[发明专利]金属－绝缘体转换开关晶体管及其制造方法

说明书

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6,624,463B2)”中。这是由其中LaTiO₃(或V₂O₃)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，LaTiO₃(或V₂O₃)，具有比VO₂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VO₂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)层或钨(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(VO₂)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)层或钨(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(VO₂)薄膜形成，且二氧化钒薄膜在450℃到470℃范围内的生长温度及在5到6SCCM范围内变化的氧流量下生长。

附图说明

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VO₂薄膜的图像，其中二氧化钒薄膜在465℃的生长温度及在50SCCM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(I_ds)随施加到栅的栅电压(V_gate)和源-漏电压(V_ds)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。