专利名称：一种具有功能特性的异质结场效应管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种场效应管器件，特别是涉及一种具有功能特性的异质结 场效应管。
背景技术：
锗硅p-n结的发现，尤其是以三极管和场效应管为基础元件的半导体集 成电路的发展，使人类的生产、工作和生活均发生了革命性的巨大变化。尽 管硅半导体场效应管在电子学元件和集成电路中已得到非常广泛的应用，但 锗和硅场效应管都是由p型和n型的同质锗或硅组成，因而不仅结构比较单一， 而且功能也主要局限于电和光的特性。如文献l:《孩i电子学概论》，张兴等 编著，(北京大学出版社2000年版)中所介绍的；文献2:《半导体器件物理 与工艺》，(美)施敏著，赵鹤鸣等译，苏州大学出版社2002年版；和文献3: 《半导体器件》(日)正田英介主编，春木弘编著，科学出版社2001年版)， 已难以满足飞速发展的信息技术的要求。尽管人们也在探索氧化物的场效应 管(文献4: Field effect transistor based on KTa03 Perovskite, K. Ueno, et al， Appl. Phys. Lett" 84， 3726 (2004); 文献5: Field effect transistor on Sti03 with sputtered A1203 gate insulator, K. Ueno， et al， 83， 1755 (2003);文献5: Characterization of HfTa03 films for gate oxide and metal-ferroelectric-insulator-silicon device application, Xu-bing Lu， et al， J. Appl. Phys. ， 103， 004105 (2008))， <旦到目前为止， 其特性较差，距应用的要求还相差甚远。
发明内容
本发明的目的是克服上述锗硅场效应管结构和功能单一的不足以及氧化 物场效应管目前特性较差等缺点，提供一种在单晶硅衬底上设置氧化物层组 成的硅和氧化物场效应管。该硅和氧化物场效应管^^巴钩钛矿氧化物的功能特 性和硅电子学的特性相结合，实现具有不同功能特性的可实用的硅和氧化物 场效应管。
本发明提供的硅和氧化物场效应管包括衬底l、源极2、漏极3、栅绝 缘材料层4、源电极5、漏电极6和栅电极7;其特征在于，所述的衬底l是 n型或p型硅单晶基片；
其中所述的在n型或p型衬底1上生长一 p型或n型钩钛矿氧化物材料 层，即如果衬底l是p型的硅单晶材料，源极2和漏极3就是n型的钓钛矿 氧化物材料；如果衬底1是n型的硅单晶材料，源极2和漏极3就是p型的 钙钛矿氧化物材料；并在所述的p型或n型钓钛矿氧化物材料层上刻蚀一槽， 该槽一侧的钙钛矿氧化物材料层为源极2，另一侧的钾钛矿氧化物材料层为 漏极3,在所述的源极2、漏极3和所述的槽上沉积所述的栅绝缘材料层4， 并且在源极2和漏极3之上的栅绝缘材料层4部分分别刻蚀一源电极引线孔 和漏电极引线孔，在该源电极引线孔内制备所述的源电极5,在漏电极引线 孔内制备所述的漏电极6,在所述的栅绝缘材料层4上制备所述的栅电极7; 所述的源极2和漏极3是4丐钛矿氧化物材料； 所述的栅绝缘材料层4为非晶的Si02材料； 所述的源电极5、漏电极6和栅电极7为导电金属层。 在上述的技术方案中，所述的源极2和漏极3为一层钩钛矿氧化物材料， 称之为普通型的硅和氧化物场效应管；所述的源极2和漏极(3 )为两层和两层以上的钓钬矿氧化物p-n异质结材料组成，称之为功能增强型的硅和氧化 物场效应管。
在上述的技术方案中，所述的钙钛矿氧化物材料包括掺杂的SrTi03、 掺杂的BaTi03、掺杂的锰酸盐或BiFe03;
在上述的技术方案中，所述的n型掺杂SrTi03是SrAxTih03、 SivxLaJi03 或SrTi03—s,其中A是Nb或Sb或Ta。
在上述的技术方案中，所述的p型掺杂SrTi03是SrBJihO"其中B是 In或Mn;
在上述的技术方案中，所述的n型掺杂BaTi03是BaC;Hh03、 Ba^La;Ti03 或BaTi03-s，其中C是Nb或Sb或Ta。
在上述的技术方案中，所述的p型BaTi03是BaDxTihO"其中D是In或
Mn;
在上述的技术方案中，所述的n型摻杂锰酸盐是Lai—xExMn03,其中E是 Te或Nb或Sb或Ta。
在上述的技术方案中，所述的p型掺杂锰酸盐是Lai-xFxMn03,其中F是 Sr或Ca或Ba或Pr。所有x的取值范围为0.005-0.5。
下面对制作硅和氧化物场效应管的具体做法做进一步的说明
对于普通型的硅和氧化物场效应管，是用n型硅单晶基片做衬底，在n型 的衬底上外延生长一层p型钙钛矿氧化物薄膜，也可以用p型硅单晶基片做衬 底，在p型衬底上外延生长一层n型的钧钛矿氧化物薄膜；然后采用化学腐蚀 或离子束刻蚀的方法，在外延生长的p型的钙钬矿氧化物薄膜上制作出沟道， 沟道两边的p型4丐钛矿氧化物薄膜分别做源极和漏极。再在制作了沟道的源 极、漏极和衬底上沉积非晶的Si(M故栅绝缘材料层。沉积非晶的Si02栅绝缘材
6料层后，再采用化学腐蚀或离子束刻蚀的方法，腐蚀或刻蚀出源极和漏极电 极引线孔。最后在表面上蒸镀金属薄膜，腐蚀或刻蚀出源电极、漏电极和栅 极电极。制作普通型回答硅和氧化物场效应管。
对于功能增强型的硅和氧化物场效应管，是用n型或p型硅单晶基片做衬 底，在n型或p型^"底上外延生长两层或两层以上的p型和n型交替叠层的4丐钛 矿氧化物薄膜，然后采用化学腐蚀或离子束刻蚀的方法，把在n型衬底上外延 生长的多层钙钛矿氧化物p-n异质结制作出沟道，沟道两边的钩钛矿氧化物 p-n多层异质结分别做源极和漏极。再在制作了沟道的多层钩钬矿氧化物薄膜 和衬底上沉积非晶的S i 02做栅绝缘材料层。在沉积非晶的S i02栅绝缘材料层 后，再采用化学腐蚀或离子束刻蚀的方法，腐蚀或刻蚀出源极和漏极电极引 线孔。最后在表面上蒸镀金属薄膜，腐蚀或刻蚀出源电极、漏电极和栅极电 极，制作功能增强型硅和氧化物场效应管。
本发明的优点在于
本发明提供的具有功能特性的异质结场效应管，由于采用n型或p型单 晶硅做衬底，在n型或p型的衬底上相应生长p型或n型的钩《太矿氧化物， 是一种异质结结构的场效应管，由于钙钛矿结构氧化物材料具有介电、铁电、 光电、压电、热电、超导、巨f兹电阻及非线性光学等特性和效应，这样的结 合不仅把钓钛矿氧化物的功能特性和硅电子学联系起来，而且可按照不同的 特性和要求，选:f又不同的氧化物材料制作具有不同功能的场效应管。由于不同 的结构具有光、磁、电、铁电等不同的特性，因而在电子学和控制与探测等 方面具有广泛的应用。
另外，本发明提供的具有功能特性的异质结场效应管，可以将n型和p 型的钙钬矿氧化物层交替生长在一起做场效应管的源极和漏极，做成功能增强型的异质结场效应管。把多层的n型和p型的钙钛矿氧化物层交替生长在 一起，由于其界面效应具有增强功能的特性，因而可以得到一层薄膜所不具 有的功能，并可实现功能的集成和功能可调控。因此可以根据要求设计和组 合钙钛矿氧化物层，实现不同的功能器件，在电子学电路和一些探测与控制 系统具有广泛地的应用。
图l是本发明普通型硅和氧化物场效应管结构示意图(实施例1-20); 图2是本发明功能增强型硅和氧化物场效应管结构示意图(实施例21 ); 图3是用p型硅单晶基片做村底，n型SrTi(Vs做源极和漏极，非晶Si02 做栅绝缘材料层制作的本发明的场效应管的i-v曲线。 图面i兌明如下
1、衬底 2、源极 3、漏极
4、栅绝缘材料层 5、源电极 6、漏电极
7、栅电极
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明 的限定。
具体实施方式
实施例1
参考图1，制作一种源极和漏极为一层钙钛矿氧化物层的、具有功能特 性的异质结场效应管。具体结构如下
选用面积为2英寸的n型硅单晶基片做衬底1，在衬底1上生长一层厚 度为300nm的p型Baln。.,Ti。.903薄膜，在薄膜上刻蚀30|iim宽的一个槽。该槽 两侧的8&111。.;1^。.903薄膜分别作为源极2和漏极3。在源极2和漏极3及槽上沉积300nm厚的非晶Si02做栅绝缘材料层4,把源极2上的栅绝缘材料层4 刻蚀出一个孔，并在孔内设置金层作为源电极5,在漏极3上栅绝缘材料层4 刻蚀出一个孔，并在孔内设置金层作为漏电极6;再在栅绝缘材料层4设置 金层作为栅电极7。
釆用常规工艺进行，具体制备工艺如下用激光分子束外延，用2英寸 的n型硅单晶基片做衬底1,在衬底1上外延生长厚度为300nm的p型 Baln。.!Ti。.903薄膜，用离子束刻蚀方法，在Baln。./n。.903薄膜上刻蚀宽度为30, 宽的一个槽做场效应管的沟道，沟道两边的BalnuTUA薄膜分别做源极2 和漏极3。再用常规的半导体工艺在刻蚀了沟道的Baln。」Ti。.,03薄膜和硅衬底 1上沉积300nm厚的非晶Si02做栅绝缘材料层4。然后用离子束刻蚀方法在 Si02上刻蚀出直径0. 5mm的源极2和漏极3的电极引线孔，再用热蒸发方法 蒸镀金膜，并刻蚀出源电极5、漏电极6和栅电极7。栅电极7的宽度为100,, 30,宽的沟道位于栅电极的中间。把制备的样品先沿沟道平行的方向，从沟 道中间把样品切割为10mm宽的长条，再沿沟道垂直的方向，把样品切割为 lfflfflxlOmm的管芯，制作普通型硅和氧化物场效应管。
实施例2
按实施例1制作一普通型的具有功能特性的异质结场效应管，用厚度 300nm的Srln。.sTi。.503薄膜代替Baln。.Ji。.903薄膜做源极2和漏极3,其他结 构同实施例1。
实施例3
按实施例1的结构制作，用厚度400nm的SrMn。.。。5Ti。.9950 3薄膜代替 Baln。.Ti。.903薄膜啦文源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。
9实施例4
按实施例1的结构制作，用厚度500nm的BaMn。.2Ti。.803薄膜代替 Baln。.Ji。.903薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。 实施例5
按实施例1制作，用厚度250nm的La。.85Sr。^Mn03薄膜代替Baln。.,Ti。.力3 薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。由于LaQ.85Sr。.15Mn03 薄膜具有磁电阻特性，因此这是一个具有f兹特性的硅和氧化物场效应管。
实施例6
按实施例1制作，用厚度lOOnm的La。.sGa。.2Mn03薄膜代替BaIn。.Ti。.903 薄膜做源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。由于La。.sGa。.2Mn03 薄膜具有磁电阻特性，因此这是一个具有磁特性的硅和氧化物场效应管。
实施例7
按实施例1制作，用厚度350nm的U。.7Pr。.3Mn03薄膜代替BaliiuTie.A 薄膜做源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。*fLa。.7PrQ.3Mn03 薄膜具有^兹电阻特性，因此这是一个具有-兹特性的硅和氧化物场效应管。
实施例8
参考图1，用脉冲激光沉积方法，用2英寸的p型单晶硅基片做衬底l， 在衬底1上外延生长厚度为200nm的n型SrTi(Vs薄膜，用化学腐蚀方法， 在SrTi03—s薄膜上刻蚀间隔为IO腿宽lOjLim的沟道，沟道两边的SrTi03—s薄膜 分别做源极2和漏极3。再用常规的半导体工艺在腐蚀了沟道的SrTi03-5薄膜 和硅衬底1上沉积300nm厚的非晶Si(M故栅绝缘材料层4。然后用化学腐蚀 方法在Si02上腐蚀出源极2和漏极3的电极引线孔。再用热蒸发方法蒸镀铝 膜，并腐蚀出源电极5、漏电极6和栅电极7。栅电极7的宽度为6G|um， lO(im
10宽的沟道位于^fr电^f及的中间。
把制备的样品先沿平行于沟道的方向，从两沟道中间4巴样品切割为10mm 宽的长条，再沿与沟道垂直的方向，把样品切割为lmmxlO麵的管芯，制作 普通型硅和氧化物场效应管。按常规的测试方法测量本实施例制备的硅和氧 化物场效应管的I-V曲线，如图3所示，可以看出所制备的^5圭和氧化物场效
应管具有^f艮好的I-V特性。 实施例9
按实施例8结构制作，用厚度300腿的n型SrNbuTi。,903薄膜代替SrTi03-s 薄膜做源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。 实施例10
按实施例8结构制作，用厚度50皿的Sr。.6La。./n03薄膜代替SrTi03j 膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。 实施例11
按实施例8结构制作，用厚度350nm的Sr。.9Sb。./H03薄膜代替SrTi03—s 薄膜做源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。 实施例12
按实施例8结构制作，用厚度250nm的Sr。.9sTa。.。5Ti03薄膜代替SrTi03—s 薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。 实施例13
按实施例8结构制作，用厚度綱nm的Ba。.,5Ta。.。Ji03薄膜代替SrTi03—s 薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。 实施例14
按实施例8结构制作，用厚度lmm的Ba。.9Sb。./n03薄膜代替SrTi03-s薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。
实施例15
按实施例8结构制作，用厚度30nm的Ba。.9Nb。./Ti03薄膜代替SrTiCW,膜源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。实施例16
按实施例8制作，用厚度300nm的La。.9TeuTi03薄膜代替SrTi(Vs薄膜做源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。由于La。.Je。.Ji03薄膜都具有磁电阻特性，因此这是一个具有磁特性的硅和氧化物场效应管。
实施例17
按实施例8结构制作，用厚度500nm的La。.9Nb。.Ji03薄膜代替SrTi03—s薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。实施例18
按实施例8结构制作，用厚度600nm的La。.9Sb。.Ji03薄膜代替SrTi03-s薄膜源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。实施例19
按实施例8结构制作，用厚度700nm的La。.9Tao./Ti03薄膜代替SrTi03-s薄膜做源极2和漏极3,制作普通型硅和氧化物场效应管。实施例20
按实施例8结构制作，用厚度300咖的BiFe03薄膜代替SrTi03-s薄膜做源极2和漏极3，制作普通型硅和氧化物场效应管。由于BiFe03薄膜具有多铁特性，因此这是一个具有多铁性的硅和氧化物场效应管。
实施例21
参考图2,制作一种源极和漏极为4层p-n钓钛矿氧化物交替生长组成
12的、具有功能增强特性的异质结场效应管。具体结构如下
选用面积为2英寸的n型硅单晶基片做衬底1，在村底1上设置lOOnm的P型La。.85Sr。.15MnO3、50nm的n型SrNbuTioOs、 IOO咖的p型La。.85Sr。.15Mn03、50nm的n型SrNb。.Ji。.903四层薄膜；在四层薄膜上刻蚀40fim宽的一个槽作为沟道；沟道两边的四层膜分别作为源极2和漏才及3。在刻蚀了沟道的样品上沉积350nm厚的非晶Si02做栅绝缘材料层4;把源极2上的栅绝缘材料层4刻蚀出一个孔并设置铜层作为源电极5，在漏极3上栅绝缘材料层4刻蚀出一个孔并设置铜层作为漏电极6;再在栅绝缘材料层4设置金层作为栅电极7。
本实施例的异质结场效应管采用常规工艺，具体用分子束外延方法，用4英寸n型硅基片做衬底1,在衬底1上依次外延生长厚度为lOOnm的p型La0.85Sr。.15Mn03、 50nm的n型SrNbo.Jio.9O3、 lOOnm的p型Lao.85Sr0.15MnO3* 50nm的n型SrNbuTi。,903四层钙钛矿氧化物薄膜，用离子束刻蚀方法，在四层La。.85Sr。.15MnO^。 SrNb。./Ti。.903薄膜上刻蚀间距5mm宽40|_im的沟道，沟道两边的四层La。.85Sr0.15MnO3— SrNb。./n。.s03薄膜分别做源极2和漏极3。再用常规的半导体工艺在刻蚀了沟道的硅衬底1和四层La。.85SrQ.15Mn0^p SrNb。.Ji。.90s薄膜上沉积350nm厚的非晶Si(M故栅绝缘材料层4。然后用离子束刻蚀方法在Si02上刻蚀出源极2和漏极3的电极引线孔，再用热蒸发方法蒸镀铜膜，并刻蚀出源电极5、漏电极6和栅电极7。栅电极7的宽度为200，， 40pm宽的沟道位于栅电极的中间。
把制备的样品先沿平行于沟道的方向，从两沟道中间才巴样品切割为5mm宽的长条，再沿与沟道垂直的方向，把样品切割为2mmx5mm的管芯，制作功能增强型硅和氧化物场效应管。
由于La。.8sSru5Mn03薄膜具有磁电阻特性，SrNb。.Ji。.,03和La。.85Sr。.15Mn03
13的界面对其》兹特性具有增强效应，因此这是一个具有磁特性增强的硅和氧化物场效应管。
实施例22
参考图2,用激光分子束外延方法，用3英寸的p型单晶硅基片做衬底1,在衬底1依次外延生长厚度为50nra的BiFe03、 50nm的La。.sGa。.2Mn03、 50nm的BiFe03、 50nm的La。.8Ga。.2Mn03、 50nm的BiFe03、 50腿的1^。.^0.厕3六层钙钛矿氧化物薄膜，用离子束刻蚀方法，在六层BiFe03和LaQ.8Ga。.2Mn0^^t矿氧化物薄膜上刻蚀间3巨6mm宽20,的沟道，沟道两边的六层BiFe03和La。.sGa。.2Mn03薄膜分别做源极2和漏极3。再用常规的半导体工艺在制作了沟道的硅衬底1和BiFe。3与LauGa。,2Mn03薄膜上沉积300nm厚的非晶Si(M故栅绝缘材料层4。然后用化学腐蚀方法在Si02上腐蚀出源极2和漏极3的电极引线孔，再用热蒸发方法蒸镀金膜，并腐蚀出源电极5、漏电极6和栅电极7。
把制备的样品先沿平行于沟道的方向，从两沟道中间把样品切割为6mm宽的长条，再沿与沟道垂直的方向，把样品切割为lmmx6mm的管芯，制作功能增强型硅和氧化物场效应管。
由于La。.sGa。.2Mn03薄膜具有磁电阻特性，BiFe03具有多铁性，La。.8Ga。.2Mn03和BiFe03的界面具有对其特性增强的效应，因此这是一个具有特性增强功能的硅和氧化物场效应。
在上述实施例中所列举的衬底l、源极2、漏极3、栅绝缘材料层4、源电极5、漏电极6和栅电极7的厚度，以及源电极5、漏电极6和栅电极7的导电金属层，只是对本发明的全氧化物异质结场效应管的一些说明，本专业制备场效应管中的厚度和已有的导电金属对本发明都适用。
1权利要求
1、一种具有功能特性的异质结场效应管，衬底(1)、源极(2)、漏极(3)、栅绝缘材料层(4)、源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)；其特征在于，所述的衬底(1)是n型或p型硅单晶基片；所述的源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)为导电金属层；其中所述的在n型或p型衬底(1)上生长一p型或n型钙钛矿氧化物材料层，并在所述的p型或n型钙钛矿氧化物材料层上刻蚀一槽，该槽一侧的钙钛矿氧化物材料层为源极(2)，另一侧的钙钛矿氧化物材料层为漏极(3)，在所述的p型或n型源极(2)、漏极(3)和所述的槽上沉积所述的栅绝缘材料层(4)，并且在源极(2)和漏极(3)之上的栅绝缘材料层(4)部分分别刻蚀一源电极引线孔和漏电极引线孔，在该源电极引线孔内制备所述的源电极(5)，在漏电极引线孔内制备所述的漏电极(6)，在所述的栅绝缘材料层(4)上制备所述的栅电极(7)；所述的源极(2)和漏极(3)是钙钛矿氧化物材料；所述的栅绝缘材料层(4)为非晶的SiO2材料。
2、 按权利要求l所述的具有功能特性的异质结场效应管，其特征在于 还包括所述的源极(2)和漏极(3)为由两层，或两层以上的n型或p型锔 钛矿氧化物交替生长在一起组成的异质结材料做成的。
3、 按权利要求1所述的具有功能特性的异质结场效应管，其特征在于 所述的4丐钬矿氧化物材料包括n型或p型掺杂的SrTi03、 n型或p型掺杂的 BaTi03、 n型或p型掺杂的锰酸盐或BiFe03。
4、 按权利要求3所述的具有功能特性的异质结场效应管，其特征在于所述的n型掺杂SrTi。3是SrAH Sr卜xLaxTi03il SrTi03—s,其中A是Nb 或Sb或Ta;所述的p型掺杂SrTi03是SrBxTh-x03，其中B是In或Mn。
5、 按权利要求3所述的具有功能特性的异质结场效应管，其特征在于 所述的n型掺杂BaTi03是BaCH Ba卜xLaJi。3或BaTi03—s,其中C是Nb 或Sb或Ta;所述的p型BaTi03是BaDxTi卜xO"其中D是In或Mn。
6、 按权利要求3所述的具有功能特性的异质结场效应管，其特征在于 所述的n型掺杂锰酸盐是La卜xExMn03，其中E是Te或Nb或Sb或Ta;所述的p型掺杂锰酸盐是Lai-xFxMn03，其中F是Sr或Ca或Ba或Pr。所 有x的取值范围为0. 005-0. 5。
全文摘要
本发明涉及一种具有功能特性的异质结场效应管，包括在n型或p型衬底1上生长一p型或n型钙钛矿氧化物材料层，在p型或n型钙钛矿氧化物材料层上刻蚀一槽，该槽一侧的钙钛矿氧化物材料层为源极，另一侧的钙钛矿氧化物材料层为漏极，在源极、漏极和槽上沉积栅绝缘材料，并且在源极和漏极之上的栅绝缘材料部分分别刻蚀一源电极引线孔和漏电极引线孔，在该源电极引线孔内制备源电极，在漏电极引线孔内制备漏电极，在栅绝缘材料上制备栅电极7。源极和漏极还可以由两层或两层以上的钙钛矿氧化物p-n异质结材料组成。本发明提供的硅和氧化物场效应管不仅把钙钛矿氧化物和硅电子学结合起来，具有功能特性。
文档编号H01L29/66GK101651151SQ20081011811
公开日2010年2月17日 申请日期2008年8月12日 优先权日2008年8月12日
发明者萌 何, 吕惠宾, 芳 杨, 杨国桢, 金奎娟 申请人:中国科学院物理研究所