專利名稱：采用絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場效應(yīng)晶體管及其制造方法，特別是，采用絕緣體-半導(dǎo)體(Insulator-semiconductor)轉(zhuǎn)換材料層作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管及其制造方法。
背景技術(shù)：
在晶體管中，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)作為極小尺寸和高速開關(guān)晶體管已經(jīng)普遍成為設(shè)計者的首選。金屬氧化物場效應(yīng)晶體管以雙pn-結(jié)結(jié)構(gòu)為基本結(jié)構(gòu)，pn-結(jié)結(jié)構(gòu)在低漏極電壓的情況下具有線性特性。隨著器件集成程度的提高，總的溝道長度需要減小。然而，減小溝道長度會導(dǎo)致因短溝道效應(yīng)而造成的各種問題。例如，當溝道長度減小到約50nm或更小時，耗盡層的尺寸增加，因此電荷載流子密度改變，柵極與溝道之間的電流增加。
為了解決這些問題，已經(jīng)研究在場效應(yīng)晶體管上使用Mott-Hubbard絕緣體作為溝道材料，Mott-Hubbard絕緣體要經(jīng)過Hubbard的連續(xù)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，即，二次相變。J.Hubbard在《Proc.Roy.Sci.(London)A276,238(1963)，A281，401(1963)》中解釋了Hubbard的連續(xù)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，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)》中揭示了應(yīng)用Hubbard的連續(xù)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的晶體管。使用Hubbard的連續(xù)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的晶體管稱作Mott-Hubbard場效應(yīng)晶體管或者是Mott場效應(yīng)晶體管。Mott-Hubbard場效應(yīng)晶體管根據(jù)金屬-絕緣體相變來完成開/關(guān)操作。與MOSFETs相比，Mott-Hubbard場效應(yīng)晶體管不含有任何耗盡層，因此，相應(yīng)地大大提高其集成度。此外，據(jù)稱Mott-Hubbard場效應(yīng)晶體管能提供比MOSFETs更高速的開關(guān)功能。
另一方面，Mott-Hubbard場效應(yīng)晶體管使用Mott-Hubbard絕緣體作為溝道材料。該絕緣體具有金屬性結(jié)構(gòu)，每個原子里有一個電子。這種不勻稱性導(dǎo)致很大的漏電流，因此，晶體管在低柵電壓和低源-漏電壓下不能獲得很高的放大電流。例如，一種Mott-Hubbard絕緣體如Y1-xPrxBa2Cu3O7-d(YPBCO)包括具有高導(dǎo)電性的銅元素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種場效應(yīng)晶體管，其采用絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層作為溝道材料，在低柵極電壓和低源-漏電壓下獲得很大的放大電流。
本發(fā)明還提供了場效應(yīng)晶體管的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種場效應(yīng)晶體管，其包括絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層，其可以選擇性地提供第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，其中，第一狀態(tài)當不施與柵場時，帶電空穴不能被引入到絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面；第二狀態(tài)當施與負柵場時，大量的帶電空穴被引入到絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面以形成導(dǎo)電溝道；柵絕緣層，其形成于絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層上；柵極，其形成于柵絕緣層上，用于給絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層施與預(yù)定強度的負性柵場；源極和漏極，它們在絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的兩側(cè)彼此相對布置，當絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層處于第二狀態(tài)時，能通過導(dǎo)電溝道移動電荷載流子。
絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層可以布置在硅基板、絕緣硅基板或者是藍寶石基板上。
絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層可以是二氧化釩(VO2)，V2O3，V2O5薄膜。
絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層可以是堿金屬-四氰基對醌二甲烷(TCNQ)薄膜，其選自于Na-TCNQ，K-TCNQ，Rb-TCNQ和Cs-TCNQ組成的組。
柵絕緣層可以是介電層，其選自于Ba0.5Sr0.5TiO3，Pb1-xZrxTiO3(0≤X≤0.5)，Ta2O3，Si3N4和SiO2組成的組。
源極、漏極和柵極可以是金/鉻(Au/Cr)電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了場效應(yīng)晶體管的制造方法，其包括在基板上形成絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層，以選擇性地提供第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，在該第一狀態(tài)中，當不施與柵場時，空穴不被引入該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面；在第二狀態(tài)中，當施與負柵場時，大量的空穴被引入絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層以形成導(dǎo)電溝道；形成源極和漏極，以覆蓋絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層兩側(cè)的一部分；在該基板、該源極、該漏極和該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層上形成絕緣層；和在該絕緣層上形成柵極。
基板可以是單晶硅基板、絕緣硅基板或者藍寶石基板。
絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層可以是二氧化礬薄膜。
絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層可以是堿金屬-四氰基對醌二甲烷薄膜。
制造方法可以還包括對絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層構(gòu)圖，以使之具有幾十nm2到幾μm2的面積。
該構(gòu)圖可以是采用光刻工藝和射頻離子銑削法工藝完成的。
該源極、漏極和柵極可以是采用剝離工藝形成的。


圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的溝道材料的電阻隨溫度變化的示意圖；圖2是圖解根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的霍爾(Hall)效應(yīng)測量結(jié)果的示意圖。負號(-)代表載流子是空穴；圖3是圖解根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的布置圖的示意圖；圖4是沿著圖3所示的場效應(yīng)晶體管II-II線剖取的截面視圖；圖5是圖3所示的場效應(yīng)晶體管的“A”部分的放大圖；和圖6是圖解圖3所示的場效應(yīng)晶體管的工作特性的示意圖。
110三氧化二鋁基板，120二氧化釩薄膜，130源金/鉻電極，140漏金/鉻電極，160柵金/鉻電極，150電介質(zhì)柵-絕緣體層。
具體實施例方式
圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的溝道材料的電阻隨溫度變化的示意圖。
參照圖1，用作場效應(yīng)晶體管溝道材料的絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的代表性實施例是二氧化釩(VO2)薄膜。例如，VO2薄膜是Mott-Brinkman-Rice絕緣體。這樣，VO2薄膜的電阻直到溫度升到約330K時才呈對數(shù)下降。但是，當溫度達到約340K時，VO2薄膜的電阻迅速下降，因此會發(fā)生相變而變成金屬。這樣的相變雖然在正常溫度下不會自然地發(fā)生，但在特定條件下，相變在正常溫度下也能發(fā)生，即當在VO2薄膜的表面施與預(yù)定電壓，帶電的空穴注入到VO2薄膜里時。為了利用這種物理絕緣-金屬相變現(xiàn)象，帶電空穴應(yīng)在漏、源兩極間施與相對高電壓時注入到VO2薄膜里。根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管沒有采用絕緣-金屬相變現(xiàn)象。根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，即使在源、漏兩極間施與相對低的電壓時，在VO2薄膜的表面也會形成負性柵場，產(chǎn)生在漏、源極間流動的電流。
圖2是圖解根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的霍爾效應(yīng)測量結(jié)果的示意圖。在圖2中，符號“-”代表空穴。
如圖2所示，霍爾效應(yīng)測量結(jié)果顯示在溫度約為332K時呈現(xiàn)在VO2薄膜內(nèi)的電子為大約10.7×1015/cm3，隨著溫度的升高，電子的數(shù)量會急劇增加。如前所釋，這是解釋VO2薄膜的絕緣體-金屬相變的理論基礎(chǔ)。同時，在溫度大約332K時，呈現(xiàn)大約1.16×1017個空穴/cm3；溫度大約330K時，呈現(xiàn)7.37×1015個空穴/cm3。隨著溫度的降低，空穴的數(shù)量會逐漸的減少。最后，在溫度大約324K時，呈現(xiàn)1.25×1015個空穴/cm3。與電子不同，由于電荷守恒，當通過霍爾效應(yīng)測量的空穴數(shù)量減少時，由柵場引起的空穴數(shù)量增加。就是說，隨著溫度的降低，大量空穴被限制在預(yù)定的量子阱中。因此，通過限制在量子阱中大量空穴的感應(yīng)，即使施與很低柵場時，也可以獲得很好的導(dǎo)電狀態(tài)。絕緣體-半導(dǎo)體相變材料具有這些特性。即，絕緣體-半導(dǎo)體相變材料具有這樣的特性當場沒有形成時，可以保持絕緣狀態(tài)；反之，當形成負性場時，利用引起的空穴能夠形成導(dǎo)電溝道。絕緣體-半導(dǎo)體相變材料的例子除了二氧化釩(VO2)薄膜還包括堿金屬-四氰基對醌二甲烷(TCNQ)材料。堿-四氰基對醌二甲烷(TCNQ)材料可以從Na-TCNQ，K-TCNQ，Rb-TCNQ和Cs-TCNQ組成的組中選出來。
圖3是圖解采用絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管的布置圖的示意圖。圖4是沿著圖3所示的場效應(yīng)晶體管II-II線剖取的截面視圖。圖5是圖3所示的場效應(yīng)晶體管的“A”部分的放大圖。
參照圖3至5，VO2薄膜120布置在單晶藍寶石(Al2O3)基板110上，其厚度約為700-1000，并具有幾μm2的面積的圖案。VO2薄膜120是絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層。可以使用其它的絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層代替VO2薄膜120。雖然本示范性實施例使用了為VO2薄膜120的生成提供了合適的布置條件的單晶藍寶石基板110，但是本發(fā)明不局限于此。例如，如果需要可以使用單晶硅(Si)基板，或者是絕緣硅(SOI)基板。
第一金/鉻(Au/Cr)電極130和第二金/鉻電極140作為源極和漏極分別在單晶藍寶石基板110和VO2薄膜120的一部分上形成。第一金/鉻電極130粘附到VO2薄膜120左側(cè)部分上。第二金/鉻電極140則粘附到VO2薄膜120右側(cè)部分上。第一金/鉻電極130和第二金/鉻電極140彼此隔開距離為溝道長度L，相對布置在VO2薄膜120上。如圖5所示，第一金/鉻電極130和第二金/鉻電極140間的距離，即溝道長度L，大約為3μm，溝道寬度W大約為50μm。在本實施例中，金/鉻金屬薄膜用作源極和漏極，金/鉻雙金屬薄膜中的鉻膜起到緩沖層作用，以在單晶藍寶石基板110和金膜之間有很好的粘附力，該鉻膜的厚度約為50nm。
柵絕緣層150形成于第一和第二金/鉻電極130和140、方形VO2薄膜120和部分藍寶石基板110上，留出如圖3所示的兩個電極焊盤。雖然具有介電常數(shù)約為43的Ba0.5Sr0.5TiO3(BSTO)介電層可以用作柵絕緣層150，但是柵絕緣層150不局限于BSTO介電層。除了BSTO介電層還有其它的介電層可用作柵絕緣層150，例如，具有很高介電常數(shù)的Pb1-xZrxTiO3(0≤x≤0.5)和Ta2O3，或者具有一般絕緣特性的SiO2等。第三金/鉻電極160作為柵極在柵絕緣層150上形成。
參照圖6上的示意圖，它解釋了采用VO2薄膜作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管的工作及其工作特性。
如圖6所示，在漏-源電壓低時，在不給柵極160施與偏壓的610情況下和給柵極160施與負偏壓的620及630情況下，二者之間電流有相當大的差別。例如，在漏-源電壓約為0.3V的情況下，當不給柵極160施與偏壓時，漏-源兩極間流動的電流很小，可以忽略不計。這是因為在用作溝道材料的VO2薄膜中的空穴不能從量子阱里出來。然而，在漏-源電壓約為0.3V的情況下，當給柵極160施與負偏壓-2V(620)或者-10V(630)時，源-漏兩極間流動的電流是不給柵極160(610)施與偏壓時的250倍。這是因為當在VO2薄膜表面施與負偏壓-2V或-10V時，導(dǎo)致量子阱里的空穴到VO2薄膜表面，在源和漏間形成導(dǎo)電溝道。
參照圖3和4，它們解釋了根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的制造方法。
首先，在單晶藍寶石基板110上形成厚度約為700-1000的VO2薄膜120。使用旋轉(zhuǎn)涂膠機將光敏抗蝕劑層(未列示)涂在VO2薄膜120上，通過采用鉻-掩模的曝光工藝和蝕刻工藝，給VO2薄膜120構(gòu)制圖案。射頻(RF，無線電頻率)離子銑削法工藝可用作蝕刻工藝。VO2薄膜120被構(gòu)圖為具有幾μm2面積的方形。
其次，金/鉻層在單晶藍寶石基板110表面上形成，將基板上的部分VO2薄膜去除，方形的VO2薄膜120厚度約為200nm。通過一般的剝離工藝，第一金/鉻電極130和第二金/鉻電極140形成為覆蓋在VO2薄膜120右左兩側(cè)的一部分上。當通過剝離工藝剝掉部分金/鉻層時，應(yīng)該注意使得溝道長3μm、寬50μm。如果必要，溝道的長和寬可以改變。
再次，柵絕緣層150形成于單晶藍寶石基板110、第一金/鉻電極130、第二金/鉻電極140及VO2薄膜120的暴露的表面上。然后，給柵絕緣層150構(gòu)制圖案，以突現(xiàn)第一電極130和第二電極140的焊盤。第三金/鉻電極160作為柵極形成于柵絕緣層150上。第三金/鉻電極160采用與第一和二金/鉻電極130和140相同的方式形成。
如上所述，與使用單pn-結(jié)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的常規(guī)技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管采用了絕緣體-半導(dǎo)體相變材料薄膜作為溝道材料。因此，本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管具有一個優(yōu)點不會遇到短溝道效應(yīng)引起的問題，由此能夠提高其集成度和開關(guān)速度。該場效應(yīng)晶體管具有另外一個優(yōu)點在漏-源兩極間施與相當?shù)偷钠珘旱臓顟B(tài)下，根據(jù)是否給柵極施與負電壓，它能夠提供絕緣狀態(tài)或?qū)顟B(tài)。特別是，在導(dǎo)通狀態(tài)時流過的電流是絕緣狀態(tài)時流過的電流的250倍。
盡管本發(fā)明參照示范性實施例已經(jīng)進行詳細示出和描述，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到，在其上進行的形式上和細節(jié)上的各種變化都不能脫離如所附權(quán)利要求的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，其包括絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層，其選擇性地提供第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，在第一狀態(tài)中，當不施與柵場時，帶電空穴不被引入到絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面；在第二狀態(tài)中，當施與負柵場時，大量的帶電空穴被引入到絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面，以形成導(dǎo)電溝道；柵絕緣層，其在該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層上形成；柵極，其在該柵絕緣層上形成，給該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層施與預(yù)定強度的負柵場；和源極和漏極，它們在該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層兩側(cè)彼此相對，當該絕緣體半導(dǎo)體材料層處于該第二狀態(tài)時，移動帶電載流子通過該導(dǎo)電溝道。
2.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層布置在硅基板、絕緣硅基板或藍寶石基板上。
3.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層是二氧化釩(VO2)、V2O3、V2O5薄膜。
4.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層是堿金屬-四氰基對醌二甲烷(TCNQ)薄膜，其選自于Na-TCNQ、K-TCNQ、Rb-TCNQ和Cs-TCNQ組成的組。
5.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該柵絕緣層是介電層，其選自于Ba0.5Sr0.5TiO3，Pb1-xZrxTiO3(0≤X≤0.5)，Ta2O3，Si3N4和SiO2組成的組。
6.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該源極、該漏極和該柵極是金/鉻電極。
7.一種制造場效應(yīng)晶體管的方法，其包括在基板上形成絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層，以選擇性地提供第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，在該第一狀態(tài)中，當不施與柵場時，空穴不被引入該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面；在第二狀態(tài)中，當施與負柵場時，大量的空穴被引入絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層以形成導(dǎo)電溝道；形成源極和漏極，以覆蓋絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層兩側(cè)的一部分；在該基板、該源極、該漏極和該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層上形成絕緣層；和在該絕緣層上形成柵極。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層是二氧化釩薄膜。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，該絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層是堿金屬-四氰基對醌二甲烷(TCNQ)薄膜，其選自于Na-TCNQ、K-TCNQ、Rb-TCNQ和Cs-TCNQ組成的組。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括對絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層構(gòu)圖，以使之具有幾十nm2到幾μm2的面積。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，該構(gòu)圖是采用光刻工藝和射頻離子銑削法工藝完成的。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，該源極、該漏極和該柵極是采用剝離工藝形成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的場效應(yīng)晶體管。絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層可以選擇性地提供第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，第一狀態(tài)當不施與柵場時，帶電空穴就不注入到絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面；第二狀態(tài)當施與負性柵場時，大量的帶電空穴被注入到絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的表面形成導(dǎo)電溝道。柵絕緣層形成于絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層上。柵極形成于柵絕緣層上，給絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層施與預(yù)定強度的負性柵場。源極和漏極在絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層的兩側(cè)彼此相對布置，以便當絕緣體－半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料層處于第二狀態(tài)時，電荷載流子能通過導(dǎo)電溝道流動。
文檔編號H01L51/00GK1771607SQ200380110309
公開日2006年5月10日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者金鉉卓, 姜光鏞, 尹斗協(xié), 蔡秉圭 申請人:韓國電子通信研究院