专利名称：金属-绝缘体转换开关晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属-绝缘体转换开关晶体管(三端器件)及其制造方法，且更具体而言，涉及一种利用二氧化钒(vo2)薄膜作为金属-绝缘 体转换沟道层的金属-绝缘体转换开关晶体管，及其制造方法。
背景技术：
作为因超小尺寸和超高速的目的已经发展起来的常规晶体管，具有代表性的是由IBM开发的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET) 和Mott晶体管。Mott晶体管已经被公开在"D.M. Newns, J.A.Misewich, C.C.Tsuei， A.Gupta, B.A.Scott, and A.Schrott， Appl.Phys.Lett.Vol.73,780 (1998)，，中。然而，存在的问题是，因为这两种晶体管使用半导体方式(regime) 作为电流沟道层，当减少沟道层中的沟道长度时，由于沟道中耗尽区域的 增加而使电流增益降低。因此，为了引起电流放大，不可避免地使用了其 中使用了多个栅极的多栅结构。此外，常规晶体管中要求用以形成PN结的大沟道长度，多栅结构等等， 因为它们利用了半导体中的载流子数目有限的半导体特性。因此，电流增 益将不顾结构的改变而被限制。作为利用金属-绝缘体转换的晶体管，ETRI已经开发出MGBRK (Mott-Gutzwiller-Brinkman-Rice-Kim )晶体管。MGBRK晶体管已经被公开 在"Hyun-Tak Kim and Kwang-Yong Kang,美国专利号6,624,463 B2)"中。这 是由其中LaTi03(或V203)沟道层位于绝缘体衬底上的自顶向下(top-down) 结构组成的。在这个结构中，在金属状态冷却(或散发)由焦耳加热引起 的热是不容易的。沟道层材料，LaTi03(或V203)，具有比V02更大的漏电 流。这些对于高速开关晶体管来说是缺点。发明内容本发明提出了具有小尺寸和高电流增益特性的金属-绝缘体转换开关 晶体管及其制造方法。此外，本发明的晶体管是热稳定的。 本发明的一个方面是提供金属-绝缘体转换开关晶体管，包括硅衬底；在衬底上的栅电极(背栅结构)；在栅极和衬底上的栅极绝缘膜；在栅 极绝缘膜上的V02金属-绝缘体转换沟道层，其中金属-绝缘体转换沟道 层依靠电场的变化从绝缘体相转变成金属相，或相反；分别与金属-绝缘 体转换沟道层的两侧接触的源和漏。这里，衬底是硅衬底。源电极和漏电极是由从包括铬(Cr)层和金(Au) 层或鴒(W)层和钛(Ti)层的组中选出的材料构成的双层。此外，金属-绝缘体转换沟道层由二氧化钒(V02)薄膜组成。本发明的另 一方面是提供金属-绝缘体转换开关晶体管的制造方法， 包括的步骤有在衬底上形成栅电极；在衬底和栅极上形成栅极绝缘膜； 在栅极绝缘膜上形成源电极和漏电极；及在源和漏之间形成金属-绝缘体 转换沟道层。这里，源电极和漏电极是由从包括铬(Cr)层和金(Au)层或鴒(W) 层和钛(Ti)层的组中选出的材料构成的双层。且，形成源和漏的步骤通过 剥离(lift-off)工艺实施。在本发明的优选实施例中，金属-绝缘体转换沟道层由二氧化钒(V02) 薄膜形成，且二氧化钒薄膜在450。C到470。C范围内的生长温度及在5到6 SCCM范围内变化的氧流量下生长。
从结合附图提供的优选实施例的下列描述，本发明的上述及其它目标、 优点和特性将变得明显，其中图1和2是根据本发明优选实施例的金属_绝缘体转换开关晶体管的 横截面图和平面图；图3到6是透视图，依次示出了根据本发明优选实施例制造金属-绝 缘体转换开关晶体管的工艺；图7是通过高分辨率的透射电子显微镜观察的V02薄膜的图像，其中 二氧化钒薄膜在465。C的生长温度及在50 SCCM的氧流量变化下生长，且 图8是其X射线衍射峰分析的结果；及图9示出了根据本发明优选实施例的金属-绝缘体转换开关晶体管的 漏电流(Ids)随施加到栅的栅电压(V2ate)和源-漏电压(Vds)的变化。
具体实施方式
将参照附图通过优选实施例详细描述本发明，其中使用相似的参考标 号识别相同或相似的部分。
图1和2是根据本发明优选实施例的金属-绝缘体转换(MIT)开关晶 体管的横截面图和平面图。
参照图1和图2,金属-绝缘体转换晶体管包括衬底10、栅电极20、 栅极绝缘膜30、源电极40、漏电极50和金属-绝缘体转换沟道层60。
优选地，村底IO是具有良好热传导性的硅衬底。在具有热不稳定特性 的二氧化钒(V02)薄膜用作金属-绝缘体转换沟道层60的情况，通过利 用具有良好热传导性的硅衬底代替常规的具有不良热传导性的蓝宝石衬 底，可能防止由于热使晶体管特性退化，该热是当施加高电压以操作晶体 管时在晶体管内部的金属相中产生的。栅电极20、栅极绝缘膜30、源电极 40、漏电极50和金属-绝缘体转换沟道层60在衬底10上制造。这就是具 有Si衬底上的V02的背栅结构，且不同于美国专利6， 624, 463 B2中所说 明的具有LaTi03(或V203)沟道材料和具有在衬底上的沟道层的自顶向下 结构的晶体管。
才册电极20可以利用100nm厚度的硅化鴒(W/Si)形成。
对于栅极绝缘膜30,可以使用具有200nm厚度的氧化硅膜。栅极绝缘 膜30设置在栅极20和金属-绝缘体转换沟道层60之间。
对于源电极40和漏电极50，可以使用包括铬(Cr )层和金(Au )层的 双层，且该双层可以具有50nm的厚度。铬(Cr)用以提高栅极绝缘膜30 和Au薄膜之间的粘附，且其厚度约是50nm。此外，Ti/W层可以用来代替 Au/Cr膜作为电极。
依靠电场的变化，金属-绝缘体转换沟道层60从绝缘体相转变成金属 相，或相反。金属-绝缘体转换沟道层60设置在源40和漏50之间并与它 们接触。金属-绝缘体转换沟道层60可以利用例如具有分别在90到100nm 和3到10pm范围内的厚度和宽度的V02形成。当通过在金属-绝缘体转 换沟道层60内部感应空穴而施加常压到栅极20时，发生金属-绝缘体转 换。结果，形成带有电子载流子的导电沟道70,大量电流通过其流动。空 穴感应的理论已经被公开在"NATO Science Series" Kluwer,2002,Vo1 II /675p. 137,by Hyim-Tak Kim 、 http:〃www.lanl.gov/abs/condmat/0110112 和 "Metal-Insulator Transition", Chapter 3, Taylor & Frances, 2nd edition, 1990, by N.F.Mott中。在下文中，将说明根据本发明优选实施例的金属-绝缘体转换开关晶 体管的操作原理。当常压施加到源电极40和漏电极50时，产生具有预定值的电势。此 外，当栅极电压(Vgate )施加到栅电极20时，通过栅极绝缘体30感应的 空穴(即具有低浓度的载流子)被加入金属-绝缘体转换沟道层60中。在 具有增加的空穴的金属-绝缘体转换沟道层60中，由于突然的金属-绝缘 体转换现象的发生，形成了具有电子载流子的导电沟道70。通过上述的导 电沟道70,大量电流开始在源极40和漏极50之间流动。接着，将参照图3到6说明根据本发明优选实施例的金属-绝缘体转 换开关晶体管的制造方法。如图3中所示，在衬底10中形成栅极20的图案。优选地，衬底10是 具有良好热传导性的硅衬底，且栅极20可以利用lOOnm厚度的硅化钨 (W/Si)形成。此外，可以把栅电极材料掺杂进衬底中形成栅极20。在图4中，利用200nm厚度的氧化硅膜(Si02 )形成栅极绝缘膜30。如图5中所示，形成源电极40和漏电极50。至于形成源极40和漏极 50的方法，可以采用这样的方法通过蒸发设备淀积具有200nm厚度的 Au/Cr膜，然后，利用剥离工艺形成图案。铬(Cr)用于提高栅极绝缘膜 30和Au薄膜之间的粘附，且其厚度约是50nm。此外，Ti/W可以代替Au/Cr 膜作为电极。在图6中，形成金属-绝缘体转换沟道层60。可以利用具有厚度和宽 度分别在90到100nm和3到10pm范围内的V02形成金属-绝缘体转换沟 道层60。在下文中，将说明根据本发明优选实施例的金属-绝缘体转换开关晶 体管的制造方法的特点。在通过类似现有技术的MOSFET的制造方法制造金属-绝缘体转换开 关晶体管的情况下，首先，形成金属-绝缘体转换沟道层，通过诸如等离 子体增强化学气相淀积(PECVD)方法的高温淀积工艺淀积栅极绝缘膜， 然后，形成源极、漏极和栅极。当如上所述制造金属-绝缘体转换开关晶
体管时，通过随后在高温下实施的工艺，会改变已经形成在下部(lower portion)中并对热敏感的金属-绝缘体转换沟道层中的特性。为了防止这类问题，可以在本发明的金属-绝缘体转换开关晶体管中 实施背栅结构的晶体管的制造方法。这里，如上所述，背栅结构意味着首 先形成栅电极、栅极绝缘膜、源电极和漏电极，然后形成金属-绝缘体转 换沟道层。所以，所得的金属-绝缘体转换开关晶体管将更热稳定并具有 比美国专利6,624,463 B2中的晶体管高的可靠性。参考图7和8，将说明在使用V02薄膜形成金属-绝缘体转换沟道层时，V02薄膜的生长条件。图7是通过高分辨率的透射电子显微镜观察的V02薄膜的图像，其中 V02薄膜在465。C的生长温度及在50 SCCM的氧流量下生长，且图8是其 X射线衍射峰分析的结果。在图7中，可以在这样的生长条件下获得具有 大尺寸颗粒和平坦表面的良好特性的V02薄膜。在图8中，可以确保能在 这样的生长条件下获得多晶V02薄膜。换言之，众所周知，因为(011)和 (012)面的V02峰值出现，在这样的生长条件下可以形成多晶V02薄膜。 此外，应该注意，根据实验，在450到470。C的范围内的生长温度及在5到 6 SCCM的范围内变化的氧流量下生长的V02薄膜具有与前述结果相似的 良好特性。如果生长温度是450。C或更小，存在的问题是颗粒尺寸减小、表面不平 及V02薄膜变成非晶态。相反，如果生长温度是470。C或更大，可以形成诸 如V203的氧耗尽相。同时，如果氧流量是5 SCCM或更小，可以形成V203 的氧耗尽相。此外，如果氧流量是6 SCCM或更大，由于公知的细又长的 颗粒增加的现象，可以形成富氧的V20s或V307。在下文中，将参照图9说明根据本发明优选实施例的金属-绝缘体转 换开关晶体管的电流特性。图9示出了依靠金属-绝缘体转换开关晶体管的漏电流(Ids)随着施加 到栅电极的栅电压(Vgate)和源-漏电压(Vds)的变化。在室温下，当源和漏之间的电压(Vds)在Vds = 0到20V的范围内变化， 以及施加到栅极的栅电压(Vgate)在Vgate=0到-10V的范围内以-2V的间 隔变化时，测量漏电流(Ids)变化。在源和漏之间的电压(Vds)在Vds = 0到20V的范围内变化而不施加到栅
极的电压(即Vgate-0V)的情况下，第一次观察到漏电流Ids在源和漏之间 的电压(Vds)为15V (110)时迅速增大的电流跳变现象。由于金属-绝缘 体转换，电流的突然增加产生了如上所述的漏电流(Ids)的突然改变。如图9中所示，在施加到栅极的栅电压(Vgate)在Vgate=0到-10V的 范围内以-2V的间隔变化同时在源和漏之间施加电压(Vds)的情况下，在 图9中观察到漏电流(Ids)突然增加的点处的源-漏电压(金属-绝缘体转 换Vds)依次从110移动到150，即110—120—130—140—150 ( 110到150 相应于图9的参考标号)。这样的结果表示，可以在交替地把施加到栅极的电压(V，)从Vgate=0以-2V的间隔变化到-10V时控制高电流增益特性。换言之，如果源-漏电压(Vds)设为12V，当施加到栅极的电压(Vgate) 设为OV时漏电流(Ids)接近O (Ids=0)。所以，晶体管变成关状态。当施加 到栅极的栅电压(Vgate)设为-2V时，漏电流具有较大的值，并因此晶体 管变成开状态。同时，最大漏电流限制为20mA使得当晶体管被测量时保 护晶体管。根据本发明，优点在于，通过使用金属-绝缘体转换沟道层代替常规 的PN结型半导体沟道层，可以实现没有尺寸限制的具有大电流增益的开关 晶体管。此外，本发明使用硅衬底和具有良好热传导性的背栅结构代替常规的 蓝宝石衬底，可以防止金属-绝缘体转换沟道层的特性由于在内部产生的 热而改变。此外，因为本发明的金属-绝缘体转换开关晶体管以背栅结构的方式 制造，可以防止V02薄膜的特性被工艺的后面部分改变。根据本发明，具有大沟道长度的金属-绝缘体转换开关晶体管可以通 过利用硅衬底和背栅结构以低成本制造，且可以容易地适用常规硅基技术。虽然为了示例的目的已经描述了本发明的优选实施例，本领域的技术 人员将会理解，不离开所附权利要求中公开的本发明的精神和范围，各种 改进、附加和替换是可能的。
权利要求
1. 一种金属-绝缘体转换开关晶体管,包括 硅衬底；在所述衬底上的栅电极；在所述栅电极和硅衬底上的栅极绝缘膜；在所述栅极绝缘膜上的金属-绝缘体转换沟道层，其中所述金属 - 绝 缘体转换沟道层依靠电场的变化，从绝缘体相转变成金属相，或相反；和 源和漏，分别与所述金属-绝缘体转换沟道层的两侧接触。
2. 根据权利要求1所述的金属-绝缘体转换开关晶体管，其中所述衬 底是硅衬底。
3. 根据权利要求1所述的金属-绝缘体转换开关晶体管，其中所述源 和漏是由从包括铬(Cr)层和金(Au)层或鴒(W)层和钛(Ti)层的组 中选出的材料构成的双层。
4. 根据权利要求1所述的金属-绝缘体转换开关晶体管，其中所述金 属-绝缘体转换沟道层由二氧化钒(V02)薄膜组成。
5. —种金属-绝缘体转换开关晶体管的制造方法，包括步骤 在硅衬底上形成栅电极；在所述硅衬底和栅极上形成栅极绝缘膜； 在所述栅极绝缘膜上形成源电极和漏电极；且 在所述源电极和漏电极之间形成金属-绝缘体转换沟道层。
6. 根据权利要求5所述的金属-绝缘体转换开关晶体管的制造方法， 其中所述源和漏是由从包括铬(Cr)层和金(Au )层或鴒(W)层和钛(Ti) 层的组中选出的材料构成的双层。
7. 根据权利要求5所述的金属-绝缘体转换开关晶体管的制造方法， 其中所述形成源和漏的步骤通过使用剥离(lift-off)工艺实施。
8. 根据权利要求5所述的金属-绝缘体转换开关晶体管的制造方法， 其中所述金属-绝缘体转换沟道层利用二氧化钒(vo2)薄膜形成。
9. 根据权利要求8所述的金属-绝缘体转换开关晶体管的制造方法， 所述二氧化钒薄膜在450。C到470。C范围内的生长温度及在5到6 SCCM范 围内变化的氧流量下生长。
全文摘要
本发明提供了一种金属-绝缘体转换开关晶体管，该晶体管具有硅衬底上的栅电极(背栅结构)和依靠电场的变化从绝缘体相转变为金属相或相反的VO<sub>2</sub>金属-绝缘体转换沟道层，及其制造方法，借此可以制造具有高电流增益特性和热稳定的金属-绝缘体转换开关晶体管。
文档编号H01L29/66GK101124679SQ200480034694
公开日2008年2月13日 申请日期2004年4月1日 优先权日2003年10月23日
发明者姜光镛, 孟成烈, 尹斗协, 蔡秉圭, 金铉卓 申请人:韩国电子通信研究院