TWI588997B

TWI588997B - 場效電晶體

Info

Publication number: TWI588997B
Application number: TW101141319A
Authority: TW
Inventors: 冉曉雯; 廖峻宏
Original assignee: 元太科技工業股份有限公司
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2017-06-21
Also published as: TW201324782A

Description

場效電晶體

本發明是有關於一種半導體元件的結構，且特別是有關於一種金屬氧化物半導體電晶體。

金屬氧化物半導體電晶體(Metal Oxide Semiconductor Transistor)是以金屬氧化物半導體層作為主動層的電晶體。相較於以非晶矽薄膜作為主動層的非晶矽薄膜電晶體，金屬氧化物半導體電晶體具有較高的載子遷移率(Mobility)。而相較於以低溫多晶矽作為主動層的低溫多晶矽薄膜電晶體，金屬氧化物半導體電晶體的製程較為簡單，而且金屬氧化物半導體層具有較佳的均勻性，使得金屬氧化物半導體電晶體具有較佳的性能。

目前，提高電晶體的載子遷移率是進一步改善電晶體性能的方法之一。將電晶體的主動層形成為多晶結構是提高電晶體的載子遷移率一種常用方法。例如，以多晶矽作為主動層的多晶矽電晶體會具有較高的載子遷移率。但是，多晶矽的形成，不僅會增加電晶體製程的難度，而且均勻性不佳的多晶矽層會影響電晶體的性能。此外，改變主動層材料組成也是提高電晶體的載子遷移率一種方法，但是替代材料的研發難度較大，不利於加快改善電晶體性能。

因此，本發明之一態樣是在提供一種場效電晶體，其包含閘極、閘極絕緣層、主動層、源極與汲極。上述之閘極、閘極絕緣層與主動層係依序堆疊在一基底上，源極與汲極則分別連接於主動層上。

上述之主動層具有相對之第一表面與第二表面，且主動層之第一表面側的第一能隙值與第二表面側的第二能隙值不同。因此，主動層含有堆疊在一起之至少兩層非晶形之金屬氧化物半導體層，來讓主動層之第一表面側的第一能隙值與第二表面側的第二能隙值不同。

依據一實施方式，上述之第一能隙值與第二能隙值的差異至少為0.5 eV。

依據另一實施方式，上述之第一能隙值與第二能隙值的差異至少為1 eV。

依據又一實施方式，可用來組合出主動層的金屬氧化物半導體，例如可自氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化矽(SiO_x)與其他合適的金屬氧化物半導體中選擇出至少兩種金屬氧化物半導體，堆疊而成上述之主動層。

依據再一實施方式，上述之閘極、源極與汲極位於該主動層之同側。

依據再一實施方式，上述之閘極位於主動層之一側，而源極與汲極位於主動層之相對另一側。

上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。在參閱下文實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。

依據上述，提供一種能增加其電子遷移率的場效電晶體(Field Effect Transistor；FET)。在下面的敘述中，將會介紹上述之效電晶體的例示結構。為了容易瞭解所述實施例之故，下面將會提供不少技術細節。當然，並不是所有的實施例皆需要這些技術細節。同時，一些廣為人知之結構或元件，僅會以示意的方式在圖式中繪出，以適當地簡化圖式內容。

上述之場效電晶體的結構包含閘極、閘極絕緣層、主動層、源極與汲極。依據一實施方式，上述之閘極、閘極絕緣層與主動層係依序堆疊在一基底上，源極與汲極則分別連接於主動層上。

依據另一實施方式，上述之閘極、源極與汲極位於該主動層之同側。依據又一實施方式，上述之閘極位於主動層之一側，而源極與汲極位於主動層之相對另一側。上述之閘極、源極與汲極的材料例如可分別為摻雜半導體材料、金屬矽化物或金屬。上述之閘極絕緣層的材料例如可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其他具有高介電常數值之介電材料。

上述之主動層具有相對之第一表面與第二表面，且主動層之第一表面側的第一能隙值與第二表面側的第二能隙值不同。因此，主動層需含有堆疊在一起之至少兩層非晶形之金屬氧化物半導體層，來讓主動層之第一表面側的第一能隙值與第二表面側的第二能隙值不同。

依據一實施方式，上述之第一能隙值與第二能隙值的差異至少為0.5 eV，例如可至少為1 eV，以有效地增加主動層之電子遷移率。可用來組合出主動層的金屬氧化物半導體的選擇，例如可自氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)與其他合適的金屬氧化物半導體中選擇出至少兩種金屬氧化物半導體，堆疊而成上述之主動層，讓主動層之第一表面與第二表面可分別具有不同的能隙值。

兩層不同的金屬氧化物半導體層堆疊在一起之後，通常會形成異接面(heterojunction)的結構，在所形成之能量井中累積高密度的電子，因此可以有效地提升電子遷移率。此現象在具有單晶結構之三五族半導體中十分常見，高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor；HEMT)即利用此現象來大幅增加其電子的遷移率。在多晶(polycrystalline)系統中，目前只有Huai-An Chin(Journal of Applied Physics 108,054503(2010))觀察到MgZnO/ZnO也有類似的現象發生。但是，在非晶相系統中，尚無人預測或觀察到也會有此現象。究其原因為在單一晶粒中，電子可以輕易地在其中移動。但是要跳躍橫跨不同晶粒間的界面，對電子來說卻是困難重重。因此，材料的結晶度越差，其電子遷移率就會越差。

承上所述，本發明實施方式之場效電晶體的主動層雖然由至少兩層不同之非晶形金屬氧化物半導體層所構成，卻仍然具有增進電子遷移率的效果，實乃出乎本發明技術領域中具有通常知識者的預期之外。

以下，舉出數個實施方式來詳細說明上述的場效電晶體結構。

實施方式一

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。在第1圖中，場效電晶體100包含閘極120、閘極絕緣層130、源極140a、汲極140b與主動層150，其中主動層150具有相對之第一表面150a與第二表面150b。上述之閘極120、閘極絕緣層130與主動層150依序堆疊在基底110上。源極140a與汲極140b位於閘極絕緣層130與主動層150之間，且彼此分隔一距離。亦即，閘極120、源極140a與汲極140b皆位於主動層150之下方同一側。

依據一實施例，上述之主動層150具有堆疊之至少兩層不同的金屬氧化物半導體層(圖上未示出)，分別位於第一表面150a側與第二表面150b側。依據另一實施方式，上述之兩層不同的金屬氧化物半導體層可以為漸進式的混合在一起，讓主動層150之第一表面150a的第一能隙值逐漸增加至或減少至第二表面150b的第二能隙值。依據又一實施方式，在上述之兩層不同的金屬氧化物半導體層之間還可以夾入至少一層之第三金屬氧化物半導體層，第三金屬氧化物半導體層的第三能隙值介於主動層150之第一表面150a的第一能隙值與第二表面150b的第二能隙值之間。

例如，在主動層150之第一表面150a處可為非晶形之氧化銦鎵鋅層，在氧化銦鎵鋅層上再堆疊一層鈣金屬層，讓鈣擴散至氧化銦鎵鋅層之中進行反應，而於第二表面150b處因氧化而形成氧化銦鎵鋅鈣層。因此，形成氧化銦鎵鋅層/氧化銦鎵鋅鈣層的異接面結構。上述結果係由X射線光電子光譜(X-ray photoelectron spectroscopy；XPS)所鑑定而得。結果，原本非晶形之氧化銦鎵鋅層的電子遷移率為12 cm²V^-1s^-1，在形成氧化銦鎵鋅層/氧化銦鎵鋅鈣層的異接面結構之後，電子遷移率增加至驚人的160 cm²V^-1s^-1，完全為不可預期的結果。

實施方式二

請參照第2圖，其繪示依照本發明另一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。在第2圖中，場效電晶體200包含閘極220、閘極絕緣層230、源極240a、汲極240b與主動層250，其中主動層250具有相對之第一表面250a與第二表面250b。上述之閘極220、閘極絕緣層230與主動層250依序堆疊在基底210上。源極240a與汲極240b位於主動層250之上，且彼此分隔一距離。亦即，閘極220位於主動層250之下方，而源極240a與汲極240b位於主動層250之上方。主動層250之細節如上之主動層150所述，所以在此省略不再贅述。

實施方式三

請參照第3圖，其繪示依照本發明又一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。在第3圖中，場效電晶體300包含閘極320、閘極絕緣層330、源極340a、汲極340b與主動層350，其中主動層350具有相對之第一表面350a與第二表面350b。上述之主動層350、閘極絕緣層330與閘極320依序堆疊在基底310上。源極340a與汲極340b位於主動層350之上，且分別位於閘極320之兩側。亦即，閘極320、源極340a與汲極340b皆位於主動層350之上方。主動層350之細節如上之主動層150所述，所以在此省略不再贅述。

實施方式四

請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。在第4圖中，場效電晶體400包含閘極420、閘極絕緣層430、源極440a、汲極440b與主動層450，其中主動層450具有相對之第一表面450a與第二表面450b。上述之主動層450、閘極絕緣層430與閘極420依序堆疊在基底410上。源極440a與汲極440b位於主動層450與基底410之間，且彼此分隔一距離。亦即，閘極420位於主動層450上方，而源極440a與汲極440b位於主動層450之下方。主動層450之細節如上之主動層150所述，所以在此省略不再贅述。

由上述本發明實施方式可知，場效電晶體之主動層若由至少兩種不同之非晶形金屬氧化物半導體層堆疊而成，也會形成異接面結構而大幅增加主動層內的電子遷移率，從而大幅改善場效電晶體的性能。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400‧‧‧場效電晶體

110、210、310、410‧‧‧基底

120、220、320、420‧‧‧閘極

130、230、330、430‧‧‧閘極絕緣層

140a、240a、340a、440a‧‧‧源極

140b、240b、340b、440b‧‧‧汲極

150、250、350、450‧‧‧主動層

150a、250a、350a、450a‧‧‧第一表面

150b、250b、350b、450b‧‧‧第二表面

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是繪示依照本發明一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。

第2圖是繪示依照本發明另一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。

第3圖是繪示依照本發明又一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。

第4圖是繪示依照本發明再一實施方式的一種場效電晶體之剖面結構示意圖。

100‧‧‧場效電晶體

110‧‧‧基底

120‧‧‧閘極

130‧‧‧閘極絕緣層

140a‧‧‧源極

140b‧‧‧汲極

150‧‧‧主動層

150a‧‧‧第一表面

150b‧‧‧第二表面

Claims

一種場效電晶體，該場效電晶體包含：一閘極；一閘極絕緣層；一主動層，具有相對之一第一表面與一第二表面，其中該閘極、該閘極絕緣層與該主動層依序堆疊於一基底上，該主動層具有非晶形之至少兩層不同的金屬氧化物半導體層，且該主動層之該第一表面側之第一能隙值與該第二表面側之第二能隙值不同；以及一源極與一汲極分別連接於該主動層，其中該閘極位於該主動層之一側，該源極與該汲極位於該主動層之相對另一側。
如請求項1所述之場效電晶體，其中該第一能隙值與該第二能隙值的差異大於0.5eV。
如請求項1所述之場效電晶體，其中該第一能隙值與該第二能隙值的差異大於1eV。
如請求項1所述之場效電晶體，其中該主動層之該第一能隙值逐漸轉變成該第二能隙值。
如請求項1所述之場效電晶體，其中該兩種不同的金屬氧化物半導體的材料係分別選自於由氧化銦鎵鋅 (IGZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)與氧化矽(SiO_x)所組成之族群。
如請求項1所述之場效電晶體，更包含一第三金屬氧化物半導體層位於該兩層不同的金屬氧化物半導體層之間，該第三金屬氧化物半導體層的第三能隙值介於該第一能隙值與該第二能隙值之間。
如請求項6所述之場效電晶體，其中該第三金屬氧化物半導體層的材料係選自於由氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂O₃)與氧化矽(SiO_x)所組成之族群。
如請求項1所述之場效電晶體，其中該閘極、該源極與該汲極位於該主動層之同側。
一種場效電晶體，包含：一閘極；一閘極絕緣層；一主動層，具有相對之一第一表面與一第二表面，其中該閘極、該閘極絕緣層與該主動層依序堆疊於一基底上，該主動層包含由一氧化銦鎵鋅層與一氧化銦鎵鋅鈣層所組成的一異接面結構，且該主動層之該第一表面側之第一能隙值與該第二表面側之第二能隙值不同；以及一源極與一汲極分別連接於該主動層。