发明内容
考虑到常规方法和结构的前述和其他问题,本发明的目的之一在于
提供一种方法和结构,其中一种薄的栅极介质被应用在诸如场发射晶体
管的半导体器件中。
另一目的在于使用栅极介质而不是二氧化硅。
根据本发明的第一方面,场效应晶体管包括衬底,配置在沟道区上
的绝缘层,和配置在绝缘层上的栅电极,该衬底包括源区,漏区和这两
者之间的沟道区,该绝缘层包括一个层,该层包含配置在沟道区上的氮
化铝。
根据另一方面,绝缘层还优选地包括配置在沟道区上的氧化铝、配
置在氧化铝上面或下面的氮化铝的层。
根据另一方面,绝缘层还优选包括配置在沟道区上的二氧化硅、配
置在二氧化硅上面或下面的氮化铝的层。
根据另一方面,绝缘层还优选地包括配置在沟道区上的氮化硅、配
置在氮化硅上面或下面的氮化铝的层。
由此,本发明器件的结构优选包括至少一种电介质层(例如氮化铝)
并且更优选包括两种电介质层,下面的层为氧化铝(或二氧化硅或氮化
硅)而上面的层为氮化铝。这些材料可为无定形,或多晶,或单晶的。
通过多种技术中的任何一种,氧化铝和氮化铝优选地直接沉积在硅
表面顶部上。
因此,本发明提供用于硅互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管
的高介电常数栅极介质,其取代当前使用的二氧化硅栅极介质。这是由
于下述原因发生的。如先前提及的,相应的比例参数为比率e/d,其中e
为电介质介电常数,d为薄膜厚度。注意到在电介质为二氧化硅时,e被
限制到3.8的低值。另一方面,氮化铝的介电常数至少近似在9-16的范
围内。结果,对于氮化铝电介质层,物理厚度可至少高于二氧化硅层厚
度的2.5倍并仍然保持相同的e/d比例。换句话说,二氧化硅薄膜和比二
氧化硅薄膜厚2.5倍的氮化铝薄膜可为相互电等价的。然而,由于它的较
高物理厚度,氮化铝层将比二氧化硅层传导低得多的漏电流。
结果,需要超薄栅极介质层的未来微型化晶体管可使用基于氮化铝
的电介质,从而导致更小更快和低漏电流的器件。
较厚的物理层也防止通过电介质层的杂质和掺杂剂的扩散并且保护
了下面的硅衬底。
具体实施方式
现在参考附图,特别是图1-4,它们示出了根据本发明的方法和结构
的优选实施方案。
优选实施方案
参考图1,该图示出了形成半导体器件的方法100,该半导体器件诸
如多端器件,场效应晶体管,开关器件,放大器等。
在步骤101中,提供衬底101,该衬底具有源区102,漏区103,和
形成在源和漏区之间的沟道区104。该衬底优选由硅等形成。
在步骤102中,选择性地氧化铝(氧化铝)层105(或二氧化硅或氮
化硅)被沉积在源和漏区之间的沟道区上。再次,注意到氧化铝(或二
氧化硅或氮化硅)105的形成是任选的。如果提供该层,氧化铝(或二氧
化硅或氮化硅)的厚度优选在大约0.1nm至2.0nm范围内。
在步骤103中,氮化铝层106被沉积在氧化铝(或二氧化硅或氮化
硅)(如果先前提供了)上。
如果先前没有沉积氧化铝(或二氧化硅或氮化铝)105,那么氮化铝
106直接沉积在沟道上。注意到氧化铝的形成是任选的。氮化铝的厚度优
选在大约0.1至大约10nm范围内。注意到如果在下面没有氧化铝层(或
二氧化硅或氮化硅),该厚度不需要变化。
在步骤104中,由金属或多晶硅形成的栅电极107被形成在氮化铝
层的顶部上。
参考图2,该图示出了通过图1方法形成的器件的结构。如上所述,
该结构包括至少一种电介质层(例如,氮化铝)或两种电介质层,下面
一层为氧化铝上面一层为氮化铝。这些材料可为或者无定形,或者多晶,
或者单晶的。在该实施方案中描述的情形是上层为氮化铝的情形。然而,
可使这种情形相反,其中第一层为氮化铝,随之以二氧化硅或氧化铝或
氮化硅。
示出的结构为标准的自调整场效应晶体管的结构。然而,这种晶体
管的各种变体也可使用相同的异质结电介质。
如图2所示,氧化铝(或二氧化硅或氮化硅)和氮化硅被直接沉积
在Si表面顶部。这可通过各种技术完成,包括超高真空物理气相沉积(UHV
PVD)。
参考图3,提供了两种样品的电学结果(电容-电压,和电流-电压)
并显示出电容确实存在。
也就是说,示出了形成的铝/氮化铝/硅(样品344)和铝/氮化铝/氧化
铝/硅(样品345)电容器的电学结果。
对于样品344,氮化铝厚度估计为5nm,对于样品345,氧化铝厚度
估计为4nm,并且氮化铝层估计为0.8nm。
C-V结果显示了对于样品344具有1.3nm等效厚度(等效于二氧化
硅)和样品345具有1.5nm等效厚度的好的性能界面(本发明者还示证
了大约0.9nm等效厚度的基于氮化铝的电介质薄膜,该厚度低于二氧化
硅可接受的制作厚度),在相同等效厚度下漏电流低于二氧化硅的漏电
流7个数量级大小(对于样品345),而对于样品344低于5个数量级的
漏电流。
图4说明了本发明使用的这两种样品(例如,氮化铝和氧化铝/氮化
铝电介质异质结构)的电流密度曲线,和与常规结构中使用的二氧化硅
的比较。
因此,图4表明利用本发明的这两种样品可得到非常低的电流密度,
特别是与常规栅极介质(诸如二氧化硅)相比。
因此,如上所述,根据本发明独特和并非显而易见的方面,本发明
器件优选包括至少一种电介质层(例如,氮化铝)并且更优选包括两种
电介质层,其中一层为氮化铝另一层为氧化铝、二氧化硅或氮化硅。
因此,本发明提供用于硅互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管
的高介电常数栅极介质,其取代常规的二氧化硅(或二氧化硅或氮化硅)
栅极介质。这就导致一种电学上较薄的栅极介质,使保持低漏电流并提
供了具有良好电特征的与Si的界面。
尽管根据几个优选实施方案描述了本发明,但是本领域中的技术人
员将认识到在附加的权利要求书的精神和范围内可进行修改来实现本发
明。