CN103165676A - 场效晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种场效晶体管。此场效晶体管的有源层是由至少两层不同的非晶形金属氧化物半导体层所堆叠而成，使有源层相对两表面具有不同的能隙值。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体组件的结构，且特别是涉及一种金属氧化物半导体晶体管。
背景技术
金属氧化物半导体晶体管(Metal Oxide Semiconductor Transistor)是以金属氧化物半导体层作为有源层的晶体管。相较于以非晶硅薄膜作为有源层的非晶硅薄膜晶体管，金属氧化物半导体晶体管具有较高的载子迁移率(Mobility)。而相较于以低温多晶硅作为有源层的低温多晶硅薄膜晶体管，金属氧化物半导体晶体管的工艺较为简单，而且金属氧化物半导体层具有较佳的均匀性，使得金属氧化物半导体晶体管具有较佳的性能。
目前，提高晶体管的载子迁移率是进一步改善晶体管性能的方法之一。将晶体管的有源层形成为多晶结构是提高晶体管的载子迁移率一种常用方法。例如，以多晶硅作为有源层的多晶硅晶体管会具有较高的载子迁移率。但是，多晶硅的形成，不仅会增加晶体管工艺的难度，而且均匀性不佳的多晶硅层会影响晶体管的性能。此外，改变有源层材料组成也是提高晶体管的载子迁移率一种方法，但是替代材料的研发难度较大，不利于加快改善晶体管性能。
发明内容
本发明的一方面提供一种场效晶体管，其包括栅极、栅极绝缘层、有源层、源极与漏极。上述栅极、栅极绝缘层与有源层依序堆叠在一基底上，源极与漏极则分别连接于有源层上。
上述有源层具有相对的第一表面与第二表面，且有源层的第一表面侧的第一能隙值与第二表面侧的第二能隙值不同。因此，有源层含有堆叠在一起的至少两层非晶形的金属氧化物半导体层，使有源层的第一表面侧的第一能隙值与第二表面侧的第二能隙值不同。
依据一个实施方式，上述第一能隙值与第二能隙值的差异至少为0.5eV。
依据另一个实施方式，上述第一能隙值与第二能隙值的差异至少为1eV。
依据又一个实施方式，可用来组合出有源层的金属氧化物半导体，例如可自氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、硅的氧化物(SiOx)、氧化铟(In2O5)、氧化镓(GaO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)与其它合适的金属氧化物半导体中选择出至少两种金属氧化物半导体，堆叠而成上述有源层。
依据再一个实施方式，上述栅极、源极与漏极位于该有源层的同侧。
依据再一个实施方式，上述栅极位于有源层的一侧，而源极与漏极位于有源层的相对另一侧。
上述发明内容旨在提供本公开内容的简化摘要，以使阅读者对本公开内容具备基本的理解。此发明内容并非本公开内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键组件或界定本发明的范围。在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中的技术人员可轻易了解本发明的基本精神及其它发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施方式。
附图说明
为了使本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，提供附图，在附图中：
图1是绘示依照本发明一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。
图2是绘示依照本发明另一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。
图3是绘示依照本发明又一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。
图4是绘示依照本发明再一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。
具体实施方式
依据上述，提供一种能增加其电子迁移率的场效晶体管(Field EffectTransistor;FET)。在下面的叙述中，将会介绍上述效晶体管的例示结构。为了容易地了解所述实施例，下面将会提供不少技术细节。当然，并不是所有的实施例皆需要这些技术细节。同时，一些广为人知的结构或组件，仅会以示意的方式在附图中绘出，以适当地简化附图内容。
上述场效晶体管的结构包括栅极、栅极绝缘层、有源层、源极与漏极。依据一实施方式，上述栅极、栅极绝缘层与有源层依序堆叠在一基底上，源极与漏极则分别连接于有源层上。
依据另一实施方式，上述栅极、源极与漏极位于该有源层的同侧。依据又一实施方式，上述栅极位于有源层的一侧，而源极与漏极位于有源层的相对另一侧。上述栅极、源极与漏极的材料例如可分别为掺杂半导体材料、金属硅化物或金属。上述栅极绝缘层的材料例如可为硅的氧化物、氮化硅、氮硅的氧化物或其它具有高介电常数值的介电材料。
上述有源层具有相对的第一表面与第二表面，且有源层的第一表面侧的第一能隙值与第二表面侧的第二能隙值不同。因此，有源层需含有堆叠在一起的至少两层非晶形的金属氧化物半导体层，使有源层的第一表面侧的第一能隙值与第二表面侧的第二能隙值不同。
依据一实施方式，上述第一能隙值与第二能隙值的差异至少为0.5eV，例如可至少为1eV，以有效地增加有源层的电子迁移率。可用来组合出有源层的金属氧化物半导体的选择，例如可自氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化铟(In2O5)、氧化镓(GaO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)与其它合适的金属氧化物半导体中选择出至少两种金属氧化物半导体，堆叠而成上述的有源层，使有源层的第一表面与第二表面可分别具有不同的能隙值。
两层不同的金属氧化物半导体层堆叠在一起之后，通常会形成异接面(heterojunction)的结构，在所形成的能量井中累积高密度的电子，因此可以有效地提升电子迁移率。此现象在具有单晶结构的第三五族半导体中十分常见，高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor;HEMT)即利用此现象来大幅增加其电子的迁移率。在多晶(polycrystalline)***中，目前只有Huai-An Chin(Journal ofApplied Physics108,054503(2010))观察到MgZnO/ZnO也有类似的现象发生。但是，在非晶相***中，尚无人预测或观察到也会有此现象。究其原因为在单一晶粒中，电子可以轻易地在其中移动。但是要跳跃横跨不同晶粒间的界面，对电子来说却是困难重重。因此，材料的结晶度越差，其电子迁移率就会越差。
承上所述，本发明实施方式的场效晶体管的有源层虽然由至少两层不同的非晶形金属氧化物半导体层所构成，却仍然具有增进电子迁移率的效果，实乃出乎本发明技术领域中具有通常知识者的预期之外。
以下，举出数个实施方式来详细说明上述的场效晶体管结构。
实施方式一
参照图1，其绘示依照本发明一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。在图1中，场效晶体管100包括栅极120、栅极绝缘层130、源极140a、漏极140b与有源层150，其中有源层150具有相对的第一表面150a与第二表面150b。上述栅极120、栅极绝缘层130与有源层150依序堆叠在基底110上。源极140a与漏极140b位于栅极绝缘层130与有源层150之间，且彼此分隔一距离。亦即，栅极120、源极140a与漏极140b皆位于有源层150下方同一侧。
依据一实施例，上述有源层150具有堆叠的至少两层不同的金属氧化物半导体层(图上未示出)，分别位于第一表面150a侧与第二表面150b侧。依据另一实施方式，上述两层不同的金属氧化物半导体层可以为渐进式的混合在一起，使有源层150的第一表面150a的第一能隙值逐渐增加至或减少至第二表面150b的第二能隙值。依据又一实施方式，在上述两层不同的金属氧化物半导体层之间还可以夹入至少一层的第三金属氧化物半导体层，第三金属氧化物半导体层的第三能隙值介于有源层150的第一表面150a的第一能隙值与第二表面150b的第二能隙值之间。
例如，在有源层150的第一表面150a处可为非晶形的氧化铟镓锌层，在氧化铟镓锌层上再堆叠一层钙金属层，使钙扩散至氧化铟镓锌层之中进行反应，而于第二表面150b处因氧化而形成氧化铟镓锌钙层。因此，形成氧化铟镓锌层/氧化铟镓锌钙层的异接面结构。上述结果是由X射线光电子光谱(X-ray photoelectron spectroscopy;XPS)所鉴定而得。结果，原本非晶形的氧化铟镓锌层的电子迁移率为12cm2V-1s-1，在形成氧化铟镓锌层/氧化铟镓锌钙层的异接面结构之后，电子迁移率增加至惊人的160cm2V-1s-1，完全为不可预期的结果。
实施方式二
参照图2，其绘示依照本发明另一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。在图2中，场效晶体管200包括栅极220、栅极绝缘层230、源极240a、漏极240b与有源层250，其中有源层250具有相对的第一表面250a与第二表面250b。上述栅极220、栅极绝缘层230与有源层250依序堆叠在基底210上。源极240a与漏极240b位于有源层250之上，且彼此分隔一距离。亦即，栅极220位于有源层250下方，而源极240a与漏极240b位于有源层250上方。有源层250的细节如述有源层150，所以在此省略不再赘述。
实施方式三
参照图3，其绘示依照本发明又一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。在图3中，场效晶体管300包括栅极320、栅极绝缘层330、源极340a、漏极340b与有源层350，其中有源层350具有相对的第一表面350a与第二表面350b。上述有源层350、栅极绝缘层330与栅极320依序堆叠在基底310上。源极340a与漏极340b位于有源层350之上，且分别位于栅极320的两侧。亦即，栅极320、源极340a与漏极340b皆位于有源层350的上方。有源层350的细节如述有源层150，所以在此省略不再赘述。
实施方式四
参照图4，其绘示依照本发明一个实施方式的一种场效晶体管的剖面结构示意图。在图4中，场效晶体管400包括栅极420、栅极绝缘层430、源极440a、漏极440b与有源层450，其中有源层450具有相对的第一表面450a与第二表面450b。上述有源层450、栅极绝缘层430与栅极420依序堆叠在基底410上。源极440a与漏极440b位于有源层450与基底410之间，且彼此分隔一距离。亦即，栅极420位于有源层450上方，而源极440a与漏极440b位于有源层450下方。有源层450的细节如述有源层150，所以在此省略不再赘述。
由上述本发明实施方式可知，场效晶体管的有源层若由至少两种不同的非晶形金属氧化物半导体层堆叠而成，也会形成异接面结构而大幅增加有源层内的电子迁移率，从而大幅改善场效晶体管的性能。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种修改与改变，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定为准。
Claims (9)
1.一种场效晶体管，该场效晶体管包括：
栅极；
栅极绝缘层；
有源层，具有相对的第一表面与第二表面，其中该栅极、该栅极绝缘层与该有源层依序堆叠于一基底上，该有源层具有非晶形的至少两层不同的金属氧化物半导体层，且该有源层的该第一表面侧的第一能隙值与该第二表面侧的第二能隙值不同；以及
源极与漏极分别连接于该有源层。
2.根据权利要求1所述的场效晶体管，其中该第一能隙值与该第二能隙值的差异大于0.5eV。
3.根据权利要求1所述的场效晶体管，其中该第一能隙值与该第二能隙值的差异大于1eV。
4.根据权利要求1所述的场效晶体管，其中该有源层的该第一能隙值逐渐转变成该第二能隙值。
5.根据权利要求1所述的场效晶体管，其中该两种不同的金属氧化物半导体的材料是分别选自于由氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化铟(In2O5)、氧化镓(GaO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)与硅的氧化物(SiOx)所组成的族群。
6.根据权利要求1所述的场效晶体管，还包括第三金属氧化物半导体层位于该两层不同的金属氧化物半导体层之间，该第三金属氧化物半导体层的第三能隙值介于该第一能隙值与该第二能隙值之间。
7.根据权利要求6所述的场效晶体管，其中该第三金属氧化物半导体层的材料是选自于由氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化铟(In2O5)、氧化镓(GaO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)与硅的氧化物(SiOx)所组成的族群。
8.根据权利要求1所述的场效晶体管，其中该栅极、该源极与该漏极位于该有源层的同侧。
9.根据权利要求1所述的场效晶体管，其中该栅极位于该有源层的一侧，该源极与该漏极位于该有源层的相对另一侧。
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