專利名稱：在其隧穿層中具有量子點(diǎn)的晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體組件，其設(shè)置在半導(dǎo)體本體中，在所有情況下都具有第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)源區(qū)和至少一個(gè)漏區(qū)，在所有情況下都具有設(shè)置在源區(qū)和漏區(qū)之間的第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)本體區(qū)，以及具有借助絕緣層相對(duì)于半導(dǎo)體本體絕緣的至少一個(gè)柵電極。本發(fā)明還涉及一種制造半導(dǎo)體組件的方法。
背景技術(shù)：
在廣泛的實(shí)施例中公知了具有晶體管功能的組件，這些實(shí)施例中之一是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)類型。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的情況下，通過(guò)將電壓施加到控制電極(柵電極)上來(lái)改變電子溝道中的電荷載流子密度，該電子溝道設(shè)置為與源區(qū)和漏區(qū)接觸?？刂齐姌O可通過(guò)阻擋PN結(jié)(JFET)或通過(guò)絕緣層(一般是SiO2或金屬氧化物)(MOSFET)與溝道隔離。在MOSFET的情況下，隨著柵電壓增加，通過(guò)柵電極下面的感應(yīng)產(chǎn)生了導(dǎo)電溝道。電壓的類型，即正或負(fù)電壓，取決于TFT的摻雜類型。
對(duì)所謂的單電子晶體管的制造非常感興趣，其尤其很可能用于非易失性存儲(chǔ)器中。在柵氧化物中具有量子點(diǎn)的MOSFET是這種單電子晶體管。當(dāng)將電壓施加到柵電極上時(shí)，電子隧穿過(guò)柵氧化物至量子點(diǎn)并且由此被吸收。可以被量子點(diǎn)吸收的電子數(shù)受到帶負(fù)電的量子點(diǎn)、和帶負(fù)電的量子點(diǎn)與帶負(fù)電的電子之間的庫(kù)侖合斥力的限制。
由于電子當(dāng)隧穿離開(kāi)時(shí)必須克服高的能量勢(shì)壘，所以在這種晶體管中保持時(shí)間，即其中電荷存儲(chǔ)在柵氧化物的量子點(diǎn)中的時(shí)間很長(zhǎng)。這使得在非易失性存儲(chǔ)器中使用這些單晶體管尤其受到關(guān)注。通過(guò)將電壓施加到柵電極上會(huì)降低能量勢(shì)壘。
US 6,586,785描述了一種其中晶體管的浮柵包含由電介質(zhì)殼圍繞的半導(dǎo)體納米顆粒層的晶體管。浮柵設(shè)置在兩個(gè)氧化物層之間，其中它的一層是隧道氧化物。利用真空技術(shù)制造和沉積納米顆粒。
該晶體管的缺點(diǎn)在于，利用真空技術(shù)制造非常復(fù)雜且昂貴。隧道氧化物層的制造常常產(chǎn)生更多的困難。隧道氧化物層必須不能太薄并因此導(dǎo)電，這是因?yàn)榉駝t會(huì)出現(xiàn)短路。另一方面，隧道氧化物層必須不能太厚，否則電子不能隧穿過(guò)它。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有絕緣層的改進(jìn)的半導(dǎo)體組件，其制造簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)。
通過(guò)一種半導(dǎo)體組件來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的，該半導(dǎo)體組件設(shè)置在半導(dǎo)體本體中，在所有情況下都具有第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)源區(qū)和至少一個(gè)漏區(qū)，在所有情況下都具有設(shè)置在源區(qū)和漏區(qū)之間的第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)本體區(qū)，以及具有借助絕緣層相對(duì)于半導(dǎo)體本體絕緣的至少一個(gè)柵電極，該絕緣層是包含量子點(diǎn)的固結(jié)層(consolidatedlayer)。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體組件具有如下優(yōu)點(diǎn)，即，使用不包含任何單獨(dú)設(shè)置的量子點(diǎn)的固結(jié)層，代替地，量子點(diǎn)設(shè)置在固結(jié)層中，其因此更堅(jiān)固。
而且，在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體組件的情況下不需要施加隧道氧化物層。這簡(jiǎn)化了半導(dǎo)體組件的制造工藝，并且減少了當(dāng)半導(dǎo)體組件處于工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)在層界面處的接觸問(wèn)題的數(shù)量，這是因?yàn)檩^少的層存在于半導(dǎo)體組件中。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體組件的另一優(yōu)點(diǎn)是，可通過(guò)濕法化學(xué)工藝制造量子點(diǎn)，由此減少了半導(dǎo)體組件的制造成本。
另外本發(fā)明還涉及一種半導(dǎo)體組件的制造方法，該半導(dǎo)體組件設(shè)置在半導(dǎo)體本體中，在所有情況下都具有第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)源區(qū)和至少一個(gè)漏區(qū)，在所有情況下都具有設(shè)置在源區(qū)和漏區(qū)之間的第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)本體區(qū)，以及具有借助包含量子點(diǎn)的固結(jié)絕緣層相對(duì)于半導(dǎo)體本體絕緣的至少一個(gè)柵電極，在該方法中通過(guò)將包含量子點(diǎn)的懸浮體施加到半導(dǎo)體本體上并且使它固結(jié)來(lái)制造該固結(jié)的絕緣層。
當(dāng)制造絕緣層時(shí)，有利地采用了熔點(diǎn)降低的納米晶體材料。通過(guò)采用這種效應(yīng)，可在低溫T、一般在T＜300℃下固結(jié)該絕緣層。
由各自的從屬權(quán)利要求揭示進(jìn)一步有利的發(fā)展。


將參考各圖中所示實(shí)施例的實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明，然而，不限制本發(fā)明。在圖中圖1以截面圖示出了MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
圖1是MOSFET結(jié)構(gòu)的示意圖。例如由硅、GaAs、SiC、GaN或InP制成的半導(dǎo)體本體1，包括第一表面2(晶片正面)和第二表面3(晶片背面)。將從中隔開(kāi)的強(qiáng)n摻雜的源區(qū)4和強(qiáng)n摻雜的漏區(qū)5引入到第一表面2中。在MOSFET的該實(shí)施例中，第一導(dǎo)電類型因此是n導(dǎo)電的，第二導(dǎo)電類型是p導(dǎo)電的，并且獲得了n溝道MOSFET。原則上，可顛倒n和p摻雜，以便獲得p溝道MOSFET。例如硼可用作p導(dǎo)電區(qū)的摻雜原子，以及例如磷、砷或銻可用作n導(dǎo)電區(qū)的摻雜原子。源區(qū)4經(jīng)由源極金屬化6(源電極)以導(dǎo)電的方式接觸，漏區(qū)5經(jīng)由漏極金屬化7(漏電極)接觸。p導(dǎo)電本體區(qū)8設(shè)置在源區(qū)4和漏區(qū)5之間。在本體區(qū)8的區(qū)域中位于第一表面2處的區(qū)域中，設(shè)置了經(jīng)由絕緣層9與半導(dǎo)體本體1絕緣的柵電極10(控制電極)。柵電極10、源電極6和漏電極7分別連接至柵極端G、源極端S和漏極端D，并且借助圖1中未示出的鈍化層例如場(chǎng)氧化物，在第一表面2處彼此相距一定距離向外絕緣。絕緣區(qū)11還設(shè)置在半導(dǎo)體組件的邊緣區(qū)域。柵電極10、源電極6和漏電極7可包含例如Al、Au-Sb、Ni-Ge、Au-Ni-Ge、Ni-Ag-Ge、Ni-Pd-Ge、Ni-Pt-Ge、Ni-In-Ge、Ti、Al-Ti、Al-Ti-Al、Ni、Ti-Au或Pd-Au的材料。在每個(gè)單獨(dú)情況下，材料的選擇尤其取決于所使用的半導(dǎo)體材料和摻雜的類型。
固結(jié)的絕緣層9包含量子點(diǎn)，其嵌入在電介質(zhì)基質(zhì)中。量子點(diǎn)例如包含所謂的組合物半導(dǎo)體，即由周期表主族的各種元素組成的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料例如是IV族材料、III/V族材料、II/VI族材料、I/VII族材料或這些半導(dǎo)體材料的一種或多種的組合。優(yōu)選量子點(diǎn)包含Si或II/VI族材料，例如CdSe、CdS、CdTe、ZnS、HgS、ZnTe、ZnSe、ZnO或III/V族材料，例如InP、InAs、InN、GaAs、GaN、GaP、GaSb、AlAs或AlP。量子點(diǎn)還可包含TiO2、PbS或任意其它所希望的材料。
可選地，量子點(diǎn)還可構(gòu)造為使得量子點(diǎn)包含被大帶隙電介質(zhì)殼圍繞的半導(dǎo)體材料的核。電介質(zhì)殼的材料是電介質(zhì)材料，例如SiO2、Al2O3或Y2O3。這些材料顯示出高的帶隙且因此具有良好的絕緣特性。這種量子點(diǎn)還公知為“核/殼量子點(diǎn)”。具有核/殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)選量子點(diǎn)例如是TiO2/SiO2或ZnS/SiO2。
核/殼量子點(diǎn)中的量子點(diǎn)的直徑或核的直徑取決于所使用的材料且總計(jì)優(yōu)選在1和10nm之間。對(duì)于量子點(diǎn)的直徑尤其可以優(yōu)選在1和5nm之間。電介質(zhì)殼的層厚度還取決于所使用的材料。層厚度必須不能太大，因?yàn)榉駝t電子不再能隧穿過(guò)電介質(zhì)基質(zhì)到達(dá)完成的、固結(jié)的絕緣層9中的量子點(diǎn)。層厚度必須不能太小，因?yàn)榉駝t會(huì)使電介質(zhì)基質(zhì)不充分地絕緣，從而造成短路。電介質(zhì)殼的層厚度優(yōu)選在2.5nm的范圍內(nèi)。
關(guān)于這一點(diǎn)，固結(jié)描述了聚集顆粒、也就是量子點(diǎn)以形成連續(xù)絕緣層9的物理工藝。這可借助例如加熱、壓力、曝光、化學(xué)反應(yīng)或這些方式的組合來(lái)進(jìn)行。對(duì)于固結(jié)處理尤其是優(yōu)選借助加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。還可指定該工藝為絕緣層9的燒結(jié)。
通常借助膠態(tài)化學(xué)合成來(lái)制造量子點(diǎn)。在該工藝中，將反應(yīng)配對(duì)(reaction partner)，一般是含金屬的化合物和不含金屬的化合物混合在有機(jī)溶劑中或水中并且在升高的溫度下引起反應(yīng)。
為了制造含核和電介質(zhì)殼的量子點(diǎn)，首先如上所述制造該核。然后冷卻該溶液，并且將電介質(zhì)殼的一種或多種前體添加到該溶液。
在SiO2的電介質(zhì)殼的情況下，首先制造核并且將其分散在醇溶液中。在添加了四乙基正硅酸酯(TEOS)和增大pH值之后，在核上沉積SiO2前體。通過(guò)將該溶液加熱到400℃左右的溫度，獲得了SiO2的完整的殼。在Y2O3的電介質(zhì)殼的情況下，首先如上所述制造核。然后使Y(NO3)3的水溶液與(NH2)2CO混合，并且添加到含核的溶液中。加熱該混合物至80℃，Y(OH)CO3慢慢地沉積在核上，其然后在600℃左右的溫度下轉(zhuǎn)換成了Y2O3。
在沉淀反應(yīng)期間，添加了配合配位體(complexing ligand)，其結(jié)合到量子點(diǎn)的表面。為了提高尺寸分布，則可進(jìn)行尺寸分級(jí)(sizefractionation)。
配合配位體優(yōu)選包括有機(jī)配位體，其在固結(jié)處理期間、尤其是燒結(jié)期間蒸發(fā)而不留下殘余物。優(yōu)選使用吡啶作為配合配位體?？蛇x地，首先在量子點(diǎn)的合成期間可使用其它的配合配位體，例如十六烷基胺(HDA)、三辛基氧膦(TOPO)和/或三辛基膦(TOP)。在制造固結(jié)的絕緣層9之前，這些通過(guò)用吡啶重復(fù)的沖洗以吡啶代替。
取決于量子點(diǎn)的類型，使用兩個(gè)不同的變體來(lái)制造固結(jié)的絕緣層9為了在具有電介質(zhì)殼的量子點(diǎn)基礎(chǔ)上制造固結(jié)的絕緣層9，將包含穩(wěn)定化量子點(diǎn)的懸浮體施加到半導(dǎo)體本體1上。這可例如借助半導(dǎo)體本體1在懸浮體中的重復(fù)浸漬、旋涂、電泳或沉淀來(lái)進(jìn)行。
然后在惰性氣氛中在達(dá)到350℃、優(yōu)選達(dá)到300℃的溫度下固結(jié)絕緣層9。如果在固結(jié)處理期間施加過(guò)度的壓力，可降低固結(jié)溫度。
在固結(jié)處理期間，殼在核之前融化，并且殼的材料還在量子點(diǎn)的核之間散布。冷卻之后，獲得了連續(xù)的、固結(jié)的絕緣層9，其中在電介質(zhì)基質(zhì)中嵌入了量子點(diǎn)。利用該變體，電介質(zhì)基質(zhì)由量子點(diǎn)的電介質(zhì)殼形成。
可選地，可獲得這種固結(jié)的絕緣層9，其中將電介質(zhì)材料的顆粒添加到包含穩(wěn)定化量子點(diǎn)的懸浮體中，其中電介質(zhì)材料的顆粒直徑小于整個(gè)量子點(diǎn)(包括殼)的顆粒直徑。然后將絕緣層9施加到半導(dǎo)體本體1上并且使其固結(jié)，如上所述。在固結(jié)處理期間，由于納米晶體材料的熔點(diǎn)降低的結(jié)果而使電介質(zhì)材料的顆粒而在量子點(diǎn)之前熔化，并且該電介質(zhì)材料在量子點(diǎn)之間均勻地散布。獲得了固結(jié)的絕緣層9，其包含其中分布了量子點(diǎn)的電介質(zhì)材料的連續(xù)膜。在這些變體中，可使用具有或沒(méi)有絕緣殼的量子點(diǎn)。將電介質(zhì)材料的數(shù)量選擇為以便對(duì)于電子能夠隧穿至固結(jié)的絕緣層9中的量子點(diǎn)。電介質(zhì)材料優(yōu)選為SiO2、Al2O3或Y2O3。在使用具有電介質(zhì)殼的量子點(diǎn)的情況下，對(duì)于電介質(zhì)殼的材料另外優(yōu)選的是與電介質(zhì)顆粒的材料相同。
在半導(dǎo)體組件工作時(shí)，當(dāng)相應(yīng)的電壓施加到柵電極10上時(shí)，電子從本體區(qū)8隧穿到固結(jié)的絕緣層9中并且被量子點(diǎn)存儲(chǔ)。由電介質(zhì)殼材料和/或電介質(zhì)顆粒構(gòu)成的電介質(zhì)基質(zhì)作用在量子點(diǎn)和本體區(qū)8之間作為隧穿氧化物。電荷(＝電子)僅被位于面向本體區(qū)8的邊緣處的量子點(diǎn)所吸收。位于其上方的固結(jié)的絕緣層9的區(qū)域用作絕緣。因此，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體組件相比，在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體組件中，僅需要單層，也就是固結(jié)的絕緣層9，并且不需要隧道氧化物、量子點(diǎn)和絕緣氧化物的層結(jié)構(gòu)。另外該半導(dǎo)體組件還可包括柵電極10和固結(jié)的絕緣層9之間的氧化物層，但該實(shí)施例相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)仍是有利的，因?yàn)槌チ擞袝r(shí)難以制造的隧道氧化物層。
利用公知的方法制造半導(dǎo)體組件本身。
實(shí)施例1的實(shí)例為了制造根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體組件，首先通過(guò)將磷進(jìn)行離子注入到摻硼的硅的半導(dǎo)體本體1中，來(lái)制造n導(dǎo)電的源區(qū)4和n導(dǎo)電的漏區(qū)5。然后利用光刻法，施加摻雜了0.5wt.％Cu的Al制成的源電極6和漏電極7。通過(guò)旋涂將包含TiO2/SiO2量子點(diǎn)的懸浮體施加在兩個(gè)電極4、5之間，并且使其在惰性氣氛下在達(dá)到300℃的溫度下固結(jié)。固結(jié)的絕緣層9包含嵌入在了SiO2的基質(zhì)中的5nm直徑的TiO2量子點(diǎn)。在冷卻到室溫之后，將Al的柵電極10施加到絕緣層9上。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體組件，其設(shè)置在半導(dǎo)體本體中，在所有情況下都具有第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)源區(qū)和至少一個(gè)漏區(qū)，在所有情況下都具有設(shè)置在源區(qū)和漏區(qū)之間的第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)本體區(qū)，以及具有借助絕緣層與半導(dǎo)體本體絕緣的至少一個(gè)柵電極，該絕緣層是包含量子點(diǎn)的固結(jié)層。
2.如權(quán)利要求1所要求的半導(dǎo)體組件，特征在于該固結(jié)的絕緣層包含嵌入在電介質(zhì)材料的基質(zhì)中的量子點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所要求的半導(dǎo)體組件，特征在于量子點(diǎn)包含半導(dǎo)體材料。
4.如權(quán)利要求1所要求的半導(dǎo)體組件，特征在于固結(jié)的絕緣層9是燒結(jié)層。
5.一種半導(dǎo)體組件的制造方法，該半導(dǎo)體組件設(shè)置在半導(dǎo)體本體中，在所有情況下都具有第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)源區(qū)和至少一個(gè)漏區(qū)，在所有情況下都具有設(shè)置在源區(qū)和漏區(qū)之間的第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)本體區(qū)，以及具有借助包含量子點(diǎn)的固結(jié)絕緣層與該半導(dǎo)體本體絕緣的至少一個(gè)柵電極，在該方法中通過(guò)將包含量子點(diǎn)的懸浮體施加到半導(dǎo)體本體上并且使它固結(jié)來(lái)制造該固結(jié)的絕緣層。
6.如權(quán)利要求5所要求的方法，特征在于借助燒結(jié)實(shí)現(xiàn)該絕緣層的固結(jié)。
7.如權(quán)利要求5所要求的方法，特征在于該懸浮體另外包含電介質(zhì)材料的顆粒，其中該電介質(zhì)材料的顆粒的直徑小于量子點(diǎn)的直徑。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種半導(dǎo)體組件，其設(shè)置在半導(dǎo)體本體(1)中，在所有情況下都具有第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)源區(qū)(4)和至少一個(gè)漏區(qū)(5)，在所有情況下都具有設(shè)置在源區(qū)和漏區(qū)之間的第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)本體區(qū)(8)，以及具有借助絕緣層(9)與半導(dǎo)體本體絕緣的至少一個(gè)柵電極(10)，該絕緣層(9)是固結(jié)的、優(yōu)選燒結(jié)的、包含量子點(diǎn)的層。本發(fā)明還描述了一種制造這種半導(dǎo)體組件的方法，其中將包含量子點(diǎn)的電介質(zhì)懸浮體施加到半導(dǎo)體本體上，并且然后例如通過(guò)燒結(jié)使懸浮體固結(jié)。
文檔編號(hào)H01L21/8246GK1902762SQ200480039896
公開(kāi)日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者S·P·格拉波夫斯基, C·R·隆達(dá) 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司