包括金属绝缘体转换材料的晶体管及其制造方法技术

提供了一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管及其制造方法。所述包括金属绝缘体转换材料的晶体管包括：衬底；形成于所述衬底上的绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及形成于所述介电层上的栅电极层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件及其制造方法，更具体而言，涉及一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管及其操作和制造方法，其中为了减小漏电流而在源极区和漏极区之间形成隧穿势垒层。
技术介绍
随着半导体技术的发展，越来越需要高度集成的半导体器件。为了高度地集成半导体器件，需要减小其中的场效应晶体管(FET)的尺寸。不过，可能会产生许多技术问题。场效应晶体管(FET)越小，源极区和漏极区之间的沟道长度就越短，因此导致短沟道效应。短沟道效应过度地减小了FET的阈值电压并且还降低了载流子迁移率。此外，如果晶体管小，在″ON″(开启)状态中沟道电阻就高。因此，能够供应的电流量受到限制，并且诸如相变随机存取存储器(PRAM)、电阻随机存取存储器(RRAM)或磁随机存取存储器(MRAM)的半导体器件的有效性受到限制。一般的互补金属氧化物半导体(CMOS)需要大于预定值的阈值电压以使由热电子导致的漏电流最小化。此外，工作电压需要足够高，以获得所需增益。因此，由于功耗和发热的增加而难以提高集成度。已经开发出来用于提高栅极绝缘层的电容以减小半导体器件尺寸的方法。这是为了克服器件小且栅极绝缘层薄时发生的漏电流问题。具体而言，已经开展了高k材料开发的研究。另一方面，如果栅极绝缘层的电容增大，为了对其充电需要更多时间和有源能量。因此，栅极绝缘层电容的增大导致了诸如发热和速度降低的问题。不过，如果电容低的话，器件会由于漏电流而变得更不可靠。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有用以最小化短沟道效应的金属绝缘体转换材料的晶体管，该晶体管通过在源极区和介电层之间形成隧穿势垒层而能够减小漏电流，并能够以低电压操作。本专利技术还提供了一种制造上述晶体管的方法。根据本专利技术的一方面，提供了一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管，所述晶体管包括衬底；形成于所述衬底上的绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及形成于所述介电层上的栅电极层。可以根据所述源极区和所述漏极区之间的电势差将所述金属绝缘体转换材料层从金属变成绝缘体或者反之。所述金属绝缘体转换材料层可以由从包括以下材料的组中选择的一种形成硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。所述过渡金属氧化物中的过渡金属可以选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。所述介电层可以由Al2O3、HfO2和ZrO2之一形成。所述源极区和所述漏极区可以由金属膜和硅化物膜之一形成，其每种都能够与所述金属绝缘体转换材料层形成肖特基结。所述金属膜可以由Al、Ti和Au之一形成。所述硅化物膜可以由硅化铂(PtSi)和硅化镍(NiSi2)之一形成。所述隧穿势垒层可以由氧化物和氮化物之一形成。根据本专利技术的另一方面，提供了一种制造包括金属绝缘体转换材料的晶体管的方法，所述方法包括在衬底上形成绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开地形成源极区和漏极区；在所述源极区和所述漏极区的表面上形成隧穿势垒层；以及在所述隧穿势垒层和所述绝缘层上依次堆叠金属绝缘体转换材料层、介电层和栅电极层。所述方法还可以包括通过依次蚀刻所述栅电极层、所述介电层和所述金属绝缘体转换材料层的部分暴露所述源极区和所述漏极区的部分。在所述绝缘层上彼此分开地形成源极区和漏极区可以包括形成掩模，所述掩模暴露所述绝缘层的将要形成所述源极区和所述漏极区的区域；在所述绝缘层的暴露区域上形成导电材料层；以及除去所述掩模。所述金属绝缘体转换材料层可以由从包括以下材料的组中选择的一种形成硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。所述过渡金属氧化物中的过渡金属可以选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。所述隧穿势垒层可以由通过氧化所述源极区和所述漏极区的表面形成的氧化物和通过氮化所述源极区和所述漏极区的表面形成的氮化物之一形成。所述隧穿势垒层可以通过将绝缘材料涂敷到所述绝缘层和所述源极区和所述漏极区而形成。附图说明通过参考附图详细描述其示范性实施例，本专利技术的以上和其他特征和益处将变得更加显见，附图中图1为根据本专利技术实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的横截面图；图2为示出根据本专利技术实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的电特性的曲线图；图3A和3B为根据本专利技术实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的″ON″和″OFF″(关闭)状态的等效电路图；以及图4A到4F展示了在根据本专利技术实施例制造使用金属绝缘体转换材料的晶体管的方法中的阶段。具体实施例方式下文中将参考附图更为充分地描述本专利技术，附图中展示了本专利技术的示范性实施例。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的尺寸和厚度。图1为根据本专利技术实施例的使用金属绝缘体转换材料的晶体管的横截面图。参考图1，在衬底30上形成绝缘层31。第一和第二导电图案32a和32b形成于绝缘层31上并彼此分开。第一和第二导电图案32a和32b之一用作源极区，另一个用作漏极区。在下文中，第一导电图案32a被称为源极区，第二导电图案32b被称为漏极区。隧穿势垒层33形成于源极区32a和漏极区32b的每者上。金属绝缘体转换材料层34、介电层35和栅电极层36依次形成于隧穿势垒层33和绝缘层31上。以下将详细描述图1中各层的材料。衬底30为掺有预定掺杂剂的半导体衬底，例如掺有n型掺杂剂或p型掺杂剂的硅衬底。绝缘层31为热氧化膜，例如SiO2膜、HfO2膜、SiNX膜等。源极区32a和漏极区32b由金属或硅化物形成。铝(Al)、钛(Ti)或金(Au)等可以被用作所述金属。硅化铂(PtSi)或硅化镍(NiSi2)等可以被用作所述硅化物。形成于源极区32a和漏极区32b的每者上的隧穿势垒层33通常由绝缘材料形成。绝缘材料可以具有与源极区32a和漏极区32b不同的组分。绝缘材料可以包括通过氧化/氮化源极区32a和漏极区32b的表面形成的氧化物或氮化物。例如，当源极区32a和漏极区32b由铝(Al)形成时，隧穿势垒层33可以由氧化铝(Al2O3)形成。金属绝缘体转换材料层34可以由硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)或具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料形成。过渡金属例如为Ti、V、Fe、Ni、Nb或Ta。介电层35可以具有低的与金属绝缘体转换材料层34的反应性，例如Al2O3膜、HfO2膜或ZrO2膜。栅电极层36可以由例如Au、Pt和Al形成，它们通常用于形成晶体管的栅电极。将描述图1的晶体管的工作。在施加到栅电极层36的栅极电压Vg保持在0V且源极区32a和漏极区32b之间的电势差Vd保持低于源极区32a和漏极区32b之间的阈值电压Vth，即Vd＜Vth时，形成于源极区32a和漏极区32b之间的金属绝缘体转换材料层34表现出半导体或绝缘体的特性。因此，在源极区32a和漏极区32b之间不形成沟道。再者，在施加到栅电极层36的栅极电压Vg保持在0V且源极区32a和漏极区32b之间的电势差V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管，所述晶体管包括：　　　　衬底；　　　　形成于所述衬底上的绝缘层；　　　　在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；　　　　分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；　　　　形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；　　　　堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及　　　　形成于所述介电层上的栅电极层。

【技术特征摘要】
KR 2005-5-12 39726/051.一种包括金属绝缘体转换材料的晶体管，所述晶体管包括衬底；形成于所述衬底上的绝缘层；在所述绝缘层上彼此分开形成的源极区和漏极区；分别形成于所述源极区和所述漏极区的表面上的隧穿势垒层；形成于所述隧穿势垒层和所述绝缘层上的金属绝缘体转换材料层；堆叠在所述金属绝缘体转换材料层上的介电层；以及形成于所述介电层上的栅电极层。2.如权利要求1所述的晶体管，其中，根据所述源极区和所述漏极区之间的电势差将所述金属绝缘体转换材料层从金属变成绝缘体或者反之。3.如权利要求1所述的晶体管，其中所述金属绝缘体转换材料层由从包括以下材料的组中选择的一种形成硫族化物材料、过渡金属氧化物、具有多种过渡金属氧化物的复合材料、氧化铝(Al2O3)和具有多种铝氧化物(Al2O3)的复合材料。4.如权利要求3所述的晶体管，其中所述过渡金属氧化物中的过渡金属选自由Ti、V、Fe、Ni、Nb和Ta构成的组。5.如权利要求1所述的晶体管，其中所述介电层由Al2O3、HfO2和ZrO2之一形成。6.如权利要求1所述的晶体管，其中所述源极区和所述漏极区由金属膜和硅化物膜之一形成，其每种都能够与所述金属绝缘体转换材料层形成肖特基结。7.如权利要求6所述的晶体管，其中所述金属膜由Al、Ti和Au之一形成。8.如权利要求6所述的晶体管，其中所述硅化物膜由硅化铂和硅化镍之一形成。9.如权利要求1所述的晶体管，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵重来，柳寅儆，崔梁圭，赵成逸，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]