CN1862831A - 包括金属绝缘体转换材料的晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管及其制造方法。所述包括金属绝缘体转换材料的晶体管包括：衬底；形成于所述衬底上的绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及形成于所述介电层上的栅电极层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，更具体而言，涉及一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管及其操作和制造方法，其中为了减小漏电流而在源极区和漏极区之间形成隧穿势垒层。
背景技术
随着半导体技术的发展，越来越需要高度集成的半导体器件。为了高度地集成半导体器件，需要减小其中的场效应晶体管(FET)的尺寸。不过，可能会产生许多技术问题。
场效应晶体管(FET)越小，源极区和漏极区之间的沟道长度就越短，因此导致短沟道效应。短沟道效应过度地减小了FET的阈值电压并且还降低了载流子迁移率。此外，如果晶体管小，在″ON″(开启)状态中沟道电阻就高。因此，能够供应的电流量受到限制，并且诸如相变随机存取存储器(PRAM)、电阻随机存取存储器(RRAM)或磁随机存取存储器(MRAM)的半导体器件的有效性受到限制。
一般的互补金属氧化物半导体(CMOS)需要大于预定值的阈值电压以使由热电子导致的漏电流最小化。此外，工作电压需要足够高，以获得所需增益。因此，由于功耗和发热的增加而难以提高集成度。
已经开发出来用于提高栅极绝缘层的电容以减小半导体器件尺寸的方法。这是为了克服器件小且栅极绝缘层薄时发生的漏电流问题。具体而言，已经开展了高k材料开发的研究。另一方面，如果栅极绝缘层的电容增大，为了对其充电需要更多时间和有源能量。因此，栅极绝缘层电容的增大导致了诸如发热和速度降低的问题。不过，如果电容低的话，器件会由于漏电流而变得更不可靠。
发明内容
本发明提供了一种具有用以最小化短沟道效应的金属绝缘体转换材料的晶体管，该晶体管通过在源极区和介电层之间形成隧穿势垒层而能够减小漏电流，并能够以低电压操作。
本发明还提供了一种制造上述晶体管的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管，所述晶体管包括：衬底；形成于所述衬底上的绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及形成于所述介电层上的栅电极层。
可以根据所述源极区和所述漏极区之间的电势差将所述金属绝缘体转换材料层从金属变成绝缘体或者反之。
所述金属绝缘体转换材料层可以由从包括以下材料的组中选择的一种形成：硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。
所述过渡金属氧化物中的过渡金属可以选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。
所述介电层可以由Al2O3、HfO2和ZrO2之一形成。
所述源极区和所述漏极区可以由金属膜和硅化物膜之一形成，其每种都能够与所述金属绝缘体转换材料层形成肖特基结。
所述金属膜可以由Al、Ti和Au之一形成。
所述硅化物膜可以由硅化铂(PtSi)和硅化镍(NiSi2)之一形成。
所述隧穿势垒层可以由氧化物和氮化物之一形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造包括金属绝缘体转换材料的晶体管的方法，所述方法包括：在衬底上形成绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开地形成源极区和漏极区；在所述源极区和所述漏极区的表面上形成隧穿势垒层；以及在所述隧穿势垒层和所述绝缘层上依次堆叠金属绝缘体转换材料层、介电层和栅电极层。
所述方法还可以包括：通过依次蚀刻所述栅电极层、所述介电层和所述金属绝缘体转换材料层的部分暴露所述源极区和所述漏极区的部分。
在所述绝缘层上彼此分开地形成源极区和漏极区可以包括：形成掩模，所述掩模暴露所述绝缘层的将要形成所述源极区和所述漏极区的区域；在所述绝缘层的暴露区域上形成导电材料层；以及除去所述掩模。
所述金属绝缘体转换材料层可以由从包括以下材料的组中选择的一种形成：硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。
所述过渡金属氧化物中的过渡金属可以选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。
所述隧穿势垒层可以由通过氧化所述源极区和所述漏极区的表面形成的氧化物和通过氮化所述源极区和所述漏极区的表面形成的氮化物之一形成。
所述隧穿势垒层可以通过将绝缘材料涂敷到所述绝缘层和所述源极区和所述漏极区而形成。
附图说明
通过参考附图详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和益处将变得更加显见，附图中：
图1为根据本发明实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的横截面图；
图2为示出根据本发明实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的电特性的曲线图；
图3A和3B为根据本发明实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的″ON″和″OFF″(关闭)状态的等效电路图；以及
图4A到4F展示了在根据本发明实施例制造使用金属绝缘体转换材料的晶体管的方法中的阶段。
具体实施方式
下文中将参考附图更为充分地描述本发明，附图中展示了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的尺寸和厚度。
图1为根据本发明实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的横截面图。参考图1，在衬底30上形成绝缘层31。第一和第二导电图案32a和32b形成于绝缘层31上并彼此分开。第一和第二导电图案32a和32b之一用作源极区，另一个用作漏极区。在下文中，第一导电图案32a被称为源极区，第二导电图案32b被称为漏极区。隧穿势垒层33形成于源极区32a和漏极区32b的每者上。金属绝缘体转换材料层34、介电层35和栅电极层36依次形成于隧穿势垒层33和绝缘层31上。
以下将详细描述图1中各层的材料。衬底30为掺有预定掺杂剂的半导体衬底，例如掺有n型掺杂剂或p型掺杂剂的硅衬底。绝缘层31为热氧化膜，例如SiO2膜、HfO2膜、SiNX膜等。源极区32a和漏极区32b由金属或硅化物形成。铝(Al)、钛(Ti)或金(Au)等可以被用作所述金属。硅化铂(PtSi)或硅化镍(NiSi2)等可以被用作所述硅化物。
形成于源极区32a和漏极区32b的每者上的隧穿势垒层33通常由绝缘材料形成。绝缘材料可以具有与源极区32a和漏极区32b不同的组分。绝缘材料可以包括通过氧化/氮化源极区32a和漏极区32b的表面形成的氧化物或氮化物。例如，当源极区32a和漏极区32b由铝(Al)形成时，隧穿势垒层33可以由氧化铝(Al2O3)形成。
金属绝缘体转换材料层34可以由硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)或具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料形成。过渡金属例如为Ti、V、Fe、Ni、Nb或Ta。介电层35可以具有低的与金属绝缘体转换材料层34的反应性，例如Al2O3膜、HfO2膜或ZrO2膜。栅电极层36可以由例如Au、Pt和Al形成，它们通常用于形成晶体管的栅电极。
将描述图1的晶体管的工作。在施加到栅电极层36的栅极电压Vg保持在0V且源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd保持低于源极区32a和漏极区32b之间的阈值电压Vth，即Vd＜Vth时，形成于源极区32a和漏极区32b之间的金属绝缘体转换材料层34表现出半导体或绝缘体的特性。因此，在源极区32a和漏极区32b之间不形成沟道。
再者，在施加到栅电极层36的栅极电压Vg保持在0V且源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd保持高于源极区32a和漏极区32b之间的阈值电压Vth，即Vd＞Vth时，形成于源极区32a和漏极区32b之间的金属绝缘体转换材料层34表现出金属的特性。因此，在源极区32a和漏极区32b之间形成沟道，且电流在源极区32a和漏极区32b之间流动。
当施加到栅电极层36的栅极电压Vg大于0V时，在金属绝缘体转换材料层34邻接源极区32a和漏极区32b的区域中空穴密度增加。因此，即使在源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd低于源极区32a和漏极区32b之间的阈值电压Vth，即Vd＜Vth时，在形成于源极区32a和漏极区32b之间的金属绝缘体转换材料层34中也会形成沟道，并且电流在源极区32a和漏极区32b之间流动。因此，当施加到栅电极层36的栅极电压Vg大于0V时，源极区32a和漏极区32b之间的阈值电压Vth减小。
图2为示出根据本发明实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的电特性的曲线图。参考图2，当源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd为V1和V2两者时，在源极区32a和漏极区32b之间流动的电流急剧增大。在此，当源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd为V1时，施加到栅电极层36的栅极电压Vg大于0V。当源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd为V2时，施加到栅电极层36的栅极电压Vg等于0V。在源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd为V1时，源极区32a和漏极区32b之间流动的电流增加，这是因为施加大于0V的栅极电压Vg导致了更低的阈值电压Vth。因此，当源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd保持在V1到V2的范围内时，将大于0V的栅极电压Vg施加到栅电极层36，由此导致″ON″状态。另外，当源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd保持在V1到V2的范围内时，将等于0V的栅极电压Vg施加到栅电极层36，由此导致″OFF″状态。亦即，能够执行开关操作。
随着半导体器件越来越集成，它们的电阻也增大，于是器件中的发热成为问题。具体而言，即使在施加到栅电极层36的栅极电压Vg保持在0V且源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd保持低于源极区32a和漏极区32b之间的阈值电压Vth，即Vd＜Vth时，电流也能够流过金属绝缘体转换材料层34。这由Ioff的逐渐增加而证实，如图2所示。因此，可以通过在金属绝缘体转换材料层34和源极区32a之间以及金属绝缘体转换材料层34和漏极区32b之间形成隧穿势垒层33来减小Ioff。图3A展示了对应于由隧穿势垒层33和金属绝缘体转换材料层34形成的沟道区的等效电路，该隧穿势垒层33处于根据本发明实施例的″ON″状态。图3B展示了对应于由隧穿势垒层33和金属绝缘体转换材料层34形成的沟道区的等效电路，该隧穿势垒层33处于根据本发明实施例的″OFF″状态。
参考图3A，在″ON″状态中金属绝缘体转换材料层34显示出金属特性，因此其电阻系数Rmit减小。因此，将大量的电压施加到隧穿势垒层33。同时，隧穿势垒层33的电阻系数减小，将大于保持电压Vh的电压Vmit施加到金属绝缘体转换材料层34。
参考图3B，在″OFF″状态中金属绝缘体转换材料层34显示出绝缘特性，因此其电阻率Rmit增大。由于大部分电压Vmit被施加到电阻率高的金属绝缘体转换材料层34，因此能够有效地防止载流子通过隧穿势垒层33。
在下文中，参考图4A到4F，将详细描述根据本发明实施例的制造使用金属绝缘体转换材料的晶体管的方法。
参考图4A到4D，在衬底30上形成绝缘层31。导电材料32被涂敷到绝缘层31并随后利用常规光刻和蚀刻工艺被构图以形成源极区32a和漏极区32b。或者，可以使用浮脱方法，其中，在源极区32a和漏极区32b之间的绝缘层31上形成曝光膜图案(未示出)，在将要形成源极区32a和漏极区32b的位置堆叠导电层，然后除去曝光膜图案。源极区32a和漏极区32b由金属或硅化物形成。铝(Al)、钛(Ti)或金(Au)等可以被用作所述金属。硅化铂(PtSi)或硅化镍(NiSi2)等可以被用作所述硅化物。
参考图4E，在源极区32a和漏极区32b的每者上形成隧穿势垒层33。隧穿势垒层33可以通过氧化源极区32a和漏极区32b的表面而形成。例如，当源极区32a和漏极区32b由Al、Ti或Ta形成时，隧穿势垒层33通过氧化Al、Ti或Ta分别形成Al2O3、TiO2或Ta2O5而形成。或者，可以将另一种绝缘氧化物或氮化物材料涂敷于源极区32a和漏极区32b以形成隧穿势垒层33。
参考图4F，通过涂敷金属绝缘体转换材料在绝缘层31、源极区32a和漏极区32b上形成金属绝缘体转换材料层34。根据源极区32a和漏极区32b之间的电势差可以将金属绝缘体转换材料层34从金属变成绝缘体或者反之。金属绝缘体转换材料层34可以由硫族化物材料、过渡金属氧化物或具有多种过渡金属氧化物的复合材料形成。过渡金属例如为Ti、V、Fe、Ni、Nb或Ta。此外，金属绝缘体转换材料层34可以由氧化铝(Al2O3)或具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料形成。
介电层35和栅电极层36依次形成于金属绝缘体转换材料层34上。介电层35具有低的与金属绝缘体转换材料层34的反应性，并能够形成为薄膜。介电层35由例如Al2O3、HfO2或ZrO2形成。栅电极层36形成于介电层35上。
此外，曝光膜图案PR(未示出)可以形成于栅电极层36上，并可以使用曝光膜图案PR作为掩模蚀刻栅电极35的曝光区域。在蚀刻工艺期间，源极区32a和漏极区32b的图案可能被曝光且它们的面积可能受到限制。此外，在蚀刻之后除去曝光膜图案PR，于是能够获得图1的晶体管结构。
可以在衬底30上使用表面氧化法形成绝缘层31。金属绝缘体转换材料层34可以仅形成于源极区32a和漏极区32b之间。
如上所述，根据本发明的晶体管具有形成于金属绝缘体转换材料层与源极和漏极区之间的隧穿势垒层，其能够减小漏电流并实现稳定工作。此外，根据本发明的晶体管能够使因低工作电压而致的发热最小化，因此提高了半导体器件的集成度。
尽管已经参考其示范性实施例特别展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将要理解，可以在其中做出多种形式和细节上的变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。
Claims (16)
1.一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管，所述晶体管包括：
衬底；
形成于所述衬底上的绝缘层；
在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；
分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；
形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；
堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及
形成于所述介电层上的栅电极层。
2.如权利要求1所述的晶体管，其中，根据所述源极区和所述漏极区之间的电势差将所述金属绝缘体转换材料层从金属变成绝缘体或者反之。
3.如权利要求1所述的晶体管，其中所述金属绝缘体转换材料层由从包括以下材料的组中选择的一种形成：硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。
4.如权利要求3所述的晶体管，其中所述过渡金属氧化物中的过渡金属选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。
5.如权利要求1所述的晶体管，其中所述介电层由Al2O3、HfO2和ZrO2之一形成。
6.如权利要求1所述的晶体管，其中所述源极区和所述漏极区由金属膜和硅化物膜之一形成，其每种都能够与所述金属绝缘体转换材料层形成肖特基结。
7.如权利要求6所述的晶体管，其中所述金属膜由Al、Ti和Au之一形成。
8.如权利要求6所述的晶体管，其中所述硅化物膜由硅化铂和硅化镍之一形成。
9.如权利要求1所述的晶体管，其中所述隧穿势垒层由氧化物和氮化物之一形成。
10.一种制造包括金属绝缘体转换材料的晶体管的方法，所述方法包括：
在衬底上形成绝缘层；
在所述绝缘层上彼此分开地形成源极区和漏极区；
在所述源极区和所述漏极区的表面上形成隧穿势垒层；以及
在所述隧穿势垒层和所述绝缘层上依次堆叠金属绝缘体转换材料层、介电层和栅电极层。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
通过依次蚀刻所述栅电极层、所述介电层和所述金属绝缘体转换材料层的部分暴露所述源极区和所述漏极区的部分。
12.如权利要求10所述的方法，其中在所述绝缘层上彼此分开地形成所述源极区和所述漏极区包括：
形成掩模，所述掩模暴露所述绝缘层的将要形成所述源极区和所述漏极区的区域；
在所述绝缘层的暴露区域上形成导电材料层；以及
除去所述掩模。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述金属绝缘体转换材料层由从包括以下材料的组中选择的一种形成：硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述过渡金属氧化物中的过渡金属选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述隧穿势垒层由通过氧化所述源极区和所述漏极区的表面形成的氧化物和通过氮化所述源极区和所述漏极区的表面形成的氮化物之一形成。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述隧穿势垒层通过将绝缘材料涂敷到所述绝缘层和所述源极区和所述漏极区而形成。
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