一种新型非对称双栅无结场效应晶体管

摘要

本发明公开了一种新型非对称双栅无结场效应晶体管，包括顶部栅极、底部栅极、源区、漏区、栅介质层、沟道重叠区、沟道非重叠区；其中，所述顶部栅极与底部栅极位于沟道上下位置，并且为非对称结构；顶部栅极与底部栅极存在重叠区域沟道重叠区；沟道重叠区位于沟道非重叠区之间，源区、漏区位于沟道非重叠区的两侧，顶部栅极与沟道之间、底部栅极与沟道之间分别设有栅介质层。本发明利用非对称栅极结构，在器件开启时可以拥有更小的沟道长度，而在关闭时拥有较长的沟道长度。这样的结构特点可以保证新型器件在关闭时拥有更好的关闭电流，以及更大的栅极控制能力。而在器件开启时，保证器件拥有更大的开启电流。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路用器件,主要是一种新型非对称双栅无结 场效应晶体管。

背景技术

随着CMOS器件尺寸的缩小，无结器件是一种很好的器件结构来应对尺 寸缩小的挑战。对于CMOS器件来说，良好的转移特性曲线是十分重要，这 就主要取决于器件的亚阈值斜率(SS)，漏致势垒降低(DIBL)特性，阈值 电压的大小，泄露电流(I_OFF)的大小，驱动电流(I_ON)的大小等因素。这 些特性就属于器件的基本电学特性。另外，无结器件同样存在其他特性需 要研究，例如变化性，可靠性，交流特性等等。无结器件在尺寸缩小时遇 到很多变化性问题，比如阈值电压不稳定性，硅层厚度变化性，重掺杂下 产生的随机掺杂波动(RDF)等。研究这些特性有助于我们进一步了解与掌 握无结器件。因此在下文中我们将着重介绍无结器件的基本电学特性与其 他特性。

随着器件尺寸的逐渐缩小，无结器件变现出了优于传统反型器件在特 性方面的优势。无结器件最主要的优势在于不存在源漏区与沟道的结，因 此实际物理栅极长度与有效栅极长度接近一致。而对于传统反型器件来说， 有效栅极长度要比物理栅极长度小约两纳米。对于相对较长的沟道长度， 两纳米的差距分别不打，但是对于较小栅极长度时，相同条件下无结器件 的优势就会十分明显。这一优点可以有效地抑制短沟道效应的产生。

然而，当器件的尺寸缩小程度更大(接近小于20nm)时，无结器件的 特性同样会变现出很多不足。这就表明有很大的必要进一步改进无结器件 的结构，来提高器件的特性。对于器件栅极的改造有很多种形式，双栅型 器件就是一种非常典型的改造。对于无结器件来说，短沟道效应主要的影 响方面包括对于亚阈值斜率(SS)的影响，对于开关电流比(I_ON/I_OFF)的影 响，对于漏致势垒降低效应(DIBL)的影响等。因此我们希望可以设计新 型无结器件结构，来提高这些受到短沟道效应影响的特性，同时也希望提 高器件的变化性方面和可靠性方面的特性。另外我们希望新型器件可以提 高器件的交流特性，例如电容特性等。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种新型非对称双栅无结器件，来 提高传统无结器件的基本电学特性，包括提高器件的开关电流，以及亚阈 值斜率与DIBL特性。

实现本发明目的技术方案：

一种新型非对称双栅无结场效应晶体管，包括顶部栅极、底部栅极、源 区、漏区、栅介质层、沟道重叠区、沟道非重叠区；其中，所述顶部栅极与 底部栅极位于沟道上下位置，并且为非对称结构；顶部栅极与底部栅极存在 重叠区域沟道重叠区；沟道重叠区位于沟道非重叠区之间，源区、漏区位于 沟道非重叠区的两侧，顶部栅极与沟道之间、底部栅极与沟道之间分别设有 栅介质层。

源区、漏区与沟道重叠区、沟道非重叠区的掺杂浓度是一致的，浓度为 1×10¹⁹到1×10²⁰cm^-3。

所述新型非对称双栅无结场效应晶体管的开启状态的沟道长度沟道重 叠区的长度，关闭状态的沟道长度为沟道重叠区与非沟道重叠区的总和。

作为优选，所述的沟道重叠区与两个沟道非重叠区，其三者的宽度一致。

本发明利用非对称栅极结构，在器件开启时可以拥有更小的沟道长度， 而在关闭时拥有较长的沟道长度。这样的结构特点可以保证新型器件在关 闭时拥有更好的关闭电流，以及更大的栅极控制能力。而在器件开启时， 保证器件拥有更大的开启电流。综合两种状态的变化，新型器件可以提高 传统无结器件的基本电学特性。

附图说明

图1是新型非对称双栅无结器件结构示意图。

图2是新型非对称双栅无结器件与传统无结器件转移特性。

图3是新型非对称双栅无结器件与传统无结器件在不同栅极长度下关 闭电流与开关电流比特性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明 进行具体阐述。

如图1所示，一种新型非对称双栅无结场效应晶体管，包括顶部栅极1、 底部栅极2、源区3、漏区4、栅介质层5、沟道重叠区6、沟道非重叠区7； 其中，所述顶部栅极1与底部栅极2位于沟道上下位置，并且为非对称结构； 顶部栅极1与底部栅极2存在重叠区域沟道重叠区6；沟道重叠区6位于沟 道非重叠区7之间，源区3、漏区4位于沟道非重叠区7的两侧，顶部栅极 1与沟道之间、底部栅极2与沟道之间分别设有栅介质层5。

源区3、漏区4与沟道重叠区6、沟道非重叠区7的掺杂浓度是一致的， 浓度为1×10¹⁹到1×10²⁰cm^-3；所述的沟道重叠区6与两个沟道非重叠区7， 其三者的宽度一致。

如图2所示，是20纳米栅极长度非对称双栅无结器件(AG-JL)与传统 无结器件(JL)的转移特性曲线比较。漏极电压处于0.05V，沟道掺杂浓度 为10¹⁹cm^-3。从图中可以看出新型无结器件变现出比传统无结器件更加良好 的特性。新型器件的开启电流相比于传统无结器件有所提高，并且关闭电 流会有所下降。这表明新型无结器件拥有更优秀的开关电流比。从图中的 曲线可以读出20nm栅极长度新型无结器件的亚阈值斜率为64.5mV/dec，这 要优于传统无结器件的68.3mV/dec。开启电流可以达到1.47×10^-4A，关 闭电流可以达到9.60×10^-14A。因此开关电流比可以达到1.53×10⁹，这要 明显好于传统无结器件的1.55×10⁸。这表明了新型无结器件在当栅极长度 为20nm时有优于传统无结器件的特性，那么在其他栅极长度下特性的比较 会如何，我们将进一步比较不同栅极长度下新型无结器件与传统无结器件 的基本特性。

如图3所示，是在不同栅极长度(10nm到25nm)下新型无结器件与传 统无结器件的泄露电流和开关电流比的情况。可以看出在不同栅极长度下 新型无结器件的泄露电流数值都要低于传统无结器件，泄漏电流特性都处 于领先地位。同样的，不同栅极长度下新型无结器件的开关电流比都要比 传统无结器件要大。从这张图中我们可以了解到新型无结器件拥有优秀的 开启与关闭特性，这主要的原因正如上文所描述的，在开启时器件可以形 成沟道长度为10nm，这一数值低于物理栅极长度20nm。而在关闭状态时又 相对的可以形成沟道长度为30nm的状态。新型无结器件的这一特性使得它 在泄露电流与开关电流比特性上表现出了优于传统无结器件的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。