非晶态金属热电子晶体管制造技术

非晶多组分金属膜可以被用于改善电子装置(诸如电阻器、二极管和薄膜晶体管)的性能。具有共面发射极和基极电极的非晶态热电子晶体管(HET)提供优于现有垂直HET结构的电气特性和性能优点。所述晶体管的发射极和基极端子都形成在非晶态非线性电阻器的上晶体金属层中。发射极和基极彼此相邻并被间隙隔开。间隙的存在在晶体金属层与非晶态金属层之间引起双向福勒诺德海姆(Fowler‑Nordheim)隧穿和对称I‑V性能。同时，在相同层中形成所述发射极和基极端子通过减少图案化步骤的数量简化了HET制造过程。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】非晶态金属热电子晶体管
本公开涉及微电子装置，这种微电子装置包括具有一层或多层非晶态金属膜的三端子装置。
技术介绍
非晶态金属是其原子结构缺少表征晶体材料的长期周期性的刚性固体材料。在非晶态金属中，晶体面的形成被抑制，例如，通过合并两个或多个组分。具有四种组分(锆、铜、铝和镍)的非晶态金属的示例是Zr55Cu30Al10Ni5，如美国专利第8,436,337号所描述的。非晶态金属可以由它们的电阻率测量值来识别，电阻率测量值已经表明：当非晶态金属材料仍然导电时，其电阻率大约比其晶体对应物大10倍。非晶态金属还具有比晶体金属更平滑的表面，如通过均方根(RMS)表面粗糙度测量值所指示的。厚度在10nm至200nm范围内的非晶态多组分金属膜(AMMF)可以用于改善电子部件(诸如电阻器、二极管和薄膜晶体管)的性能。许多本领域熟知的沉积技术可以用于形成AMMF。例如，上述示例性非晶态金属Zr55Cu30Al10Ni5是AMMF，并且其可以使用四种不同的金属靶材通过常规溅射沉积而形成在衬底上。本薄膜领域的技术人员可以理解的是，AMMF的接口特性优于晶体金属膜的接口特性，并且因此在AMMF与氧化物膜的接口处的电场更加均匀。例如，这种均匀性已经针对展现福勒诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿的金属-绝缘体-金属(MIM)二极管和晶体管产生了优越的电流-电压(I-V)特性曲线。隧穿MIM二极管包含AMMF作为下电极以及晶体金属膜作为上电极。这两个不同的电极由单个介电阻挡层隔开，该介电阻挡层为电荷载体提供隧穿通路以便在电极之间移动。该单个介电阻挡层的存在造成取决于所施加的电压的极性的电流响应。这种电流响应可以被称为单向隧穿，因为在特定电压下装置中的电荷载体只在一个方向上隧穿。即，根据所施加的电压的极性，隧穿要么发生为从下电极到上电极，要么发生为从上电极到下电极。美国专利第8,436,337号和第8,822,978号中讨论了AMMF的各种二极管和晶体管应用。美国专利第9,099,230号和PCT专利申请第WO2014/074360号中讨论了具有优于现有薄膜非线性电阻器的性能的非晶态金属薄膜非线性电阻器(AMNR)。这种AMNR之所以受到关注，部分原因是它们的电流响应与所施加的电压的极性无关，而其它薄膜电阻器则不是这样。这种极性独立性是由于存在两个介电阻挡层，其中，每个阻挡层处的电荷载体被强制沿实质上相反的方向上隧穿。AMNR可以被描述为展现出双向隧穿，因为，响应于所施加的电压，装置中的电荷载体在跨接阻挡层的两个方向上隧穿。即，隧穿发生为从上电极到下电极和从下电极到上电极，不论所施加的电压的极性如何。这种极性对称的AMNR可以在液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)显示技术和电磁传感器阵列中提供改进的信号控制。
技术实现思路
本公开涉及形成在支撑衬底(不一定是半导体衬底)上的有源电子设备。AMNR可以构造为三层结构，类似于上述AMMF二极管，其中，非晶态金属层形成在衬底上；隧穿绝缘体(例如，氧化物层)形成在非晶态金属层上；并且晶体金属层形成在氧化物的顶部。然而，在与MIM二极管相反的AMNR电阻器的情况下，非晶态和晶体金属层都被图案化为只在所选区域(其为有源区域)中相互重叠的指状的电极。当电压被施加在两个顶部金属指之间时，隧穿电流从顶部金属层流动通过基底非晶态金属层，并回到顶部金属层。通过修改彼此有关的金属电极的图案，可以创建附加的有源区域，并且从顶部金属层向下到非晶态金属层并且然后再回到顶部金属层的隧穿可以被强制发生超过一次。可替代地，通过修改彼此有关的金属电极的图案，可以修改重叠区域的形状和大小。这些修改中的每个修改允许调整AMNR电阻器的I-V性能特性，而不修改隧穿电介质。HET结构包括两个子结构。发射极-基极子结构由发射极电极、隧穿电介质和基极电极形成。基极-集电极子结构由基极电极、集电极电介质和集电极电极形成。发射极-基极子结构负责经由隧穿生成热电子。基极-集电极子结构收集在集电极电极处所生成的热电子。热电子生成和收集可分别由施加到它们各自的电极上的电压独立控制。现有的包含非晶态金属的垂直HET结构直接使用非晶态金属层作为发射极电极，发射极电极垂直地成直线地与基极电极和集电极电极堆叠，基极电极和集电极电极由它们各自的电介质隔开。这形成了如下发射极-基极子结构，其用作非晶态金属MIM，并且由于单向隧穿，具有不对称的电流电压响应。美国专利第8,436,337号中公开了这类垂直HET。在本公开的实施例中，具有共面发射极和基极电极的非晶态热电子晶体管(HET)提供优于现有垂直HET结构的电气特性和性能优点。根据HET结构的一个实施例，晶体管的发射极和基极端子都形成在AMNR的上层中。发射极和基极彼此相邻并被间隙隔开。间隙的存在确保了双向福勒诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿将发生在上晶体金属层与下非晶态金属层之间。HET进一步包括集电极介电层和形成在介电层上的集电极电极。可以通过形成贯穿集电极介电层到达发射极和基极端子的过孔来产生前侧触点。在非晶态金属HET发射极-基极子结构的操作期间，电子从晶体金属层向下流动到非晶态金属层，跨过非晶态金属层(其用作运输层)，并且然后回到晶体金属层。针对晶体管，这种U形电流路径为基极-发射极子结构生成对称的电流-电压(I-V)特性，这与表征现有AMNR二极管的对称I-V性能相似。换言之，这种对称性带来的优点现在从两端子装置扩展到三端子装置。此外，通过修改非晶态金属运输层、发射极和基极电极的图案来调整发射极-基极子结构的I-V性能特性，而不修改隧穿电介质。相较于AMNR装置，这种策略对于HET装置具有的额外的优点，因为福勒诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿必须被保持以生成热电子，但却对电介质厚度和材料变化敏感。根据本公开的实施例，可以通过调整基极和发射极电极的大小来调节HET装置的性能。基极和发射极电极的宽度和深度分别期望在5μm至100μm范围内。在共面基极与发射极电极之间的间隙期望在约1μm至5μm范围内。集电极电极的宽度和深度的尺寸也期望在5μm至100μm范围内。HET装置的非晶态金属厚度期望在10nm至100nm范围内。针对HET装置的隧穿电介质厚度期望在4nm至15nm范围内。针对HET装置的基极和发射极电极厚度分别在10nm至30nm范围内。在其它实施例中，基极和发射极电极的厚度可以与一层或多层晶体导体一样薄。例如，一个或多个电极可以是2D导体(诸如MoS2)，其是单层。这种单层可以在0.6nm至0.8nm范围内。在HET顶部的集电极介电层具有期望在约10nm至50nm范围内的厚度。与以往HET设计相比，在相同层中形成发射极和基极通过减少所要求的光刻和蚀刻步骤的数量简化了制备工艺。特别地，简化后的工艺适合于集成到用于LCD和OLED显示器的现有制造工艺中。【附图说明】在附图中，相同的附图标记标识相似的元件。附图中的元件的大小和相对位置不一定按比例绘制而成。图1A-1C是根据本公开的一个实施例的非晶态金属薄膜晶体管结构的俯视和横截面图。图1D是形成图1A-1C的非晶态金属薄膜晶体管结构的方法。图2A-2C是根据本公开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：非导电衬底；所述非导电衬底上的非晶态金属层；所述非晶态金属层上的隧穿介电层；所述隧穿介电层上的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别与所述非晶态金属层重叠；第一和第二电极上的第二介电层；第二介电层上的第三电极，第三电极与第二电极和所述非晶态金属层重叠，第一和第二电极在第三电极和所述非晶态金属层之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.07 US 62/359,5961.一种装置，包括：非导电衬底；所述非导电衬底上的非晶态金属层；所述非晶态金属层上的隧穿介电层；所述隧穿介电层上的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别与所述非晶态金属层重叠；第一和第二电极上的第二介电层；第二介电层上的第三电极，第三电极与第二电极和所述非晶态金属层重叠，第一和第二电极在第三电极和所述非晶态金属层之间。2.根据权利要求1所述的装置，其中，第一和第二电极是所述隧穿介电层上的晶体金属。3.根据权利要求1所述的装置，其中，第一电极是第一导电材料，并且第二电极是与第一导电材料不同的第二导电材料。4.根据权利要求1所述的装置，其中，第一电极和第二电极是相同的导电材料。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述隧穿介电层包括金属氧化物或金属氮化物。6.根据权利要求1所述的装置，其中，第一电极具有第一厚度，并且第二电极具有与第一厚度不同的第二厚度。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述隧穿电介质包括凹槽，并且第二电极处于所述凹槽中。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述凹槽与所述非晶态金属层重叠并且对齐。9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述非晶态金属层具有沿第一方向的最长尺寸，第一和第二电极具有沿与第一方向横切的第二方向的最长尺寸。10.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合至第一电极的第一端子和耦合至第二电极的第二端子。11.根据权利要求10所述的装置，其中，第一端子通过第二介电层耦合至第一电极，并且第二端子通过第二介电层耦合至第二电极。12.一种装置，所述装置包括：衬底；所述衬底上的非晶态金属层，所述非晶态金属层具有沿第一方向延伸的长度和沿与第一方向横切的第二方向延伸的宽度；所述非晶态金属层上的隧穿氧化物层；所述隧穿氧化物层上的发射极电极，所述发射极电极与所述非晶态金属层的第一部分重叠，所述发射极电极具有沿第二方向延伸的长度和沿第一方向延伸的宽度；所述隧穿氧化物层上的基极电极，所述基极电极与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩·威廉·缪尔，
申请(专利权)人：非结晶公司，
类型：发明
国别省市：美国,US