[发明专利]一种基于金属-绝缘体-半导体结构的量子效应器件

说明书

技术领域

本发明属于量子效应器件技术领域，具体涉及一种基于金属-绝缘体-半导体结构的量子效应器件。

背景技术

近年来，以硅集成电路为核心的微电子技术得到了迅速的发展。集成度作为衡量集成电路发展的重要指标之一，基本上遵循摩尔定律，即半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长，这要求器件的尺寸不断的缩小。在半导体器件特征尺寸的不断缩小过程中，当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子在波粒二重性中主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，尤其当特征尺寸与电子的德布洛波长或电子的平均自由程可比拟或更小时，其中的电子在波粒二重性中主要呈波动性，这种电子的波动性就是一种量子效应。所谓量子效应是电子的能量被量子化，电子的运动在某个方向上受到约束。

隧穿效应也叫势垒贯穿，按照经典理论，总能量低于势垒是不能实现反应的。但依量子力学观点，无论粒子能量是否高于势垒，都不能肯定粒子是否能越过势垒，只能说出粒子越过势垒概率的大小。它取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、运动方向适宜的未必一定反应，只能说反应概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应，即可能有一部分粒子穿越势垒好像从大山隧道通过一般，这就是隧穿效应。

随着集成电路器件技术的进一步发展，半导体器件的尺寸越来越小，量子隧穿效应在半导体器件的工作中起到越来越重要的作用，基于量子隧穿效应的半导体器件因此也成为当前研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的基于量子隧穿效应的半导体器件，以降低芯片功耗。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种基于金属-绝缘体-半导体结构的量子效应器件，具体包括：

一个半导体衬底；

位于所述半导体衬底之上形成的源极；

位于所述半导体衬底之上形成的漏极；

位于所述半导体衬底表面形成的隧穿绝缘体层；

位于所述漏极与所述隧穿绝缘体层之间形成的金属层；

所述的金属层、隧穿绝缘体层与所述半导体衬底构成一个MIS（金属-绝缘体-半导体）结构；

位于所述半导体衬底之上所述MIS结构一侧形成的栅极；

位于所述MIS结构与所述栅极之间形成的栅绝缘体层。

同时，本发明还提出了上述基于金属-绝缘体-半导体结构的量子效应器件的制造方法，具体步骤包括：

提供一个半导体衬底；

形成第一层绝缘薄膜；

形成第一层导电薄膜；

刻蚀所述第一层导电薄膜；

刻蚀所述第一层绝缘薄膜；

继续刻蚀部分所述半导体衬底；

形成第二层绝缘薄膜；

刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成接触孔；

形成第二层导电薄膜；

刻蚀所述第二层导电薄膜形成电极。

进一步地，所述的半导体衬底为单晶硅、多晶硅或者为绝缘体上的硅（SOI）。所述的第一层绝缘薄膜为SiO₂、Al₂O₃、La₂O₃、HfO₂、TiO₂等绝缘材料。所述的第一层导电薄膜为Al、Co、Ti、Pt等金属材料。所述的第二层绝缘薄膜为SiO₂、Al₂O₃、La₂O₃、HfO₂、TiO₂、Si₃N₄等绝缘材料。所述的第二层导电薄膜为金属、合金或者为掺杂的多晶硅。

本发明将量子隧穿效应和一种栅控二极管结合在一起，采用平台工艺制作出基于量子隧穿效应的栅控金属绝缘体半导体二极管。通过对本发明所提供的量子效应器件施加合适的偏压，可以控制其隧穿效率，将反向电流减小到远远小于普通二极管的程度,降低了芯片功耗。

附图说明

图1为本发明所提供的基于金属-绝缘体-半导体结构的量子效应器件的一个实施例的截面图。

图2至图10为本发明所提供的制造如图1所示的量子效应器件的一个实施例的工艺流程图。

具体实施方式