CN1845339A - 相变薄膜场效应晶体管单元器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种相变薄膜场效应晶体管单元器件及其制作方法。其特征在于用相变材料替代场效应晶体管中的半导体材料硅，利用相变材料的电致相变特性和半导体特性，同时在一个器件中实现场效应晶体管特性和存储功能。同时，本发明还包括该种新型器件的制作方法：直接利用氧化硅片作为衬底(栅极)/绝缘层的结构，再在该衬底上方制备源、漏电极，通过剥离沉积的相变材料薄膜形成简单的相变薄膜场效应晶体管单元器件。该方法制备工艺极其简单，成本低廉，有利于提高生产效率，降低成本，从而推动相变薄膜场效应晶体管的实际应用。

Description

相变薄膜场效应晶体管单元器件及其制作方法

技术领域

本发明是一种相变薄膜场效应晶体管单元器件及其制作方法，属于微电子技术领域。

背景技术

薄膜场效应晶体管(TFT，thin-film field-effect transistor)是利用栅极电压、源极、漏极电压来控制多数载流子在半导体器件中的分布从而达到控制源、漏电极之间I-V(电流-电压)等关系的作用。而硫系化合物随机存储器(C-RAM，Chalcogenide random access memory)，是利用相变硫系化合物材料相变前后的两个状态的电阻率的变化来实现数据的存储。第一个状态(即多晶状态)电阻率较低，第二个状态(即非晶状态)的电阻率较高。逻辑“1”或逻辑“0”取决于相变材料所处的相态，可以设定高阻状态(非晶状态)为“1”，低阻状态(多晶状态)为“0”。两者都是目前微电子领域中广受关注的方向，有着广阔的市场前景。

当今微电子工业数十年来一直按照Moore定律迅速发展，集成电路的线宽和尺寸不断下降，为了节省电路空间，电路的层数也不断增多；另一方面，相变存储器因这具有体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发的优点已成为全世界各大公司、研究机构的宠儿；与此同时，薄膜场效应晶体管因着其与薄膜工艺的兼容性成为炙手可热的研究对象。在集成电路迅速发展的前提下，充分的利用电路空间是有效提高生产效率、降低制造成本、提高性能的一种重要办法，而目前的提高电路空间利用率方法就是增加集成电路的层数，而本发明提出的一种新型的构思，即提出一种相变薄膜场效应晶体管器件单元器件，拟有效地将逻辑器件和存储功能器件有效结合，通俗地说即将上述两个器件合为一个器件，节省了单元器件的空间占有量；且设想由本发明提供的单元器件还具备多级存储功能；此外，相变薄膜场效应晶体管还与C-RAM一样具有潜在的缩小尺寸的前景，符合电子器件高密度的发展趋势。

目前在C-RAM中用最多的功能材料是锗锑碲合金(Ge-Sb-Te)，而在场效应晶体管中应用最多的则是硅(包括掺杂的)或锗硅，而在本发明中采用的功能材料可为Ge-Sb-Te，也可以为Sb-Te、Si-Sb-Te和Ge-Si-Sb-Te等一系列材料，在本发明中采用的材料，不仅要具备电致相变功能，还要具备不低的载流子迁移率和载流子浓度，同时还应有良好的稳定性。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种新型相变薄膜场效应晶体管器件单元器件及其制作方法，其目的是为了集成逻辑器件和存储功能器件，达到充分利用集成电路空间的目的，同时也提供一种工艺简单、成本低廉的器件制备方法。

在该种新型相变薄膜场效应晶体管器件单元器件中所用的半导体相变材料，除了能实现电致相变之外，其材料本身的载流子浓度和迁移率也应该达到一定的要求，载流子浓度应大于10¹⁵cm^-3，迁移率则大于1cm²/(V*s)，同时在电脉冲的激发下，该半导体材料的电阻率、载流子迁移率、载流子浓度和导电类型可能会发生变化(从n型导电类型变到p型，或者反之)。

1.关于本发明提供的新型的薄膜场效应晶体管器件的描述

普通的薄膜场效应晶体管是通过改变栅极电压，在库伦力的作用下多数载流子向某一区域集中，形成载流子通道，从而达到改变源、漏之间电学性能的目的，因此改变栅极电压使不同数量的载流子形成载流子通道，源、漏之间有不同的I-V特性。图1所示的是典型的场效应晶体管单元器件在不同栅电压(V_g)作用下的I-V曲线。

而在本发明提出的相变薄膜场效应晶体管，不仅有如上所述的晶体管特性，还能实现相变材料的相变，从而达到改变晶体管的电学性能的目的：当栅极电压被撤销的前提下，在源电极和漏电极之间施加一脉冲电流，使源电极和漏电极之间的相变材料发生相变，形成如图2(c)所示的多晶沟道；由于相变材料的电阻率、载流子浓度和迁移率在相变前后发生了变化，从而可望进一步改变源电极和漏电极之间的I-V特性；所以，相变前后的晶体管有完全不同电学性能。再则，当设定如表1所示的状态时，就能实现多级存储(4级)。

由此可见，这种新型的相变薄膜场效应晶体管既具备薄膜场效应晶体管的特性又具有相变存储器的存储功能，同时还能实现多级存储。

2.本发明所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件的制备方法

本发明提供二种制备工艺制作相变薄膜场效应晶体管单元器件，使之同时具有C-RAM单元器件和薄膜场效应晶体管的性能。一种工艺流程如下：如图4所示，(a)先在衬底上依次沉积栅电极、绝缘层和上电极，沉积方法为磁控溅射法或化学气相沉积(CVD)法；(b)再在上电极上沉积1微米厚的光刻胶，利用曝光刻蚀工艺曝出源电极、漏电极图形，源电极、漏电极上残留的光刻胶暂时不去除；(c)沉积相变材料薄膜，利用剥离工艺去除残留的光刻胶，露出源电极和漏电极；(d)最后引线，封装。

另外一种工艺流程是：(a)采用表面有氧化层的硅片(热氧化、或者沉积的氧化硅都可)，直接利用有氧化硅膜的硅片作为衬底，且形成的衬底作为栅极，构成栅极/绝缘层的结构；(b)再在该衬底上方制作电极，涂上光刻胶后利用曝光刻蚀工艺制备出源电极和漏电极，暂时保留残留在源电极和漏电极上的光刻胶以作剥离之用；(c)沉积相变材料薄膜，用剥离工艺形成简单的相变薄膜场效应晶体管单元器件，形成如图3所示结构；(d)最后引线、封装。在此工艺中，刻蚀源电极和漏电极的过程同上一个工艺流程。

由此可见，本发明所提供的相变薄膜场效应晶体管单元器件的结构特征是在普通的硅衬底上沉积栅极，在栅极上沉积绝缘层，然后在绝缘层上沉积电极，并经曝光和刻蚀工艺制备出源电极和漏电极，最后在源电极和漏电极之间沉积相变薄膜材料。

所述的绝缘层的绝缘材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆或者氮氧化硅中的一种，厚度为20nm-2μm；所述的作为电极的导电材料为金属钨、铜、钼、钽、钌、氧化钌、金、铂、银、氮化锗钨、钛和氮化钛中的一种，厚度为10nm-1μm；所述的相变薄膜材料为硫系化合物和非硫系化合物中的一种，其性能要求同时满足的条件是：(1)除能实现电极相变之外，材料载流子浓度大于10¹⁵cm^-3，迁移率大于1cm²/v.s；(2)利用材料性能的变化实现数据的存储，材料性能的变化是半导体材料电阻率的变化、材料的电子迁移率发生变化、材料的载流子浓度变化或材料的导电类型发生变化(n型导电到p型导电或反之由p型导电类型转变为n型)，厚度为10nm-1μm；所述的源电极和漏电极之间的距离，即沟道宽度在1nm-100μm之间，长度在1nm-1mm之间。

本发明所提供的其间状态和设定值的比较列于表1。

                                       表1器件状态和设定值比较

状态	未相变、Vg＝0	未相变、Vg＝1	已相变、Vg＝0	已相变、Vg＝1
					源漏之间电阻	10kΩ	1kΩ	100Ω	50Ω
设定值	00	01	10	11

式中Vg＝0表示不加栅极电压，Vg＝1表示施加栅极电压二不表示所加的栅极电压为0伏和1伏。

当器件中的相变材料为非晶时，并且未加栅极电压时，源和漏之间的电阻假设为10kΩ，人为设定该状态为“00”；当器件中的相变材料为非晶时，加栅极电压时，源和漏之间的电阻假设为1kΩ，此时人为设定该状态为“01”；当施加脉冲电流使器件中的相变材料变为多晶时，并且未加栅极电压时，源和漏之间的电阻为100Ω，人为设定该状态为“10”；同理，当器件中的相变材料为多晶时，施加栅极电压时，源和漏之间的电阻假设为50Ω，人为设定该状态为“11”。这样，这个相变薄膜场效应晶体管就有四种状态。显然，源电极和漏电极之间的电阻，因而不同器件尺寸和参数会有不同的数值，为方便表述本发明所述的状态，而列出上述假设电阻值。

综上所述，本发明是一种新型的相变薄膜场效应晶体管及其制作方法。其特征在于用相变材料替代场效应晶体管中的半导体材料硅，利用相变材料的电致相变特性和半导体特性，实现场效应晶体管特性和存储功能，使制作的器件既具有场效应晶体管的特点又具有相变多级存储器功能，是一种高性能的电子器件。同时，本发明还包括该种器件的第二种制作方法：直接利用氧化硅片作为衬底，且将形成的衬底作为栅极，构成栅极/绝缘层的结构，再在该衬底上方制备源、漏电极，沉积相变材料薄膜形成简单的相变薄膜场效应晶体管单元器件。

附图说明

图1典型的场效应晶体管施加不同Vg的I-V曲线。

图2单元器件示意图

(a)单元器件剖面图，(b)单元器件俯视图(相变前)，(c)单元器件俯视图(相变后，产生多晶沟道)，

图3单元器件另一种示意图

(a)单元器件剖面图，(b)单元器件俯视图

图4相变薄膜场效应晶体管单元器件制备工艺

(a)在衬底上依次制备栅电极、绝缘层和上电极，(b)通过光刻工艺刻出源、漏电极，暂时不去除源电极和漏电极上残留的光刻胶，(c)沉积相变薄膜材料，(d)用剥离工艺去除光刻胶，露出源、漏电极

图中1为衬底，2为栅极，3为绝缘层，4为源电极、漏电极，5为相变材料层，6为相变形成的多晶材料沟道，7为光刻胶，8为硅衬底/栅极，9为热氧化产生的氧化硅层，10导电层，11相变材料层。

具体实施方式

下面通过具体实施例的介绍，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1

在本实施例中，本发明的制备过程如下(如图4所示)：

a.在硅衬底(1)上制备栅极(2)，栅极材料为金属W、Cu、Mo、Ta、Au、Pt、Ag、钌、氧化钌、Ti或TiN中任意一种，首选金属W，厚度为200nm。

b.在栅极上制备绝缘层(3)，绝缘层材料为氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆或氧氮化硅中任一种，首选为氧化硅，厚度为300nm。

c.再在绝缘层上沉积100nm的导电电极，涂上1微米厚的光刻胶后利用曝光、刻蚀工艺制备出源和漏极(4)，暂时保留残留在源、漏电极表面的光刻胶。

d.沉积相变材料Si₁Sb₂Te₃，厚度为300nm。

e.利用剥离工艺去除残留在源、漏电极表面的光刻胶，同时也去除源、漏电极上方的相变薄膜，形成图2(d)所示的结构。

f.引线，封装。

实施例2

在本实施例中，本发明的制备过程如下：

a.采用热氧化的n型(100)取向的氧化硅片，氧化层厚度为1微米。栅极与衬底共用，即将栅电压加在衬底硅上在衬底上形成栅极，氧化硅层为绝缘层。

b.再在绝缘层上沉积100nm的金属电极钨，涂上光刻胶后利用曝光、刻蚀工艺制备出源和漏极(4)，暂时保留残留在源、漏电极表面的光刻胶。

c.沉积相变材料Ge-Si-Sb-Te，厚度为200nm。

d.利用剥离工艺去除残留在源、漏电极表面的光刻胶，同时也去除源、漏电极上方的相变薄膜Ge-Si-Sb-Te，形成图3(a)所示的结构。

e.引线，封装。

显然，必须进一步说明的是图2-4所示单元器件的图形仅仅是为描述方便，而选择的形状，并不表明本发明提供的器件形状仅此一种。

Claims (10)

1.一种相变薄膜场效应晶体管单元器件，在普通的硅衬底上沉积栅极，或直接利用氧化硅片作栅极，在栅极上沉积绝缘层，然后在绝缘层上沉积电极，并经曝光和刻蚀工艺制备出源电极和漏电极，其特征在于最后在源电极和漏电极之间沉积相变薄膜材料。

2.按权利要求1所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件，其特征在于所述的绝缘层的绝缘材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧氮化硅中的一种；绝缘层厚度为20nm-2μm。

3.按权利要求1所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件，其特征在于作为电极和导电材料为W、Cu、Mo、Ta、Au、Tt、Ag、钉、氧化钉、Ti和TiN中的任意一种；电极材料厚度为10nm-1μm之间。

4.按权利要求1所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件，其特征在于源电极和漏电极之间的距离，即沟通宽度在1nm-10μm之间，长度在1nm-1mm之间。

5.按权利要求1所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件，其特征在于所述的相变薄膜材料为硫系化合物或非硫系化合物，材料的载流子浓度大于10¹⁵cm^-3，迁移率大于1cm²/v.s；相变薄膜材料厚度为10nm-1μm，相变的实现方式为电极相变。

6.按权利要求1至5中任意一种相变薄膜场效应晶体管单元器件，其特征在于存储器设定的状态为“00”“01”“10”和“11”四种。

7.制作如权利要求1至5任意一项所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件，其特征在于使用下述方法中任意一种：

第一种方法工艺步骤为：

(a)先在衬底上依次沉积栅电极、绝缘层和上电极；

(b)在上电极上沉积1微米厚的光刻胶；

(c)利用曝光刻蚀工艺曝出源电极、漏电极图形；并在源电极和漏电极上残留有光刻胶；

(d)在源电极和漏电极之间沉积相变材料薄膜；

(e)利用剥离工艺去除残留光刻胶，露出源电极和漏电极；

(f)引线、封装；

第二种制作方法工艺步骤为：

(a)采用表面有氧化层的硅片，最为衬底，且形成的衬底作为栅极构成栅极/绝缘层的结构；

(b)在衬底上方制作电极，并涂上光刻胶；

(c)利用曝光刻蚀工艺制备出源电极和漏电极，并在源电极和漏电极上残留有光刻胶；

(d)在源电极和漏电极之间沉积相变材料薄膜；

(e)利用剥离工艺去除残留光刻胶，露出源电极和漏电极；

(f)引线、封装。

8.按权利要求7所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件的制作方法，其特征在于在第二种方法中采用表面氧化层的硅片为热氧化或沉积氧化硅。

9.按权利要求7所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件的制作方法，其特征在于衬底上依次沉积栅电极、绝缘层和上电极所述的方法为磁控溅射法或化学气相沉积。

10.按权利要求7所述的相变薄膜场效应晶体管单元器件的制作方法，其特征在于相变材料薄膜的制作采用溅射法，化学气相沉积法和蒸发法中任意一种。

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