專利名稱：一種基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于量子效應(yīng)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件。
背景技術(shù)：
近年來，以硅集成電路為核心的微電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。集成度作為衡量集成電路發(fā)展的重要指標(biāo)之一，基本上遵循摩爾定律，即半導(dǎo)體芯片的集成度以每18個月翻一番的速度增長，這要求器件的尺寸不斷的縮小。在半導(dǎo)體器件特征尺寸的不斷縮小過程中，當(dāng)芯片的特征尺寸處于微米尺度時，其中的電子在波粒二重性中主要呈粒子性，目前大多數(shù)半導(dǎo)體器件只利用了電子的粒子性；當(dāng)芯片的特征尺寸處于納米尺度時，尤其當(dāng)特征尺寸與電子的德布洛波長或電子的平均自由程可比擬或更小時，其中的電子在波粒二重性中主要呈波動性，這種電子的波動性就是一種量子效應(yīng)。所謂量子效應(yīng)是電子的能量被量子化，電子的運動在某個方向上受到約束。隧穿效應(yīng)也叫勢壘貫穿，按照經(jīng)典理論，總能量低于勢壘是不能實現(xiàn)反應(yīng)的。但依量子力學(xué)觀點，無論粒子能量是否高于勢壘，都不能肯定粒子是否能越過勢壘，只能說出粒子越過勢壘概率的大小。它取決于勢壘高度、寬度及粒子本身的能量。能量高于勢壘的、運動方向適宜的未必一定反應(yīng)，只能說反應(yīng)概率較大。而能量低于勢壘的仍有一定概率實現(xiàn)反應(yīng)，即可能有一部分粒子穿越勢壘好像從大山隧道通過一般，這就是隧穿效應(yīng)。隨著集成電路器件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，半導(dǎo)體器件的尺寸越來越小，量子隧穿效應(yīng)在半導(dǎo)體器件的工作中起到越來越重要的作用，因此基于量子隧穿效應(yīng)的半導(dǎo)體器件也成為當(dāng)前研究的熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的基于量子隧穿效應(yīng)的半導(dǎo)體器件，以提高半導(dǎo)體器件的性能。為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件，具體包括
一個半導(dǎo)體襯底；
位于所述半導(dǎo)體襯底之上形成的源極； 位于所述半導(dǎo)體襯底之上形成的漏極； 位于所述半導(dǎo)體襯底表面形成的隧穿絕緣體層； 位于所述隧穿絕緣體層之間形成的金屬層；
所述的金屬層、隧穿絕緣體層與所述半導(dǎo)體襯底構(gòu)成一個MIS (金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)；
覆蓋所述半導(dǎo)體襯底與所述MIS結(jié)構(gòu)形成的柵絕緣體層； 位于所述柵絕緣體層之上圍繞所述MIS結(jié)構(gòu)一周形成的柵極。
同時，本發(fā)明還提出了上述基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的制造方法，具體步驟包括
提供一個半導(dǎo)體襯底；
形成第一層絕緣薄膜；
形成第一層導(dǎo)電薄膜；
形成第一層光刻膠并光刻形成圖形；
刻蝕所述第一層導(dǎo)電薄膜；
刻蝕所述第一層絕緣薄膜；
剝除第一層光刻膠；
形成第二層光刻膠并光刻形成圖形；
刻蝕部分所述半導(dǎo)體襯底；
剝除第二層光刻膠；
形成第二層絕緣薄膜；
形成第三層光刻膠并光刻形成圖形；
刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成接觸孔；
剝除第三層光刻膠；
形成第二層導(dǎo)電薄膜并刻蝕所述第二層導(dǎo)電薄膜形成電極。進(jìn)一步地，所述的半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅或者為絕緣體上的硅(S0I)。 所述的第一層絕緣薄膜為Si02、Al203、La203、HfO2或TW2等絕緣材料。所述的第一層導(dǎo)
電薄膜為Al、Co、Ti或Pt等金屬材料。所述的第二層絕緣薄膜為Si02、Al203、Lii203、HfO2、 TiO2或Si3N4等絕緣材料。所述的第二層導(dǎo)電薄膜為金屬、合金或者為摻雜的多晶硅。本發(fā)明采用平臺工藝制作了基于量子隧穿效應(yīng)的柵控金屬-絕緣體器件，并且采用圍柵型柵極對器件進(jìn)行控制，增強了柵極的控制能力，同時，通過對本發(fā)明所提供的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件施加合適的偏壓，可以控制其隧穿效率，將反向電流減小到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通二極管的程度，降低了芯片功耗。


圖1為本發(fā)明所提供的基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的一個實施例的截面圖。圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的A向視圖。圖3至圖8為本發(fā)明所提供的制造如圖1所示的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的一個實施例的工藝流程圖。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明的一個示例性實施方式作詳細(xì)說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。參考圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。同時在下面的描述中，所使用的術(shù)語襯底可以理解為包括正在工藝加工中的半導(dǎo)體襯底，可能包括在其上所制備的其它薄膜層。圖1為本發(fā)明所提供的基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的一個實施例的截面圖，圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的A向視圖。如圖1及圖2所示，該圍柵型柵控金屬-絕緣體器件形成于絕緣體上的硅(SOI)襯底100之上，SOI襯底100包括薄的單晶硅頂層200a、 薄的絕緣體層IOOb和厚的ρ型硅襯底層100c。金屬層102、隧穿絕緣層101與襯底IOOc 構(gòu)成MIS結(jié)構(gòu)，柵絕緣體層103覆蓋硅襯底層IOOc并將柵電極105與所述MIS結(jié)構(gòu)隔離， 柵電極105圍繞MIS結(jié)構(gòu)一周，可以增強柵極的控制能力。金屬層104、106分別為器件的漏極和源極。當(dāng)對漏極、柵極、源極分別施加電壓lv、3v、0v時，ρ型硅襯底層IOOc表面會反型成 η型，由于源極端ρη結(jié)反偏，ρη結(jié)壓降大，隧穿效率低，反向電流很小，器件處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)對漏極、柵極、源極分別施加電壓0ν、3ν、1ν時，ρ型硅襯底層IOOc表面會反型成η型，由于源極端ρη結(jié)正偏，隧穿效率高，正向電流大，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)對柵極施加電壓Ov時，器件處于柵關(guān)閉模式，若對漏極施加電壓0ν、源極施加電壓lv，則硅襯底層IOOc側(cè)有可占據(jù)的量子態(tài)，隧穿電流小。若對漏極施加電壓lv、源極施加電壓0ν，則硅襯底層IOOc側(cè)電子密度小，隧穿電流小。本發(fā)明所公開的基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件可以通過很多方法制造。以下所敘述的是本發(fā)明所提供的制造如圖1所示的基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的一個實施例的工藝流程。首先，提供一個絕緣體上的硅(SOI)襯底200，SOI襯底200包括薄的單晶硅頂層 200a、薄的絕緣體層200b和厚的ρ型硅襯底層200c，接著在SOI襯底200之上淀積一層隧穿絕緣體層201，隧穿絕緣體層201比如為二氧化硅，然后繼續(xù)在隧穿絕緣體層201之上淀積一層金屬層202，比如為鈦，如圖3所示。接下來，淀積一層光刻膠并光刻形成圖形，然后刻蝕掉暴露的金屬層202，接著繼續(xù)刻蝕暴露的隧穿絕緣體層201。剝除光刻膠后再淀積一層新的光刻膠并光刻形成圖形， 然后刻蝕部分P型硅襯底層200c，剝除光刻膠后如圖4所示，其中圖5為圖4所示結(jié)構(gòu)的A 向視圖。接下來，淀積一層?xùn)沤^緣體層203，比如為氮化硅，接著淀積一層光刻膠并光刻形成圖形，然后刻蝕柵絕緣體層203形成接觸孔，剝除光刻膠后如圖6所示，其中圖7為圖6 所示結(jié)構(gòu)的A向視圖。最后，淀積一層金屬204，再淀積一層光刻膠并光刻形成圖像，然后刻蝕金屬層 204形成電極，剝除光刻膠后如圖8所示。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實例。
權(quán)利要求
1.一種基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件，包括 一個半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底之上形成的源極；位于所述半導(dǎo)體襯底之上形成的漏極；位于所述半導(dǎo)體襯底表面形成的隧穿絕緣體層；位于所述隧穿絕緣體層之間形成的金屬層；所述的金屬層、隧穿絕緣體層與所述半導(dǎo)體襯底構(gòu)成一個MIS結(jié)構(gòu)；其特征在于，還包括覆蓋所述半導(dǎo)體襯底與所述MIS結(jié)構(gòu)形成的柵絕緣體層； 位于所述柵絕緣體層之上圍繞所述MIS結(jié)構(gòu)一周形成的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件，其特征在于，所述的隧穿絕緣體層由Si02、Al203、La2O3^HfO2或TiR絕緣材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件，其特征在于，所述的金屬層由 Al、Co、Ti或Pt金屬材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件，其特征在于，所述的柵絕緣體層由 SiO2、Al2O3、Lei2O3、HfO2、TiO2 或 Si3N4 絕緣材料形成。
5.一種基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件的制造方法，其特征在于具體步驟包括提供一個半導(dǎo)體襯底； 形成第一層絕緣薄膜； 形成第一層導(dǎo)電薄膜； 刻蝕所述第一層導(dǎo)電薄膜； 刻蝕所述第一層絕緣薄膜； 繼續(xù)刻蝕部分所述半導(dǎo)體襯底； 形成第二層絕緣薄膜； 刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成接觸孔； 形成第二層導(dǎo)電薄膜； 刻蝕所述第二層導(dǎo)電薄膜形成電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅或者為絕緣體上的硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的第一層絕緣薄膜為Si02、 A1203、La2O3> HfO2、或 TiR 絕緣材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的第一層導(dǎo)電薄膜為Al、Co、Ti 或Pt金屬材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的第二層絕緣薄膜為Si02、 A1203、La2O3> HfO2, TiO2 或 Si3N4 絕緣材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的第二層導(dǎo)電薄膜為金屬、合金或者為摻雜的多晶硅。
全文摘要
本發(fā)明屬于量子效應(yīng)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電子隧穿的圍柵型柵控金屬-絕緣體器件。本發(fā)明包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底之上的源極、漏極、隧穿絕緣體層、金屬層；所述金屬層、隧穿絕緣體層與所述半導(dǎo)體襯底構(gòu)成一個MIS結(jié)構(gòu)；還包括一柵絕緣體層和柵絕緣體層之上圍繞所述MIS結(jié)構(gòu)一周的柵極。本發(fā)明采用平臺工藝制作了基于量子隧穿效應(yīng)的柵控金屬-絕緣體器件，采用圍柵型柵極對器件進(jìn)行控制，增強了柵極的控制能力，同時，通過對圍柵型柵控金屬-絕緣體器件施加合適的偏壓，可以控制其隧穿效率，將漏電流減小到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通二極管的程度,降低了芯片功耗。
文檔編號H01L21/28GK102244102SQ20111017716
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者孫清清, 張衛(wèi), 林曦, 王瑋, 王鵬飛 申請人:復(fù)旦大學(xué)