专利名称：带栅极的mis及mim器件的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种带栅极的MIS及MIM器件。
背景技术：
近年来，以硅集成电路为核心的微电子技术得到了迅速的发展，集成电路芯片的 发展基本上遵循摩尔定律，即半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。可是随 着半导体芯片集成度的不断增加，MOS晶体管的沟道长度也在不断的缩短，当MOS晶体管的 沟道长度变得非常短时，短沟道效应会使半导体芯片性能劣化，甚至无法正常工作。如今的 集成电路器件技术已经处于50纳米左右，MOS管源极和漏极间的漏电流随沟道长度的缩小 迅速上升。在30纳米以下，有必要使用新的器件以获得较小的漏电流，降低芯片功耗。金属-绝缘体-半导体(MIS)或者金属-绝缘体-金属(MIM)的三层堆栈结 构如图1所示，其中，所示103为金属层，所示102为绝缘体层，所示101为金属层或者 为半导体层。对于厚度大于4纳米的绝缘体层，MIS或者MIM结构中的漏电流主要是由 Fowler-Nordheim(FN)隧穿引起。对于厚度小于4纳米的绝缘体层，其漏电流主要是由直接 隧穿引起。现在通常以高介电常数(高k)的材料来制备绝缘体层，而一般高k材料制备的 绝缘体层的厚度要大于4纳米，因此其漏电流主要由FN隧穿决定。从本质上说，直接隧穿 电流和FN隧穿电流的起源是相同的，都是由能量低于势垒高度的载流子隧穿过势垒，到达 势垒的另一边，他们之间的差别主要是在隧穿发生时施加在绝缘体层上的压降不同，只有 在绝缘体层上施加较高的压降时MIS和MIM结构才会产生FN隧穿电流。基于MIS和MIM 结构的MIS及MIM器件因为中间有绝缘体层所以可以达到很低的漏电流，减小了芯片功耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的基于MIS及MIM结构的MIS及MIM器件，以达到 很低的漏电流，降低芯片功耗。为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种带栅极的MIS及MIM器件，具体包 括
一个半导体衬底；
位于所述半导体衬底上的源极；
位于所述半导体衬底上的漏极；
位于所述源极与所述漏极之间的第一绝缘层；
所述的源极、漏极与所述的绝缘层构成一个MIM或者MIS结构；
其特征在于，还包括
位于所述半导体衬底上所述MIM或者MIS结构一侧的栅极； 位于所述MIM或者MIS结构与所述栅极之间的第二绝缘层。其中，当源极采用金属、合金材料时，与所述漏极、第一绝缘层构成MIM (金属-绝 缘体-金属)结构。而当源极采用半导体材料时，可以与所述漏极、第一绝缘层构成MIS (金属-绝缘体-半导体)结构。本发明中，所述的漏极、栅极由金属、合金或者掺杂的多晶硅形成。所述的第一、 第二绝缘层由氧化物、氮化物、氮氧化物或者其它高介电常数的绝缘材料形成，例如Ta205、 Pr2O3^HfO2, Al2O3^ZrO2等；其中所述第一绝缘层的厚度范围为3-15纳米。本发明通过在MIM或者MIS器件的侧壁上施加栅极电压来调控电场，以此调节MIM 或者MIS结构中的FN隧穿电流，进而控制器件的关断与开启。本发明所提出的带栅极的MIM及MIS器件的沟道可以做的非常短，而且能够达到 很低的漏电流，减小了芯片功耗，非常适用于集成电路的后端工艺及各种芯片的制造。
图1为一种MIS或者MIM结构的三层堆栈结构。图2为本发明提出的一种带栅极的MIS或MIM器件的实施例的截面图。图3为图2所示结构的MIS器件未施加电压时的能带图。图4为图2所示结构的MIS器件处于关断状态时的能带图。图5为图2所示结构的MIS器件处于开启状态时的能带图。图6为图2所示结构的MIS器件处于开启状态时的电场相叠加的示意图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便 说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全 准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位 置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。参考图中的表示是示意性的，但这不应该被认 为是限制本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工 艺加工中的半导体衬底，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。本发明所提供的一个带栅极的MIS或MIM器件的实施例的剖面图如图2所示，MIS 或者MIM结构200形成于硅衬底201之上，包括源极区域202、绝缘体层203和漏极区域 204。漏极204采用Al、Pt或者其它金属材料。绝缘体层203为采用原子层淀积的方法形 成的一层3-15纳米厚的高介电材料，高介电材料比如为Τει205、Pr2O3> HfO2, Α1203、&02。源 极202采用金属材料，可与漏极204、绝缘体层203构成MIM结构，如果源极202采用半导体 材料，则可与漏极204、绝缘体层203构成MIS结构。在MIM或MIS结构200的一侧形成有 栅极206，并且栅极206与MIM或MIS结构200通过绝缘体层205相隔离。栅极206采用金 属、合金或者掺杂的多晶硅材料。绝缘体层205采用Τει205、Pr203、HfO2, A1203、ZrO2等高介 电材料。接下来，以采用如图2所示结构的带栅极的MIS器件来描述本法提出的半导体器 件的工作原理。图3为未施加电压时MIS器件中的MIS结构的能带图，由于势垒的存在，电子无法 从半导体层的导带到达绝缘体层的导带。图4为处于关断状态时MIS器件中的MIS结构的 能带图，此时，对漏极施加电压Vd=3V，对栅极施加电压Vg=0V。施加在绝缘体层上的压降由 漏极电压提供，而漏极正偏压较小，难以产生FN隧穿，电子无法从半导体层的导带附近隧穿进入绝缘体层的导带，无法产生FN隧穿电流。图5为处于开启状态时MIS器件中的MIS结构的能带图，此时，对漏极施加电压 Vd=3V，对栅极施加电压Vg=3V。漏极正偏压虽然较小，但是在靠近栅极的区域，施加在绝缘 体层上压降由漏极正偏压和栅极正偏压共同提供，电场增强，将会产生FN隧穿，电子可以 从半导体层的导带附近隧穿进入绝缘体层的导带，形成FN隧穿电流。图6为处于开启状态 时，MIS器件中电场相叠加的示意图，通过改变栅极偏压的大小可以调节绝缘体层中产生的 FN隧穿电流的大小。如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的 实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体 实例。
权利要求
1.一种半导体器件，包括 一个半导体衬底；位于所述半导体衬底上的源极；位于所述半导体衬底上的漏极；位于所述源极与所述漏极之间的第一绝缘层；所述的源极、漏极与所述的绝缘层构成一个MIM结构或者MIS结构；其特征在于，还包括位于所述半导体衬底上所述MIM或者MIS结构一侧的栅极； 位于所述MIM或者MIS结构与所述栅极之间的第二绝缘层；这里，MIM结构即为金属-绝缘体-金属结构，MIS结构即为金属-绝缘体-半导体结构。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述的漏极、栅极由金属、合金或 者掺杂的多晶硅形成。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，所述的源极由金属、合金材料 形成，与所述漏极、第一绝缘层构成MIM，即金属-绝缘体-金属结构。
4.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，所述的源极由半导体材料形 成，与所述漏极、第一绝缘层构成MIS，即金属-绝缘体-半导体结构。
5.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，所述的第一、第二绝缘层由氧 化物、氮化物或者氮氧化物形成。
6.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度为 3-15纳米。
全文摘要
本发明属于10纳米以下的半导体器件技术领域，具体涉及一种带栅极的金属-绝缘体-半导体(MIS)及金属-绝缘体-金属(MIM)器件。本发明通过在MIM或者MIS器件的侧壁上施加栅极电压来调控电场，以此调节MIM或者MIS结构中的FN隧穿电流，进而控制器件的关断与开启。本发明所提出的带栅极的MIM及MIS器件的沟道可以做的非常短，而且能够达到很低的漏电流，且功耗低，非常适用于集成电路的后端工艺及各种芯片的制造。
文档编号H01L29/78GK102097477SQ20101058848
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者孙清清, 张卫, 王鹏飞 申请人:复旦大学