CN100474617C - 采用绝缘体-半导体转换材料层作为沟道材料的场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括绝缘体-半导体转换材料层的场效应晶体管。绝缘体-半导体转换材料层可以选择性地提供第一状态和第二状态，第一状态：当不施与栅场时，带电空穴就不注入到绝缘体-半导体转换材料层的表面；第二状态：当施与负性栅场时，大量的带电空穴被注入到绝缘体-半导体转换材料层的表面形成导电沟道。栅绝缘层形成于绝缘体-半导体转换材料层上。栅极形成于栅绝缘层上，给绝缘体-半导体转换材料层施与预定强度的负性栅场。源极和漏极在绝缘体-半导体转换材料层的两侧彼此相对布置，以便当绝缘体-半导体转换材料层处于第二状态时，电荷载流子能通过导电沟道流动。
Description
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管及其制造方法，特别是，采用绝缘体-半导体(Insulator-semiconductor)转换材料层作为沟道材料的场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
在晶体管中，金属氧化物场效应晶体管(MOSFETs)作为极小尺寸和高速开关晶体管已经普遍成为设计者的首选。金属氧化物场效应晶体管以双pn-结结构为基本结构，pn-结结构在低漏极电压的情况下具有线性特性。随着器件集成程度的提高，总的沟道长度需要减小。然而，减小沟道长度会导致因短沟道效应而造成的各种问题。例如，当沟道长度减小到约50nm或更小时，耗尽层的尺寸增加，因此电荷载流子密度改变，栅极与沟道之间的电流增加。
为了解决这些问题，已经研究在场效应晶体管上使用Mott-Hubbard绝缘体作为沟道材料，Mott-Hubbard绝缘体要经过Hubbard的连续金属-绝缘体转变，即，二次相变。J.Hubbard在《Proc.Roy.Sci.(London)A276，238(1963)，A281，401(1963)》中解释了Hubbard的连续金属-绝缘体转变，D.M.Newns、J.A.Misewich、C.C.Tsuei、A.Gupta、B.A.Scott和A.Schrott等人，在《Appl.Phys.Lett.73，780(1998)》中揭示了应用Hubbard的连续金属-绝缘体转变的晶体管。使用Hubbard的连续金属-绝缘体转变的晶体管称作Mott-Hubbard场效应晶体管或者是Mott场效应晶体管。Mott-Hubbard场效应晶体管根据金属-绝缘体相变来完成开/关操作。与MOSFETs相比，Mott-Hubbard场效应晶体管不含有任何耗尽层，因此，相应地大大提高其集成度。此外，据称Mott-Hubbard场效应晶体管能提供比MOSFETs更高速的开关功能。
另一方面，Mott-Hubbard场效应晶体管使用Mott-Hubbard绝缘体作为沟道材料。该绝缘体具有金属性结构，每个原子里有一个电子。这种不匀称性导致很大的漏电流，因此，晶体管在低栅电压和低源-漏电压下不能获得很高的放大电流。例如，一种Mott-Hubbard绝缘体如Y1-xPrxBa2Cu3O7-d(YPBCO)包括具有高导电性的铜元素。
发明内容
本发明提供一种场效应晶体管，其采用绝缘体-半导体转换材料层作为沟道材料，在低栅极电压和低源-漏电压下获得很大的放大电流。
本发明还提供了场效应晶体管的制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种场效应晶体管，其包括：绝缘体-半导体转换材料层，其可以选择性地提供第一状态和第二状态，其中，第一状态：当不施与栅场时，带电空穴不能被引入到绝缘体-半导体转换材料层的表面；第二状态：当施与负栅场时，大量的带电空穴被引入到绝缘体-半导体转换材料层的表面以形成导电沟道；栅绝缘层，其形成于绝缘体-半导体转换材料层上；栅极，其形成于栅绝缘层上，用于给绝缘体-半导体转换材料层施与预定强度的负性栅场；源极和漏极，它们在绝缘体-半导体转换材料层的两侧彼此相对布置，当绝缘体-半导体转换材料层处于第二状态时，能通过导电沟道移动电荷载流子。
绝缘体-半导体转换材料层可以布置在硅基板、绝缘硅基板或者是蓝宝石基板上。
绝缘体-半导体转换材料层可以是二氧化钒(VO2)，V2O3，V2O5薄膜。
绝缘体-半导体转换材料层可以是碱金属-四氰基对醌二甲烷(TCNQ)薄膜，其选自于Na-TCNQ，K-TCNQ，Rb-TCNQ和Cs-TCNQ组成的组。
栅绝缘层可以是介电层，其选自于Ba0.5Sr0.5TiO3，Pb1-xZrxTiO3(0≤X≤0.5)，Ta2O3，Si3N4和SiO2组成的组。
源极、漏极和栅极可以是金/铬(Au/Cr)电极。
根据本发明的另一方面，提供了场效应晶体管的制造方法，其包括：在基板上形成绝缘体-半导体转换材料层，以选择性地提供第一状态和第二状态，在该第一状态中，当不施与栅场时，空穴不被引入该绝缘体-半导体转换材料层的表面；在第二状态中，当施与负栅场时，大量的空穴被引入绝缘体-半导体转换材料层以形成导电沟道；形成源极和漏极，以覆盖绝缘体-半导体转换材料层两侧的一部分；在该基板、该源极、该漏极和该绝缘体-半导体转换材料层上形成绝缘层；和在该绝缘层上形成栅极。
基板可以是单晶硅基板、绝缘硅基板或者蓝宝石基板。
绝缘体-半导体转换材料层可以是二氧化矾薄膜。
绝缘体-半导体转换材料层可以是碱金属-四氰基对醌二甲烷薄膜。
制造方法可以还包括对绝缘体-半导体转换材料层构图，以使之具有几十nm2到几μm2的面积。
该构图可以是采用光刻工艺和射频离子铣削法工艺完成的。
该源极、漏极和栅极可以是采用剥离工艺形成的。
附图说明
图1是图解根据本发明的场效应晶体管的沟道材料的电阻随温度变化的示意图；
图2是图解根据本发明的场效应晶体管的霍尔(Hall)效应测量结果的示意图。负号(-)代表载流子是空穴；
图3是图解根据本发明的场效应晶体管的布置图的示意图；
图4是沿着图3所示的场效应晶体管II-II线剖取的截面视图；
图5是图3所示的场效应晶体管的“A”部分的放大图；和
图6是图解图3所示的场效应晶体管的工作特性的示意图。
110：三氧化二铝基板，120：二氧化钒薄膜，130：源金/铬电极，140：漏金/铬电极，160栅金/铬电极，150：电介质栅-绝缘体层。
具体实施方式
图1是图解根据本发明的场效应晶体管的沟道材料的电阻随温度变化的示意图。
参照图1，用作场效应晶体管沟道材料的绝缘体-半导体转换材料层的代表性实施例是二氧化钒(VO2)薄膜。例如，VO2薄膜是Mott-Brinkman-Rice绝缘体。这样，VO2薄膜的电阻直到温度升到约330K时才呈对数下降。但是，当温度达到约340K时，VO2薄膜的电阻迅速下降，因此会发生相变而变成金属。这样的相变虽然在正常温度下不会自然地发生，但在特定条件下，相变在正常温度下也能发生，即当在VO2薄膜的表面施与预定电压，带电的空穴注入到VO2薄膜里时。为了利用这种物理绝缘-金属相变现象，带电空穴应在漏、源两极间施与相对高电压时注入到VO2薄膜里。根据本发明的场效应晶体管没有采用绝缘-金属相变现象。根据本发明的场效应晶体管，即使在源、漏两极间施与相对低的电压时，在VO2薄膜的表面也会形成负性栅场，产生在漏、源极间流动的电流。
图2是图解根据本发明的场效应晶体管的霍尔效应测量结果的示意图。在图2中，符号“-”代表空穴。
如图2所示，霍尔效应测量结果显示在温度约为332K时呈现在VO2薄膜内的电子为大约10.7×1015/cm3，随着温度的升高，电子的数量会急剧增加。如前所释，这是解释VO2薄膜的绝缘体-金属相变的理论基础。同时，在温度大约332K时，呈现大约1.16×1017个空穴/cm3；温度大约330K时，呈现7.37×1015个空穴/cm3。随着温度的降低，空穴的数量会逐渐的减少。最后，在温度大约324K时，呈现1.25×1015个空穴/cm3。与电子不同，由于电荷守恒，当通过霍尔效应测量的空穴数量减少时，由栅场引起的空穴数量增加。就是说，随着温度的降低，大量空穴被限制在预定的量子阱中。因此，通过限制在量子阱中大量空穴的感应，即使施与很低栅场时，也可以获得很好的导电状态。绝缘体-半导体相变材料具有这些特性。即，绝缘体-半导体相变材料具有这样的特性：当场没有形成时，可以保持绝缘状态；反之，当形成负性场时，利用引起的空穴能够形成导电沟道。绝缘体-半导体相变材料的例子除了二氧化钒(VO2)薄膜还包括碱金属-四氰基对醌二甲烷(TCNQ)材料。碱-四氰基对醌二甲烷(TCNQ)材料可以从Na-TCNQ，K-TCNQ，Rb-TCNQ和Cs-TCNQ组成的组中选出来。
图3是图解采用绝缘体-半导体转换材料层作为沟道材料的场效应晶体管的布置图的示意图。图4是沿着图3所示的场效应晶体管II-II线剖取的截面视图。图5是图3所示的场效应晶体管的“A”部分的放大图。
参照图3至5，VO2薄膜120布置在单晶蓝宝石(Al2O3)基板110上，其厚度约为700-，并具有几μm2的面积的图案。VO2薄膜120是绝缘体-半导体转换材料层。可以使用其它的绝缘体-半导体转换材料层代替VO2薄膜120。虽然本示范性实施例使用了为VO2薄膜120的生成提供了合适的布置条件的单晶蓝宝石基板110，但是本发明不局限于此。例如，如果需要可以使用单晶硅(Si)基板，或者是绝缘硅(SOI)基板。
第一金/铬(Au/Cr)电极130和第二金/铬电极140作为源极和漏极分别在单晶蓝宝石基板110和VO2薄膜120的一部分上形成。第一金/铬电极130粘附到VO2薄膜120左侧部分上。第二金/铬电极140则粘附到VO2薄膜120右侧部分上。第一金/铬电极130和第二金/铬电极140彼此隔开距离为沟道长度L，相对布置在VO2薄膜120上。如图5所示，第一金/铬电极130和第二金/铬电极140间的距离，即沟道长度L，大约为3μm，沟道宽度W大约为50μm。在本实施例中，金/铬金属薄膜用作源极和漏极，金/铬双金属薄膜中的铬膜起到缓冲层作用，以在单晶蓝宝石基板110和金膜之间有很好的粘附力，该铬膜的厚度约为50nm。
栅绝缘层150形成于第一和第二金/铬电极130和140、方形VO2薄膜120和部分蓝宝石基板110上，留出如图3所示的两个电极焊盘。虽然具有介电常数约为43的Ba0.5Sr0.5TiO3(BSTO)介电层可以用作栅绝缘层150，但是栅绝缘层150不局限于BSTO介电层。除了BSTO介电层还有其它的介电层可用作栅绝缘层150，例如，具有很高介电常数的Pb1-xZrxTiO3(0≤x≤0.5)和Ta2O3，或者具有一般绝缘特性的SiO2等。第三金/铬电极160作为栅极在栅绝缘层150上形成。
参照图6上的示意图，它解释了采用VO2薄膜作为沟道材料的场效应晶体管的工作及其工作特性。
如图6所示，在漏-源电压低时，在不给栅极160施与偏压的610情况下和给栅极160施与负偏压的620及630情况下，二者之间电流有相当大的差别。例如，在漏-源电压约为0.3V的情况下，当不给栅极160施与偏压时，漏-源两极间流动的电流很小，可以忽略不计。这是因为在用作沟道材料的VO2薄膜中的空穴不能从量子阱里出来。然而，在漏-源电压约为0.3V的情况下，当给栅极160施与负偏压-2V(620)或者-10V(630)时，源-漏两极间流动的电流是不给栅极160(610)施与偏压时的250倍。这是因为当在VO2薄膜表面施与负偏压-2V或-10V时，导致量子阱里的空穴到VO2薄膜表面，在源和漏间形成导电沟道。
参照图3和4，它们解释了根据本发明的场效应晶体管的制造方法。
首先，在单晶蓝宝石基板110上形成厚度约为700-
的VO2薄膜120。使用旋转涂胶机将光敏抗蚀剂层(未列示)涂在VO2薄膜120上，通过采用铬-掩模的曝光工艺和蚀刻工艺，给VO2薄膜120构制图案。射频(RF，无线电频率)离子铣削法工艺可用作蚀刻工艺。VO2薄膜120被构图为具有几μm2面积的方形。
其次，金/铬层在单晶蓝宝石基板110表面上形成，将基板上的部分VO2薄膜去除，方形的VO2薄膜120厚度约为200nm。通过一般的剥离工艺，第一金/铬电极130和第二金/铬电极140形成为覆盖在VO2薄膜120右左两侧的一部分上。当通过剥离工艺剥掉部分金/铬层时，应该注意使得沟道长3μm、宽50μm。如果必要，沟道的长和宽可以改变。
再次，栅绝缘层150形成于单晶蓝宝石基板110、第一金/铬电极130、第二金/铬电极140及VO2薄膜120的暴露的表面上。然后，给栅绝缘层150构制图案，以突现第一电极130和第二电极140的焊盘。第三金/铬电极160作为栅极形成于栅绝缘层150上。第三金/铬电极160采用与第一和二金/铬电极130和140相同的方式形成。
如上所述，与使用单pn-结半导体结构的常规技术相比，根据本发明的场效应晶体管采用了绝缘体-半导体相变材料薄膜作为沟道材料。因此，本发明的场效应晶体管具有一个优点：不会遇到短沟道效应引起的问题，由此能够提高其集成度和开关速度。该场效应晶体管具有另外一个优点：在漏-源两极间施与相当低的偏压的状态下，根据是否给栅极施与负电压，它能够提供绝缘状态或导通状态。特别是，在导通状态时流过的电流是绝缘状态时流过的电流的250倍。
尽管本发明参照示范性实施例已经进行详细示出和描述，但是，本领域的技术人员会认识到，在其上进行的形式上和细节上的各种变化都不能脱离如所附权利要求的本发明的精神和范围。
Claims (8)
1、一种场效应晶体管，其包括：
绝缘体-半导体转换材料层，其选择性地提供第一状态和第二状态，在第一状态中，当不施与栅场时，带电空穴不被引入到绝缘体-半导体转换材料层的表面；在第二状态中，当施与负栅场时，大量的带电空穴被引入到绝缘体-半导体转换材料层的表面，以形成导电沟道；
栅绝缘层，其在该绝缘体-半导体转换材料层上形成；
栅极，其在该栅绝缘层上形成，用于给该绝缘体-半导体转换材料层施与预定强度的负栅场；和
源极和漏极，它们在该绝缘体-半导体转换材料层两侧彼此相对，当该绝缘体-半导体材料层处于该第二状态时，移动带电载流子通过该导电沟道，
其中，该绝缘体-半导体转换材料层是VO2、V2O3、或V2O5薄膜，或者该绝缘体-半导体转换材料层是碱金属-四氰基对醌二甲烷薄膜且是选自于Na-TCNQ、K-TCNQ、Rb-TCNQ和Cs-TCNQ组成的组中的一种。
2、如权利要求1所述的场效应晶体管，其中，该绝缘体-半导体转换材料层布置在硅基板、绝缘硅基板或蓝宝石基板上。
3、如权利要求1所述的场效应晶体管，其中，该栅绝缘层是介电层，其是选自于Ba0.5Sr0.5TiO3，Pb1-xZrxTiO3(0≤X≤0.5)，Ta2O3，Si3N4和SiO2组成的组中的一种。
4、如权利要求1所述的场效应晶体管，其中，该源极、该漏极和该栅极是金/铬双金属薄膜电极。
5、一种制造场效应晶体管的方法，其包括：
在基板上形成绝缘体-半导体转换材料层，以选择性地提供第一状态和第二状态，在该第一状态中，当不施与栅场时，空穴不被引入该绝缘体-半导体转换材料层的表面；在第二状态中，当施与负栅场时，大量的空穴被引入绝缘体-半导体转换材料层以形成导电沟道；
形成源极和漏极，以覆盖绝缘体-半导体转换材料层两侧的一部分；
在该基板、该源极、该漏极和该绝缘体-半导体转换材料层上形成绝缘层；和
在该绝缘层上形成栅极，
其中，该绝缘体-半导体转换材料层是VO2、V2O3、或V2O5薄膜，或者该绝缘体-半导体转换材料层是碱金属-四氰基对醌二甲烷薄膜且是选自于Na-TCNQ、K-TCNQ、Rb-TCNQ和Cs-TCNQ组成的组中的一种。
6、如权利要求5所述的方法，还包括对绝缘体-半导体转换材料层构图，以使之具有几十nm2到几μm2的面积。
7、如权利要求6所述的方法，其中，该构图是采用光刻工艺和射频离子铣削法工艺完成的。
8、如权利要求5所述的方法，其中，该源极、该漏极和该栅极是采用剥离工艺形成的。
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