基于SOI结构的冷源MOS晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计与制造技术领域，特别涉及一种基于SOI结构的冷源MOS晶体管及其制备方法。

背景技术

随着集成电路CMOS工艺的不断发展，在器件尺寸不断缩小的同时，集成电路的功耗却在不断增长，因此设计低功耗器件，降低集成电路的功耗，愈来愈引起重视，针对此状况，目前已有的较好的解决方案是使用TFET代替传统的MOS器件，来改善开关特性，降低功耗。

然而由于采用不同的原理，TFET在开态电流上比传统MOS晶体管小很多，这意味着电路性能的相对降低。而我们想要在保证原有电路性能的前提下降低功耗，就需要新的解决方案。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种基于SOI结构的冷源MOS晶体管及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于SOI结构的冷源MOS晶体管，该冷源MOS晶体管的源端为能够过滤电子的过滤型结构。

该过滤型结构为P-metal-N结构，P-metal-N结构的中间是金属区、两侧分别为P型掺杂硅区和N型掺杂硅区，且P-metal-N结构的N型掺杂硅区位于靠近晶体管漏端的一侧设置。

其中，冷源MOS晶体管包括SOI硅片、依次位于SOI硅片表面上的分区硅层和多晶硅栅，分区硅层包括顶层本征硅区和位于顶层本征硅区两侧的P-metal-N结构和另一N型掺杂硅区，多晶硅栅位于顶层本征硅区的上方。

其中，SOI硅片包括被衬硅、氧化层和顶层硅层，氧化层位于被衬硅的上表面，分区硅层位于氧化层的上表面。

其中，多晶硅栅靠近本征硅区的底面设有栅氧化层。

其中，金属区的金属为铝或镍化硅。

根据本发明的另一方面提供该冷源MOS晶体管的制备方法，包括以下步骤：

制备SOI硅片，所述SOI硅片包括被衬硅(1)、氧化层(2)和顶层硅层；将所述SOI硅片中的所述顶层硅层减薄，在减薄后的所述顶层硅层上生长SiO

其中，制备SOI硅片的步骤包括：在衬底硅(1)的上表面沉积顶层硅(3)；在衬底硅(1)和顶层硅(3)之间引入氧化层(2)，形成SOI硅片。

本发明中，重掺杂的P-metal-N结在P型半导体费米能级之上存在带隙，该部分能量电子被过滤。由于P-metal-N结构中电子利用量子隧穿效应注入，因此横向排布P-metal-N结构中器件的源与漏也为横向排布，而纵向排布的P-metal-N结构中器件的源与漏也为纵向排布。横向排布的器件性能更加良好，纵向器件由于顶层硅质量等的问题，器件性能不如横向器件，因此横向排布结构优于纵向排布结构。

本发明提供一种新的器件结构，在传统晶体管结构的源端以P-metal-N结作为冷源，以实现载流子在能量意义上的过滤，突破了传统器件60mV/dec的亚阈摆幅极限，实现(≤60mV/dec)的超陡亚阈摆幅，大幅提高晶体管的开关性能，降低器件功耗。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1-7示出了本发明的基于SOI结构的冷源MOS晶体管的制备方法中各步骤所得结构的示意图。

具体实施方式

下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供一种基于SOI结构的冷源MOS晶体管，该基于SOI结构的冷源MOS晶体管的其他结构设置与常规的基于SOI结构的MOS晶体管相同，但源端使用能够过滤电子的过滤型结构代替。

如图7所示，冷源MOS晶体管的基础结构包括SOI硅片、位于SOI硅片上表面的分区硅层，和位于分区硅层上表面的多晶硅栅7。分区硅层按区域划分为源端、漏端和位于源、漏端之间的顶层本征硅区3。源端的过滤型结构为为P-metal-N结构。该P-metal-N的中间是金属区5、两侧分别为P型掺杂硅区6和N型掺杂硅区4，P-metal-N结构的N型掺杂硅区4位于靠近晶体管漏端的一侧设置。

通过在源区形成P-metal-N结构，能够在注入电子时，对其形成过滤作用，进而在保证MOS开态性能的同时改善开关特性，降低功耗。

为进一步提高开关MOS管的性能，P-metal-N结构中，金属区区域宽度为2-5nm，例如为2nm、3nm、4nm或5nm，N型掺杂硅区4区域宽度为2-5nm，例如为2nm、3nm、4nm或5nm，其中，P-metal-N结构中，P型掺杂硅区6的掺杂密度为10

SOI硅片包括被衬硅1、氧化层2和顶层硅层3，氧化层2位于被衬硅1和顶层硅层3之间，分区硅层位于顶层硅层3的上表面。其中被衬硅1、氧化层2和顶层硅层的材料可依据实际情况选择，优选地，被衬硅1的材料为硅，氧化层2的材料为二氧化硅，顶层硅层的材料为硅。顶层硅层为薄层设置。

根据本发明的另一方面，涉及上述冷源MOS晶体管的制备方法，具体包括步骤：制备SOI硅片，所述SOI硅片包括被衬硅(1)、氧化层(2)和顶层硅层；将所述SOI硅片中的所述顶层硅层减薄，在减薄后的所述顶层硅层上生长SiO

下面将通过结合附图的形式，对上述制备方法中的每个步骤进行详细的叙述。

图1对应的是本制备方法的制备SOI硅片的步骤。如图1所示，选取合适的衬底硅材料，在衬底硅1的上表面沉积形成顶层硅层3，然后在在衬底硅和顶层硅层之间引入氧化层2，最终形成SOI硅片。在本步骤中，衬底硅1、氧化层2和顶层硅层3的材料没有特定限制，可根据现有技术进行合理的选取，衬底硅1、氧化层2和顶层硅层3的厚度尺寸也可根据实际需求进行合理的设置。

图2对应的是本制备方法的生长SiO

图3对应的是本制备方法的刻蚀SiO

图4对应的是本制备方法的生长本征硅的步骤。如图4所示，在被除去的剩余SiO

图5对应的是本制备方法的制备多晶硅栅7的步骤。如图5所示，在源端的位置和漏端的位置之间的本征硅的上表面的生长栅氧化层和多晶硅栅7。具体为，先热生长SiO

图6对应的是本制备方法的对本征硅进行掺杂的步骤。如图6所示，对源端的位置的本征硅和漏端的位置的本征硅进行掺杂，源端的位于部分SiO

图7对应的是本制备方法的除去SiO

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。