TWI236146B - Field effect transistor using insulator-semiconductor transition material layer as channel material and method of manufacturing the same - Google Patents

Field effect transistor using insulator-semiconductor transition material layer as channel material and method of manufacturing the same Download PDF

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Description

1236146 五、發明說明α) ^ 【發明所屬之技術領域] 本發明是有關於一種場效電晶體（field effect transistor )以及其製造方法，且特別是有關於一種使用 絕緣半導體轉移材料層（insulat〇r_semiconduct〇r transition material layer)做為通道材料（channel material )之場效電晶體以及其製造方法。 【先前技術】 在各種電晶體中，金氧半導體場效電晶體（metal oxide semiconductor field effect transistors, M 0 S F E T s )目前已成為設計者作為極小尺寸與高速開關電 _ 晶體（switching transistor)之首要選擇。MOSFETs 係 使用一雙pn接合（double pn-junction)結構為基本結 構，而pn接合結構在低汲極電壓（i〇w drain voltage) 下具有線性性質（linear property)。隨著元件的積集 等級增加，總通道長度（total channel length)則需要 縮短。然而，縮短通道長度將引起各種由於短通道效應 (short channel effect )所產生的問題。舉例而言，當 通道長度縮短至約為50奈米（nm)或更少時，空乏層 (depletion layer)的尺寸便增加，因此電荷載子 (charge carriers)的密度改變，且在閘極與通道之間鲁 流動的電流也增加。 為了解決上述問題’已經對於使用Mott-Hubbard絕緣 體作為通道材料之場效電晶體進行研究，而Mott-Hubbard 絕緣體遵守Hubbard連續金屬絕緣體轉移（Hubbard，s
1236146 五、發明說明（2) continuous meta1-insu1ator transition )，其為一二 級才目變（second-order phase transition ) o Hubbard連 續金屬絕緣體轉移為J. Hubbard所提出，並發表於Proc.
Roy· Sci. (London) A276， 238(1963)， A281， 40 - 1 ( 1 963 )，且使用Hubbard連續金屬絕緣體轉移之電晶 體亦被 D· M. Newns，J· A· Misewich，C. C· Tsuei，A， Gupta, Β· A. Scott，and A· Schrott 等人所提出，並發 表於 Appl· Phys. Left· 73，780 ( 1 998 )。使用 Hubbard 連續金屬絕緣體轉移之電晶體稱為Mott-Hubbard場效電晶 體或Mott場效電晶體。Mott-Hubbard場效電晶體根據金屬_ 絕緣體轉移（metal-insulator transition)執行開 / 關 操作。相對於MOSFETs，Mott-Hubbard場效電晶體不具有 任何空乏層，因此Mott-Hubbard場效電晶體能夠大大地改 善本身的積集度。此外，Mott-Hubbard場效電晶體能夠提 供比MOSFETs更局速的開關功能（switching function )° 另一方面，Mott-Hubbard場效電晶體使用 Mott-Hubbard絕緣體作為通道材料。絕緣體具有金屬特性 的結構（metallic structure)，其為每單位原子一電子· (one electron per atom )。這種不一致性 (non-uniformity)造成大量的漏電流（leakage current )，因此電晶體在低閘極電壓與低源汲極 (source-drain)電壓下無法達到高電流放大率 (current amplification)。舉例而言，M〇tt — Hubbard
12912pif.ptd 第10頁 1236146 五、發明說明（3) 具有高導電性之 絕緣體（例如YhPrxBa/uAd (YpBC〇 銅成分。 【發明内容】 有鑒於此，本發明的目的就是在裎 導體轉移材料層做為通道材料之場；=體種ϊ =半 低間極電壓與-低源汲極電壓下達到在一 造方：外’本發明的再-目的是提供一種場效i:體的製 體，的或其他目的’本發明提出-種場效電晶 ϊ2一導體轉移材料層、-閘極絕緣 2 一閘極電極、一源極電極與一汲極電極。絕緣 :移材料層係選擇性地提供一第一態與_第二離，其中尚 一閘極電場者為第一態’此時電洞（charged'h〇 )=會移動至絕緣半導體轉移材料層之一表面，而施加一 (negative field)者為第二態，此時大量的電洞 移動至絕緣半導體轉移材料層之表自，以％成一導通通道 jC〇ndUctlve channel )。閘極絕緣層係形成於絕緣半導 體轉移材料層上。間極電極係形成於閘極絕緣層上，宜適 於施加預定強度之一負電場於絕緣半導體轉移材料層上。 源極電極與汲極電極係彼此面向地配置於絕緣半導體轉移 材料層之兩側，當絕緣半導體轉移材料層為第二態時，源 極電極與汲極電極能夠驅動電荷載子通過導通通道。 絕緣半導體轉移材料層例如配置於一矽基板、一石夕覆 絕緣基板（Silicon-〇n-insulat〇r， s〇I)或一藍寶石基
1236146 五、發明說明（4) 板（sapphire substrate，a 12〇 )上。 •絕緣半導體轉移材料層例如為一二氧化釩（vanadium dioxide，V02 )、二氧化二釩)或五氧化二釩（ )薄膜。 絕緣半導體轉移材料層例如為一四氰基二甲烷鹼 (alkali-tetracyanoquinodimethane， alkali-TCNQ )薄 膜，其例如包括四氰基二甲烷鈉（Na —TCNQ )、四氰基二 甲烷鉀（K-TCNQ)、四氰基二甲烷铷（Rb — TCNQ)或四氰 基二甲烷鉋（Cs-TCNQ )。 •閘極絕緣層例如為一介電層，其例如包括BaQ 5Sr() 5 T i 03 Pb卜 X Zrx Ti03 (〇$χ$〇·5)、三氧化二组（Ta2〇3)、 四氮化三矽（Si3N4 )或二氧化矽（si〇2 ) 。 3 源極電極、汲極電極與閘極電極例如為金/鉻（Au/Cr )電極。 基於上述目的或其他目的，本發明提出一種場效電晶 體的製造方法，其例如包括下列步驟。形成一絕緣半導體 轉移材料層於一基板上，而絕緣半導體轉移材料層係選 性地提供一第一態與一第二態，其中尚未施加一電場者為 第一態，此時電洞不會移動至絕緣半導體轉移材料層之一 表面，而施加一負電場者為第二態，此時大量^ :絕緣半導體轉移材料層之表面，以形成一導通移： =- ”電極與一;及極電㈣蓋於絕緣，導 兩：之部分區域上。形成一絕緣層於基m 極電極與絕緣半導體轉移材料層i。形成—閘極^於^
1236146 五、發明說明（5) 緣層上。 基板例如為一單晶石夕基板（single crystal silicon substrate )、一矽覆絕緣基板（SOI )或一藍寶石基板。 絕緣半導體轉移材料層例如為一二氧化釩（V〇2 )薄 膜。 絕緣半導體轉移材料層例如為一四氰基二甲烧驗 (alkali-TCNQ )薄膜。 場效電晶體的製造方法例如更包括圖案化絕緣半導體 轉移材料層’以形成數十平方奈米至數平·方微米之一區 域。 圖案化的方法例如使用一微影（photolith〇graphy) 製程與一射頻離子研磨製程（radi0 frequency_i〇n milling process ) ° 戈極二極、汲極電極與閘極電極例如使用一 (11 ft-off process )所形成。 布 為讓本發明之上述和其他目的、特 易懂，下文特舉一較祛本祐如*獅人々復”、、占此更明顯 說明如下。 （佳aw纟配合所附圖式，作詳細 【實施方式】 圖1為本發明之場效電晶體之溫 , 阻的曲線圖。 又^ 一通道材科電 請參照圖1，做為場效電晶體之通 體轉移材料層之代表性一材科的絕緣+導 釩薄膜例如為—Mott ^的^子為卩.一乳化釩薄膜。二氣化 M〇tt —Brinkman-Rlce 絕緣體。因此，二氧 12912pif.ptd i 第13頁 1236146 五、發明說明（6) ------1 化飢薄膜的電阻呈對數減少（decreases l、:gari thmical ly )直到溫度增加至大約33〇κ。然而，當 度大4接近3 4 Ο Κ時’二氧化飢薄膜的電阻急遽地下降， 因此引起相轉移至金屬（phase transition to metal 、）。雖然，此種相轉移在正常溫度下並不會自然發生，不 過在特殊條件下相轉移便能夠在正常溫度下發生，而特殊 條件為施加一預定電壓於二氧化釩薄膜之一表面且電洞係 注入二氧化飢薄膜内時。為了使用這物理性的絕緣體金屬 轉移現象（insulator-metal transition phenomenon )’需要將電洞注入至二氧化釩薄膜内，而此狀態為施加_ 一相當高電壓於一汲極與一源極之間。本發明之場效電晶 體並未使用絕緣體金屬轉移現象。根據本發明之場效電晶 體’藉由施加一相當小的電壓於源極與汲極之間，以形成 一負電場於二氧化釩薄膜之表面上，而引起電流流過源極 與没極之間。 圖2為用於本發明之場效電晶體之二氧化釩薄膜的霍 爾效應（H a 11 e f f e c t )量測結果曲線圖。在圖2中，符號 代表電洞。 如圖2所示，霍爾效應量測結果顯示在溫度為334Κ下 _ 二氧化釩薄膜内之電子數目為10· 7x1 015/cm3，而隨著溫度 增加電子數目也急遽增加。如同先前所說明的，這個理論 基礎可以說明二氧化釩薄膜之絕緣體金屬轉移。溫度為 3 3 2K之電洞數目約為1. I6xl017/cm3，而溫度為330K之電洞 數目約為7. 37x1 015/cm3。隨著溫度下降，電洞的數目也逐
12912pif.ptd 第14頁 1236146 五、發明說明（7) 3漸下降。最後，溫度為324K之電洞數目的^ 9ς 1im/ 3。不同於φ工 ^ 电/U数目約為1. 25xl015/cm 電場增力”由子於電電; 霍爾效應所量測到之電洞數目則g conservation)藉由 降’大量的電洞被限制於一預，隨著溫度下 )内。闵朴丄 頂疋的里子井（clientum we 11 * ^ # ^ ^轭加一相當低的電場便可誘發被限制於 = !電洞’以得到一良好的導通狀態。絕緣半 ΪΪΞ!: i”些特性。由於絕緣半導體轉移材料具 # # i绍#，虽電％尚未形成時，絕緣半導體轉移材料也 狀態。t電場形成時，絕緣半導體轉移材料能丨 Ϊ = 洞，以產生一導通通道。除了二氧化叙薄 、、’、、半導體轉移材料例如包括一四氰基二甲烷鹼 ^alkali - TCNQ)材料。四氰基二甲烷鹼（alkaU—TCNQ) 材料例如包括四氰基二曱烷鈉（Na — TCNQ)、四氰基二曱 烷鉀（K-TCNQ)、四氰基二甲烷铷（Rb_TCNQ)或四氰基 二甲烷鉋（Cs-TCNQ )。 s圖3繪示為使用絕緣半導體轉移材料層做為通道材料 之％效電晶體的示意圖。圖4繪示為沿圖3之場效電晶體的 Π - Π線的剖面示意圖。圖5繪示為圖3之場效電晶體的a | 部分之放大圖。 1 請參照圖3至圖5，二氧化鈒薄膜1 2 0之厚度例如為7 〇 〇 至1 000埃（angstrom)，而二氧化釩薄膜120具有幾平方 微米區域之圖案，其係配置於一單晶藍寶石（A1 203 )基 板(single crystal sapphire substrate ) 110 Ji 〇 二氧
12912pif.ptd 第15頁 1236146 發明說明 化飢薄膜1 2 0為一絕緣半導體轉移材料層，亦可使用其他 絕緣半導體轉移材料層以取代二氧化釩薄膜丨2 〇。本實施 例使用單晶藍寶石基板110，其能夠對於二氧化釩薄膜12〇 的成長提供適合的沈積條件，但本發明並不限定於使用單 晶藍寶石基板11 〇。如果需要，例如使用單晶矽基板或矽 覆絕緣基板（SOI )。 一源極金/鉻電極1 3 〇與一汲極金/鉻電極1 4 〇係分別形 成於部分單晶藍寶石基板110與部分二氧化釩薄膜120上。 ，極金/鉻電極13〇係依附於二氧化釩薄膜12〇之左邊部 =^及極金/鉻電極14〇係依附於二氧化釩薄膜12〇之右邊_ 4刀1源極金/鉻電極丨3 〇與汲極金/鉻電極丨4 〇係彼此隔開 /通道長度L ’而源極金/鉻電極13〇與汲極金/鉻電極14〇 係相面對地配置於二氧化釩薄膜12〇上。如圖5所示，源極 金^鉻、電，1、3〇與汲極金/鉻電極14〇之間的距離（通道距離 )約為3微米，而通道的寬度W約為50微米。在本實施例 金/絡金屬/專膜係做為源極電極與汲極電極，而金/鉻 屬薄膜之鉻膜之功能為一緩衝層（buffer Uyer)， 八提供良好的接合於單晶藍寶石基板HO與金膜之間，且 鉻膜的厚度約為50奈米。 問極絕緣層1 5 0係形成於源極金/鉻電極1 3 0、汲極 ^ 電極14〇、方形的二氧化釩薄膜12〇與部分藍寶石基 反、上―而留下二電極墊（electrode pads )(如圖3所 =处豹f官介電常數約為43之BauSruTi〇3 (BST0 )介電 έσ故為閘極絕緣層1 5 0，但閘極絕緣層1 5 0並不限定為 1236146 五、發明說明（9) -*--- BSTO介電層。除了 BST〇介電層外，其他介電層例如具 介電常數之ρνχζΓχπο3 (〇$χ$〇·5)與三氧化二鈕、（Ta『 〇3 )或具有一般絕緣性質的四氮化三矽（S“N4 )與二氧/匕 矽（S 1 〇2 )均能夠做為閘極絕緣層丨5 〇。一閘極金/鉻電極 1 6 0係形成於閘極絕緣層丨5 〇上。 有關於使用二氧化釩薄膜丨20做為通道材料之場效電 晶體的運作與操作特性請參照圖6，並說明如後。 如圖6所示，在一低汲源極電壓下，未施加偏壓 (b 1 as )於閘極電極丨6 〇之實例6丨〇與施加負向偏壓於閘極 電極1 6 0之實例6 2 0及6 3 0所呈現的電流是不同的。舉例而_ 言’當汲源極電壓約為〇 · 3 V，且未施加偏壓於閘極電極 1 6 0時，流經源極與汲極之間的電流小到可以被忽略。這 疋因為做為通道材料之二氧化飢薄膜12〇内之電洞無法存 在於量子井外。然而，當汲源極電壓約為〇 · 3 V，且施加 - 2 V (實例6 2 0 )或- 1 〇 V (實例6 3 0 )的負向偏壓於閘極電 極1 6 0時，流經源極與汲極之間的電流是未施加偏壓於閘 極電極160 (實例630 )之電流的250倍。當施加-2V或-ίον 的負向偏壓於二氧化釩薄膜120之表面，以誘發量子井内 的電洞移動至二氧化釩薄膜120之表面時，一導通路徑 (conduct ive path )係形成於源極與汲極之間。 請參照圖3與圖4，其繪示本發明之場效電晶體的製造 方法。首先，一二氧化鈒薄膜1 2 0係形成於單晶藍寶石基 板110上，而二氧化釩薄膜120之厚度約為700至1000埃。 使用旋轉塗佈器（spin-coater)將一光阻層（未繪示）
12912pif.ptd
1236146 五、發明說明（10) 塗佈於二氧化鈒薄膜120上，並藉由一使用鉻遮罩 (Cr-mask )之微影製程與一蝕刻製程，圖案化二氧化釩 薄膜1 2 0。一射頻離子研磨製程能夠用於钱刻製程。二氧 化鈒薄膜1 2 0係已圖案化，其係具有幾平方微米之一方形 區域。 接著，一金/鉻層係形成於單晶藍寶石基板i i 〇上，而 單晶藍寶石基板1 1 〇上之部分二氧化釩薄膜係已移除，且 方形的二氧化釩薄膜120之厚度約為200奈米。藉由一習知 的剝除製程（lift-off process)，形成一源極金/鉻電 極130與一汲極金/鉻電極140覆蓋於部分二氧化釩薄膜丨2〇 _ 之左側與右侧。藉由剝除製程，移除部分源極金/鉻電極 130與汲極金/鉻電極140，以形成長3微米與寬50微米之通 道時，必須謹慎。如果需要的話，通道的長度與寬度可以 改變。 再者，一閘極絕緣層1 5 0係形成於單晶藍寶石基板丨j 〇 所暴露之表面、源極金/鉻電極130、汲極金/鉻電極140與 一氧化飢薄膜1 2 0上。然後’圖案化閘極絕緣層1 5 〇，以形 成源極金/銘^電極1 3 0與 >及極金/絡電極1 4 0接塾。做為間極 電極之閘極金/鉻電極160係形成於閘極絕緣層150上。閑 _ 極金/鉻電極160的形成方法與源極金/鉻電極130及汲極金· /鉻電極1 4 0相似。 綜上所述，相較於習知技術之使用pn接合之半導體結 構，本發明之場效電晶體使用一絕緣半導體轉移材料薄膜 做為通道材料。因此，本發明之場效電晶體之優點為不受
第18頁 1236146 五、發明說明（ί1) 短通道效應所產生的問題之困擾與改善本身的積集度及開 ，速度電晶體還具有另_項優點，其能夠根據是否 於閑極電極上’而此時施加-相當低的負 狀離。特別I，/、# 間，以提供一絕緣狀態或導通 狀也符別疋，在導通狀態下 的2 5 0倍。 电机為絕緣狀悲下之電流 限定：：ί發二例揭露如上，然其並非用以 和範圍内，當可 在不脫離本發明之精神 铲® A、日 作二許之更動與潤飾’因此太恭 摩巳圍當硯後附之由咬 〃 U此本發明之保護 申明專利範圍所界定者為準 12912pif.ptd 第19頁 1236146 圖式簡單說明 圖1為本發明之場效電晶體之溫度變化與通道材料電 阻的曲線圖。 圖2為本發明之場效電晶體之霍爾效應量測結果曲線 圖。負號（-）代表載子為電洞。 圖3為本發明之場效電晶體的佈局示意圖。 圖4繪示沿圖3之場效電晶體的Π - Π ’線的剖面示意 圖。 圖5繪示圖3之場效電晶體的A部分之放大圖。 圖6繪示圖3之場效電晶體的操作特性曲線圖。 【圖式標示說明】 11 0 :藍寶石基板 1 2 0 :二氧化釩薄膜 1 30 :源極金/鉻電極 140 :汲極金/鉻電極 1 5 0 :閘極絕緣層 1 6 0 :閘極金/絡電極 6 1 0、6 2 0、6 3 0 :實例
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Claims (1)

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一種場效電晶體，包括： 擇性地提供一第一 %者為該第一態， 體轉移材料層之一 此時該些電洞移動 以形成一導通通 At 一絕緣半導體轉移材料層，其係選 二、與 第二態，其中尚未施加一閘極電 此時多數個電洞不會移動至該絕緣半導 表面’而施加一負電場者為該第二態， 至該絕緣半導體轉移材料層之該表面， 道； 二閘極絕緣層，形成於該絕緣半導體轉移材料層上· 強产極，形成於該閘極絕緣層上'，適於施：預定 源度之一負電場於該絕緣半導體轉移材料層，·以及 本二Ϊ極電極與一汲極電# ’彼此面向地配置於該絕緣 干等體，移材料層之兩側，當該絕緣半導體轉移材料層為 ，第二態時，該源極電極與該汲極電極能夠驅動多數^電 荷載子通過該導通通道。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體，其中該 絕緣半導體轉移材料層係配置於一矽基板、一矽覆絕緣基 板與一藍寶石基板其中之一上。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體，其中該 絕緣半導體轉移材料層為一二氡化釩、三氧化二釩與五氧 化二釩薄膜其中之一。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體，其中該 絕緣半導體轉移材料層為一四氰基二曱烷鹼薄膜，其包括 四氰基二曱烧鈉、四氰基二曱炫鉀、四氰基二甲烧物與四 氰基二曱烷鉋其中之一。
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六、申請專利範圍 5 ·如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體，其中該 閑極^絕=層為一介電層，其包括BaQ.5SrQ5Ti03、PtvxZrxTi〇3 (〇 -Χ 5 }、三氧化二鈕、四氮化三矽與二氧化矽其 中之一。 ' 6 ·如申清專利範圍第1項所述之場效電晶體，其中該 源極電極、該汲極電極與該閘極電極為金/鉻電極。 7 · 一種場效電晶體的製造方法，包括： 形成一絕緣半導體轉移材料層於一基板上，以選擇性 地提供一=一態與一第二態，其中尚未施加一閘極電場者 為該第一悲，此時多數個電洞不會移動至該絕緣半導體轉_ 移材料層之一表面，而施加一負電場者為該第二態，此 該些電洞移動至該絕緣半導體轉移材料層之該表面，以 成一導通通道； 形成一源極電極與一汲極電極覆蓋於該絕緣半 移材料層兩側之部分區域上； 形成一絕緣層於該基板 該絕緣半導體轉移材料層上 該源極電極、該汲極電極與 以及 ~ 形成一閘極電極於該絕緣層上。 法 法 膜 甲
8. 如申請專利範圍第7項所述之場效電晶體的製造 ’其中該絕緣半導體轉移材料層為一二氧化釩薄膜。 9. 如申請專利範圍第7項所述之場效電晶體的製造 ，其中該絕緣半導體轉移材料層為一四氰基二甲烷 ，其包括四氰基二甲烷鈉、四氰基二甲烷鉀、四氰美 燒敍Π與四氰基二甲烧絶其中之一。 土
1236146 六、申請專利範圍 法1 0 ·如申請專利範圍第7項所述之場效電晶體的製造方 承’更包括圖案化該絕緣半導體轉移材料層，以形成數十 ”方奈米至數平方微米之一區域。 11 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之場效電晶體的製造 t去’其中該圖案化係使用一微影製程與一射頻離子研磨 製程。 、1 2 ·如申請專利範圍第7項所述之場效電晶體的製造方 去’其中該源極電極、該沒極電極與該閘極電極係使用一 制除製程所形成。
____ 12912pif.ptd 第23頁
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