材料层3为淀积包裹在沟道1外侧的钙钛矿型铁电体、铌酸锂型铁电体、钨青铜型铁电体或铋层状钙钛矿结构铁电体；所述源极8和漏极7可采用的材料为钛硅化物、镍硅化物、钴硅化物、氮化钛、氮化钽或由以上多种材料的组合；所述控制栅极9和极性栅极4可采用的材料为淀积在铁电层外侧经光刻、刻蚀后形成的铝、铜、银、金、多晶硅、氮化钽、氮化钛；所述的源(漏)极一侧的内边墙5构成材料为二氧化铪、氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅或由以上多种材料的组合；所述的源(漏)一侧的外边墙6构成材料为二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、空气或由以上多种材料的组合。

铁电材料的电滞回性质决定了其拥有负电容的特性。在外加电场作用下，铁电材料的极化会在两个相反的热力学稳态中进行翻转。由于基于铁电材料负电容性质的可重构场效应晶体管利用铁电薄膜材料代替传统的MOS管栅氧化物，铁电薄膜材料在外加电场作用下产生极化，在铁电材料的两端(即硅表面)上感应出大量的极化电荷，改变硅的表面势。一方面感应产生的极化电荷与栅极电压成正反馈关系，从而起到了“电压放大”的作用，另一方面硅表面势变化在栅电压比较小的时候会快于栅极电压的变化，从而提高了栅电极对于晶体管沟道的控制能力。电压放大作用与栅极控制能力的提升可以降低室温下的亚阈值摆幅(SS)，从而降低器件的静态功耗。在SS的表达式(1)中，

项在室温下约为60mV/decade，要想获得更小的亚阈值摆幅，关键在于得到更小的电容项值。传统的栅氧化物的电容C_ins为正，但是铁电材料具有负电容效应。利用铁电材料负电容(C_ins<0)的特点，有可能使得SS在室温下小于60mV/decade。对于利用铁电材料直接替代栅极氧化物的结构，由于铁电材料与衬底硅是直接接触，相互之间会发生元素扩散而产生大量的界面态，使得铁电与硅衬底之间的界面特性变差。铁电材料与衬底硅之间的高k绝缘层材料可以作为缓冲层的结构，阻挡原子的扩散，同时不会影响铁电层负电容特性的作用。

参阅图4，本发明基于铁电材料负电容特性的可重构场效应晶体管呈现出的N型电学特性中可以看出，可重构场效应晶体管的开态电流相较于一般结构的可重构场效应晶体管有所提升。当RFET采用一般结构，未加入铁电薄膜层时，其呈现N型电学特性时开态电流为1.954×10¹μA/μm，该开态电流下最小保持电压为1V，亚阈值摆幅SS＝97.1mV/decade；RFET采用本发明中的铁电材料(负电容)结构，在栅极与栅极氧化层间加入铁电层时，其呈现N型电学特性在开态电流为相同值(I_ds＝1.954×10¹μA/μm)时，其栅极电压为0.89V，亚阈值摆幅SS＝87.7mV/decade。参见图5，本发明基于铁电材料负电容特性的可重构场效应晶体管呈现出的P型电学特性中可以看出，当RFET采用一般结构，未加入铁电薄膜层时，其呈现P型电学特性时开态电流为2.0092×10¹μA/μm，该开态电流下最小保持电压为-1V，亚阈值摆幅SS＝75.3mV/decade；而RFET采用本发明中的结构，在栅极与栅极氧化层间加入铁电层时，其呈现P型电学特性在开态电流为相同值时，其栅极电压为-0.93V，亚阈值摆幅SS＝68.5mV/decade。由此可见，铁电材料的加入起到了“电压放大”的作用，采用铁电材料的RFET在相同的栅极电压下表现出更高的漏极电流，为RFET器件工作在N型或P型电学状态提供了更高的增益。铁电材料可重构场效应晶体管相较一般结构的可重构场效应晶体管，其开关性能，栅极电压对电流的控制能力都得到了一定的增强。在采用铁电材料RFET时，可以降低数字集成电路中逻辑延迟时间，提高模拟集成电路中的工作频率。

参阅图6，本发明的制作过程：

图中(a)，制备纳米线沟道1；

图中(b)，制备金属硅化物源极8和漏极7、退火；

图中(c)，生长高k绝缘材料缓冲层(栅氧介质层)2，光刻并刻蚀；

图中(d)，生长铁电薄膜层3，光刻并刻蚀；

图中(e)，淀积、光刻、刻蚀形成两个金属栅电极4、9；

图中(f)，淀积内边墙5、外边墙6。

器件制备完成后，通过钨插塞将控制栅极、极性栅极、源极和漏极引出，可实现电学开关的功能；再使用化学机械抛光将上述四个淀积水平化，采用CMOS超大规模电路后道大马士革工艺将本发明器件通过金属连线连接在一起，本发明作为超大规模集成电路的基本单元，可通过电路设计、电路综合、电路布局布线后实现复杂逻辑处理和交流信号传输、处理、变换和放大的功能。