TWI313060B - Feild effect transisitor and fabricating method thereof - Google Patents

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TWI313060B
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Jun Suda
Hiroyuki Matsunami
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Japan Science & Tech Agency
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Description

1313060 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於碳化石夕(Sic)金屬絕緣半導體場效應 電晶體(MISFET)的發明，特別是有關於具有氮化紹(AlN) 名巴緣膜的金屬絕緣半導體場效應電晶 。 【先前技術】 由於碳化石夕具有3eV以上很寬的能帶以及超過 2.5MV/Cm的極高絕緣破壞電場強度等優良的固態性質， ，此^製造出在現有的半導體中，稍_化鎵(㈤等 不可能製造㈣超低敎的功率電晶體、高輸出 ==或具有極小間極尺寸的場效應電晶體的半導 體材料而引人注目。 元切製造出具有絕緣閘極的場效應電晶體 構’即金氧半導體場效應電晶體(MOSFET) 料整體㈣枝料電子遷移 ㈣士 1 料子31移率小得太乡，0此通道電阻 樣’電晶體的開啟特性劣化，難以製成高性能的 丈:道η電子遷移率極小的原因被認爲在二氧化矽/ 火；1因此對二氧化石夕/碳化石夕的形成iS铲笪/丨a 碳化矽的氧化、、®疮^ 厌化/日成過紅4，例如 L ，皿度魏環境的討論，以及在氧化石夕膜層 發的結晶面方位的改變等，進行 中添加氮 或疋氧化碳化 了各式各樣的研究。 另一方面 ’也有人t試不用二氧切作閘極 絕緣膜 H303pifl.doc 5 1313060 而用其他的絕緣膜。所用的 物質，與碟化石夕同樣的單所/、氧化膜同樣的非晶體 於氮化鋁具有與碳化矽作爲使用物件。其中，由 結構，而且晶格常數也反對稱性的六角晶的晶體 關於試製金屬/氮化_切金關注，已經有 報告(例如，參照塞特林、斯 ¥體豕效應電晶體的 林迪康、戴維斯著“帶分子束生本、松波、 石夕金屬絕緣半導體場效應電長鼠匕，緣材料的碳化 338-342(2000)卷，* 1315‘8頁。）材料科學論壇，第 旦^要ί碳切表面上生長高品質的氮化…士曰曰 ::乂 J 于到低品質的氮化鋁層，所以Η、 氮化鋁層有报大的漏電流。 ^ 金屬絕緣半導體場效靡带曰^甘衣成的鼠化紹/碳化石夕系 能作爲能實用的元件Γ"θ曰肢，/、間極絕緣性特別差，不 斤最近，發明人等發現了在碳化石夕表面上生長高品 ^化銘結晶的方法’成功地實現了絕緣特 貝 化紹層晶體生長。但是’僅僅氮化銘是高品質的^^ 與石厌化石夕之間的導帶不連續量約爲2.0ev，同二氧化石夕鱼 ，化石夕之_不連續量2.74ev相比，並沒有增加，因此如 在虱化鋁層上外加例如接近3MV/cm的電場時，由於量子 =學的穿随效應’電子穿越氮化紹層，其結果是從理論與 只辱攻都传到1¾ d，將失去閘極絕緣性(例如，參坪小野，纪 ί、須田淳與松波弘之著“在6氫-碳化矽基板I藉由氯化 氣飯刻‘程控制以'%緣鼠化紹表面的分子束外延晶體生 14303pifl.doc 6 1313060 長”，應用物理通訊，第80(2002)卷，第i期，第76_78 頁。)〇 【發明内容】 雖然可以考慮加厚氮化鋁層將電場抑制在3 MV/cm以 下，但是考慮到氮化鋁與碳化矽之間的閘極失配約爲 0.9% ’氮化紹層的厚度以3〇nm爲限。也就是說，厚度如 超過30nm，會有許多失配位差導入氮化鋁層中’造成因氮 化鋁層的結晶性下降而導致的漏電流增加。 有報告指出氮化鋁/碳化矽的導帶的頻帶偏移約爲 2.〇eV。在該結構中的絕緣性是由隨穿電流決定的。用氮化 銘的固態特性值概算，在氮储/碳切界面的氮化銘層一 侧外加約3MWcm以上的電場時，電流增大，絕緣性喪失。 貫^製成試驗元件進行驗紐，制圖1G所示的結果。圖 10是表示氮化铭/碳化石夕金屬絕緣半導體場二極體的電場 強度與電流密度關係、的圖表。如圖1Q所示，在上述結構 中’在加至氮化紹的外加電場爲3MV/cm左右時，在絕緣 膜中流動的電流超過1G.6A/em2。只要是使用氮化銘/碳化 石夕結構’要大幅度提高該3MV/em的絕緣耐壓在理論上是 不可能的。 j外，如果用忐隙比氮化鋁大的二氧化矽，其上限可 、k南7MV/em可以避免這個問題，但是卻難以與碳 化石夕之邮成良好的界面，以使有效通道電子遷移率降低。 ，明的目的即為提出—種實現具有高絕緣特性閉 極之碳化的金；緣半導體場效應電晶體。 14303pifl.doc 7 1JIJ060 根據本發明的一 面結構，及在碳化 M f，可以提供一種具有碳化矽表 上述碟化石夕表面社構結構上形成的源極與汲極，並在 具有-厚度，由二〇界面控制層，此界面控制層係 ΠΙ族氮化物層，以度所組成，且界面控制層具有 不同’其材料為對傳導載材料與上述界面控制層 大，以形成具有絕移比 閉極的場效應電晶體巴'•表㈣亚在絕緣結構上形成 帶偏移比上述料對傳導載子的 可以降低場導載子的遷移率的降低，同時， m从應電日日體述絕緣結構的閘漏。其中，III 矢=物，較佳的是含紹與氮的動矣氮化物。這時，如 予又在6nm以下，就可以降低閘極失配的影響。 或者，上述界面控制層較佳的是石朋』】:為氮 (B爲x.yGayN)層㈣.4，y<Q 4)。由於錄y氮層 可以與石反化石夕層間極配合，因此m族氮化物與碳化石夕之 間可以形成良好的界面。 上述絕緣層也可以是由從氮化鋁與鋁與氮化鋁化合 物(AlxNy)與砷化鋁(A1As)與氮鋁砷化合物(A1凡組成 的一組材料中選出的至少一種材料，所形成的沈積層進行 乳化後形成氧化紹(Α〗2〇3)層或含少量氮、坤的氧化紹層。 這樣可以簡化製造流程。 14303pifl.doc 8 1313060 根據本發明的另一個觀點，可 化石夕表面結構的基板製造方法，在包括具有石炭 汲極的形成方法，淨化上额形 二，，以及在上述碟切表面結構上形成含 二由一分子層厚度所組成的界面控制具 控制層上用與上述界面控制層不同的：在界面 ==，一結構以：:; 與碳化石夕的界面狀態良好。因此，接觸，因此， 果好的絕緣層，在維持界面狀態良好;電流效 流。 以本件下，抑制漏電 如上所述，採用本發明， 態的良好，抑制漏電流，可以製造出咖 化石夕金屬絕緣半導體場效應電性施絕緣閉極的碳 【實施方式】 以下，參照圖式對本發明的實 爹照圖式對本發_第—實施例的金屬先， 電晶體進行說明。下面根據圖1(A)到圖^導體场效應 第-實施例的金屬絕緣半導體場效應電晶體的 仃况明。首先，如圖1(A)所示， 山、製泣方法進 板1(正基板或在任意結晶方向上有15^碳化石夕(〇_Sl基 板。如果偏移角比此還大，則乂下的偏移角的基 、梯的接近與小晶面的形成 14303pifl.doc 9 !313060 的晶體生長結構。另外，卿 :: 是4氫而是6氫的。)上，用例如同型 外延晶體生長形成碳切層la。其中，該外延晶體 =冗。如圖1⑻所示，她石夕層^上:形； 離:，型導電層用的雜 ;或使得離子注入的原子電性活化的高溫退火處 ’可以如圖1(c)所示’形成源極區3a與没極區孔。 化石夕止的綠完錢，如圖2(d)所示，將碳 二:^乳化氫氣體的的流量爲3sccm。)在例如_ 〜的=度下進行10分鐘的熱處理。(可以用同-加熱爐進 =乳體則與⑽退火處理，省切化與更換加轉，以 〇進3行，1。)在該條件下，碳化石夕的則速度約； 的f1通過進行氣·刻處理，如上所述，碳化石夕基板 =面成爲原子級的平坦平台㈣ace)與階梯(卿)組成的 角=ep_rrace)結構。平台的寬度因基板的面方位(偏移 十σ的見度在μηι級。階梯的高度由碳化矽基板表 * 2傾斜角傾斜方向的晶體方位，氣體银刻條件等綜合 形成與4氣-碳化石夕方向上堆疊結構之單位週 取目對應，四分子層厚度。在氣體凝刻後，將礙化石夕基板 封大氣尹。用原子力顯微鏡(atomic force microscope) 14303pin.doc 10 1313060 對，出的基板進行評價，發現基板表面有梯台結構 上爲原子級的平坦。另外，階梯的高度爲四單分子口 可以看到通過在m族氮化物生長前在碳化 形成上述結構，就可以滿足生長高品質結構的-個=面 接下來，如圖2(E)所示，對取出到大氣中的碳化石夕基 板1的表面依次用王水、鹽酸與敦酸進行處理 ^ 理，可以將碳化石夕基板i的表面形成 處 本。4叫小取日]點點矽虱化膜除 去在石厌化石夕基板1表面上形成潔淨表面2。 顯微鏡對進行了該處理的碳切基板丨進行評價;觀= 了在碳化絲板1的表面的梯台結構。也就是說，可： 認雖然進行了上勒化學處理，但是表面的梯纟 變化，依絲縣。糾，用電子綺法;;^ 仃表面分析，發現表面的氧的量因氟酸處理而大幅戶下 t j，也確認了雖然只賴量的，但是還是^一部 h有意義的氧。 如圖2(F)所示，將上述碳切基板丨裝在高真空裳 置例如刀子束晶體取向生長(M〇lecular beam响 ， 她E)l置内，保持超高真空狀態(例如，1〇_6_i〇 8pa)。在 超高真空狀態下’在例如800t：(在圖令是6〇〇t：)的溫度 下，開始以鎵原子束2a或石夕原子束(未繪示)進行照"然 後丄升溫到800t：以上的溫度(例如1〇⑽。c)，接下來，在 定期間中保持高溫。加熱、保持的過程至少進行一次以 ?在圖中是兩次）’最好重復3次以上。在加熱中最好中 斷鎵原子2a照射。 14303pifl.doc 11 1313060 ，下來，將溫度從kkktc降到600。 斷鎵原子束=' 時供，子束子束同 開始。另认1 亂化鋁的生長 =果表明’錁原子束2a照射、加熱處理後的表 置的測試界限以下。通過鎵原子束2&照射 、Γ=處理，可以將氟酸處理不能完全除去的氧，， =处理後在大龄通過裝在分子束晶 時吸附在表_氧完全除去。 q生長裝置中
Ts=4^ 3⑼所示，設定氮化銘膜的生長溫度(例如從 )下，向基板1的表面供給鋁(A1)原子束5a 二峰)原子束5b。還有，生長巾喊线由氮原子束％ =給量與生長裝減线力之_平衡確^。在一 又=長條件下，爲ΗΓΜ0、左右。氮原子束％通過例 2馬頻等離子體激發活性氮的射終分子束晶體取向生 呵供給基絲面。從料起，氮化料5在碳 化石夕基板1的表面上生長。 在氮化紹層5的生長開始時點後進行的現場觀察到的 ^子繞射(RHEED)的測定結果表明，可以觀察到振動，並 ，認在碳化絲面上氮化铭層5按層_層(1啊妨七㈣(不 是島狀的三維生長，而是層狀的二維生長)的機制生長。 I4303pifl.doc 12 1313060 電:繞射振動週期的持續，因生長條件不同而有很大 ΐ源子長中，可以確認超過數十週期的振動。 的f果^明1鏡對氫化1呂生長表面的階梯結構進行觀察 县二編下的振動衰減是由生長機制從層-層的生 生長(卿―w_成的。另外， 說，盘層-二’在晶體的高品f化這個意義上來 另外？在將曰…機制—樣，㈣晶體生長的利機制。 士士在將氮化銘臈的晶體生長溫度降低到600-70(Tc左 過Ϊ晶體電生週期明顯地變成二十週期以上，通 Η地/:又&/皿化’便可以讓層''層的生長機制長時 移或二原以下的低溫下，原子的遷 說，& 完全’結晶性大幅下降。也就是 二’’口質的晶體，至少要有4〇〇。。以上的溫度。 # 5 Ϊ下圖3(H)所示，在生長了厚4nm的氮化铭 二二t 1呂層5上形成厚4411111的二氧化石夕層7。二 =化=7疋在氮化銘層5上用陰極賤射沈積法或化學汽 :::=Γ晶質層。如圖4(1)所示，除去在源極lla 及極11b形成領域中的氮化紹層5與二氧化石夕層7，形 與汲極llb，同時留下在問極15的區域上的氮 層5與—乳化碎層7，並在其上形成閘極15。 石也表示了圖4(1)所示的結構中從閘極15到 戶Ϊ ^ 板法線方向的能帶的結構。如圖4(J) =二化^嶋呂之間的導帶的能量不連續值紙約 爲2.〇eV。還有’氮化銘'二氧切之間的導帶的能量不連 14303pifl.doc 13 313060 續值AEc約爲+0.7eV。用WKB近似計算遂穿率，結果顯 示在4nm的氮化鋁層與44nm的二氧化矽層構成的^疊= 構中，從碳化矽基板1到閘極15的隧穿電流，與該堆 構有相同閘極絕緣層容量的l00nm的氮化銘單層相比^ 以大幅度地降低到約十分之一。這就是說，可 場範圍内確保絕緣性。 在很見的 ，1 一，ί、'不卞等體場效雁蕾 二高咖臟。另-方面，峰在氮化^ 5與石反化絲板！的界_近的碳切層中遷移的通曰 ^的有效遷料是域脑/碳切界岭㈣，因此可以 的氮化紹層來提高電子的有效遷移率，以 了;Ϊ= 二，電晶體的偏移特性。還有，爲 石夕界面的影響下，氮化㈣的厚度 氮―爲電子直接受=::== = 的高低影響而造成的載子散1^=^的阻撞層高度 化紹層最好要盡可能地接***坦。由於;^ f。另外，虱 層受二氧化石夕阻擋層的影響的，因此如通過亂化紹 不均勻，電子受有效影響的阻擋層的=化紹層的厚度 成爲電子散1的原、因。原子級 ^大小不―’这就 長或階段生長形成氮化!呂層來實^性’可以透過層-層生 另外，要發揮界面控制層的功能’氛化赵層的厚度最 14303pifLdoc 14 1313060
Ltrr以下。也就是說，如果氮倾層5太厚，由於雙 化紹的晶格失配，就會發生誤置顧，*此產生氣 庚：、。曰曰劣化的問題。爲了防止這個問題，氮化鋁層的 ^度最好設定在不會發生誤置缺關厚度，即臨界膜層厚 f以下的厚度。發明人等的實驗表明，至少在超過6nm時， 誤f缺陷就開始發生了。因此，氮化銘層的厚度在6nm以 下是抑制誤置缺陷的條件。還有，減少氮偏g層的厚度， 對於防止外加電場時電子穿越氮化銘層，蓄積在氮化紹與 一氧化矽的界面中來說也是非常重要的。 如上所述，採用本實施例的金屬絕緣半導體場效應電 晶體，可以形成碳化矽基板與氮化鋁層的良好的界面，可 以提高有效通道電子遷移率。另一方面，由於氮化鋁層輿 閘極之間形成有二氧化矽層，因此與只有氮化鋁層的情况 相比’從碳化矽基板1到閘極15的穿隧電流成分可以大幅 度地降低。 還有，閘極旁邊的絕緣層可以不用二氧化矽，而以其 他物質代之。絕緣體可以有多種選擇，但是對於沈積方法 已做出良好的研究’除了二氧化矽外，還可考慮使用氮化 矽化合物(SixNy)。 下面，參照圖式對本發明的第二實施例的金屬絕緣半 導體場效應電晶體進行說明。 本實施例的閘極附近所用的絕緣體係為氧化鋁。如圖 5(A)所示’本實施例的金屬絕緣半導體場效應電晶體具有 在P型竣化石夕基板41上加高濃度^型雜質形成的源極區 15 14303pifl.doc 1313060 43a與汲極區43b，並分別在源極區43a上形成源極53a， 在沒極區43b上形成汲極53b。以及，在碳化矽基板1上 的上述源極區43a與汲極區43b之間形成的氮化鋁層45/ 氧化鋁層51堆疊結構，以及其上形成的閘極％。這裏， 考慮到與氮化紹層45的親和性問題，最好用含|呂成分的絕 緣體。另外，氧化銘能帶隙大、絕緣性高、電容率大，可 以適用於金屬絕緣半導體場效應電晶體。圖5(B)概略地表 示從圖5(A)所示的碳化石夕系金屬絕緣半導體場效應電晶 體的閘極55(右侧)朝p型碳化石夕基板q(左側)的能帶結 構。如《 5⑻所示，碳化石夕_氮化銘之間的導帶的能量不連 績值AEe約爲+2.〇eV。還有，氮化銘·氧化叙之間的導帶的 能量不連續值紙約爲·eV。在4nm的氮化铭層與 隧约錢分，同與該堆疊結構有相同的 地降低到約則分之層相比，可以大幅度 内確保絕緣性。 ’可以在很寬的場範圍 6(A)(^® 3(H) 者坤化紹:層化合 透過將其氧化；可以形 流程的觀點考慮，;Si用簡化製造 成氮化崎触之多層絕_。）（B)所抑_法，形 14303pifl.doc 16 1313〇6〇 採用本實施例的碳化矽系金屬絕緣半導體場效應電 晶體，可以獲得與第一實施例的碳化矽金屬絕緣半導體場 效應電晶體同樣的效果，而且還有使製造方法更加簡單的 優點。 ^下面，參照圖式對本發明的第三實施例的碳化矽金屬 ^半導體場效應電晶體進行說明。圖7是表示本實施例 的石厌化石夕系金屬絕緣半導體場效應電晶體的結構例的截面 圖。如圖，本實施_碳切金屬絕緣半導體場效 應電晶體具有在P型碳化石夕基板2!形成的源極區23&、汲 極區23b，分別在它們上面形成的源極3u與汲極3化，在 通這區上形成的硼呂一鎵y氮（BxAWyGayN)層 =0.4，y<0,4)，以及閑極35。使用硼銘鎵氮_GaN)混 面〜日0格常數與碳化残乎完全—致。如果 =吊數能夠一致，就能減少界面的不 另外，由於混合晶結構太大 遷移率降低，所以氮化胃的合金散亂，電子 最好分別在4編下。^^^硼(丽)的摩爾分率 ^ ^ 較乜的界面控制層用硼鋁鎵 = _ P型碳切基板Μ的面内晶 層上堆晶-%化石夕0^下遇有’如圖7所示，在硼鋁鎵氮 上隹宜-乳化矽或虱化矽化合物 抑制隧穿電流的優點。 則通有了以 接者，參照圖式對本夢明沾窜 ^ 繞緣半導體場效應電晶體進行施例的碳化石夕金屬 運仃5兄明。因氮化鋁層與電極層 14303pifl.doc 17 1313060 反靡二咖成形時的潤濕性、對元件特性劣化引起的固相 _ ’可以讓絕緣體由多層構成。與氣化紹 ”玲第—絕緣體同與金屬親和性良㈣第二絕 明:的法’在第二與第二實施例中已經進行了說 ，，、有第一絕緣體與第二絕緣體，性能還不足的情況 Ύ爲了解決例如帶偏移小等問題，還可以在第一絕緣體 與第二絕緣體之間加上第三絕緣體’形成三層結構。 圖8 (Α)是表示本實施例的碳化矽金屬絕緣半導體場 ，應電晶體的結構綱圖式。如圖8(α)所*，本實施例的 碳化矽金屬絕緣半導體場效應電晶體具有ρ型碳化矽基板 61，在ρ型碳化矽基板61上形成的源極區63a、汲極區 63b，在它們上面形成的源極75a與汲極75b，在通道層形 成的多層絕緣體(氮化鋁層65、氧化鋁層67、二氧化矽層 71) ’以及在多層絕緣體上形成的閘極77。圖8(B)概略地 表示圖8(A)的結構中從閘極77(右)到p型碳化石夕基板 61(左）的基板法線方向上的能帶結構。如圖8(B)所示，碳 化矽-氮化鋁之間的導帶的能量不連續值AEc約爲 +2.0eV。還有，氮化鋁-氧化鋁之間的導帶的能量不連續值 △Ec約爲+〇.29eV。氧化鋁-二氧化矽之間的導帶的能量不 連續值AEc約爲+0.45eV。例如，在4nm的氮化鋁層與5nm 的氧化鋁層以及42nm厚的二氧化矽層構成的堆疊結構 中，從p型碳化矽基板41到閘極55的隧穿電流成分，同 與該堆疊結構有相同的閘極絕緣層容量之〗〇 〇 n m氮化鋁單 層相比，可以大幅度地降低。這就是說，可以在很寬的場 J4303pifl.doc 18 1313060 範圍内確保絕緣性。 另外，爲了抑制絕緣體與絕緣體之間的固相反應，可 以在絕緣體之間***異種物質。但是，***的異種物質最 好不是金屬、半導體等帶隙比較窄的物質，如果用金屬、 半ΐ體等，***物質中會蓄積電荷，産生共振隧穿，發4 磁印現象’成爲閘極絕緣性變劣的原因。 曰接下來，參照圖式對本發明的第五實施例的碳化矽電 晶體進行說明。本實施例的碳化矽電晶體是具有金屬/絕緣 體/金屬/絕緣體/含一分子層以上的厚度的鋁與氮的界面控 制層/有碳化矽結構的浮置閘極結構之場效應電晶體。具有 浮置閘極結構的場效應電晶體可以應用於例如非揮發i生記 憶體等各種各樣的元件。目9(A)_t林實施例的金屬絕 緣半導體場效應電晶體憎揮發性記憶體元件的結構例的 圖式。如圖9(A)所示，本實施例的非揮發性記憶體元件具 有P型兔化矽基板81，在p型碳化;5夕基板内形成的源 極區83a與汲極區83b，在通道區形成的堆疊結構、即氮 化鋁層85、氮化鎵層87、氮化鋁層91的堆疊結構，分別 在源極區83a與汲極區83b上形成的源極95a與汲極95b， 以及在上述堆疊層上形成的閘極(控制閘極)97。 圖9(B)是概略地表示圖9(A)的結構中從閘極97(右） 到P型碳化矽基板81(左）的基板法線方向上的能帶結構的 圖式。如圖9(B)所示，在p型碳化矽基板81上形成的兩 層氮化鋁層85、91之間，形成了氮化鋁導帶的能量不連續 值約爲-2_0eV的氮化鎵層87，由氮化鎵層87兩側具有能 19 14303pifl.doc !313060 阻擋層的量子井層之魏，在 層來的電子。阻擋層的高可 利用圖9=示層（氮化_7)中的電子(電荷)量， 成非揮發性記憶體元:體的啟始值電壓的變化，便可以構 ‘是 電晶成超低損失的功率電晶體、高輸出高頻 上述非捏小晴度的場效應電晶體時，可以將 個^丨刪_細樣板上，這也： 思是g二^^中，碳化絲面結構這個用語的意 ”其^ 的表面，也是指沈積在例如@基板或誌 種材料上面的碳化石夕層的表面。所謂碳化石夕 土板也^括其表面存在著碳切的基板。 本《兄明書是以平面型的金屬絕 說明的，但是本發明的實施 體卿用中^極在基板裏面的縱形場效應電晶 、夕。源極或汲極等的結構雖然有所不同，只 為開關作用的金屬，絕緣體·半導體結構相同，都適用 於本發明的範圍内。 月 知氮化物是指含獨、紹、蘇、鋼中的至少一 ^上的ΠΙ族元素與N的化合物。也可以含除氮以外的 知兀素。另外，不僅包括氮化鎵、氮化鋁等化合物，而 且也包括銘x銦x鎵i+y氮(AlxInxGai.x.yN)等混合晶。 20 I4303pifl.doc 1313060 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，铁 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離太非用以 和範圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明:::申 耗圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 保瘦 【圖式簡單說明】 ~ 2 1(A)到圖1(C)繪示本發明第一實 半導體場效應電晶體之製造流程的剖面圖。i屬1巴緣 圖到圖2(F)緣示本發明第—實 導體場效應電晶體之製造流程的剖面圖圖緣半 ，（则3(H)繪示本發明第一實施 料體場效應電晶體之製造流程的剖 、的屬^緣 電曰；=r明第一實施例的金屬絕 電曰日結構的剖面圖，是圖3的續圖。 芴欢 圖4(J)繪不圖4(1)所示的金屬絕緣 體從閘極到碳切基板之能㈣示意^¥料效應電晶 圖5緣示本發明第二實施例的金屬絕緣 電晶體結構的剖面圖（圖5(A))及其网 岡：給-囬"A、 此’的不思圖（圖5(B))。 ，6緣不圖6(A)與⑻所示的結構係為 製造流程的剖面圖。 乂1土貝施例 圖7緣示本發明第三實施例的金屬絕緣 電晶體結構的剖面圖。 ^體琢效£ 圖8緣示本發明第四實施例的金屬絕緣半導體場效應 電晶圖（圖8(A))及其能帶的示意圖阶 圖9 %不本發明的第五實施例的金屬絕緣半導體場效 14303pifl.doc 21 1313060 應電晶體，具有浮置閘極結構的場效應電晶體的剖面圖（圖 9(A)) ’及具有浮置閘極結構的場效應電晶體結構之能帶的 示意圖（圖9(B))。 圖10繪示氮化鋁/碳化矽金屬絕緣半導體二極體的電 場強度與電流密度的關係圖。 【主要元件符號說明】 1 :碳化梦基板 la :碳化矽層 2 :潔淨表面 2a :鎵原子束 3a、23a、43a、63a、83a :源極區 3b、23b、43b、63b、83b :汲極區 5、35、45、85、91 :氮化鋁層 5a :铭原子束 5b :氮原子束 5e :氧化鋁層 7、71 :二氧化矽層 11a、31a、53a、75a、95a :源極 lib、31b、53b、75b、95b :汲極 15、35、77、97 :閘極 21、4卜61、81 : p型碳化矽基板 25 :硼鋁鎵氮層 51、67 :氧化鋁層 5 5 :閘極 87 :氮化鎵層 22 14303pifl.doc

Claims (1)

  1. 修正日期_·97年ι〇月21日 簡 〇6』93i22_____ 十、申請專利範圍： 1·一種場效應電晶體，包括： 一碳化矽表面結構； -源極與_秘，形成在該碳切表面結構中. -界面控糖，所形成的該界面控制層與該碳 面結構接觸’該界面控制層為—m族氮化物層且且有介 層與不會和糾切表面結生誤置缺陷的一 臨界厚度之間的一膜厚； 層’形成在該界面控制層上，與該界面控 :同，料，對傳導載子的帶偏移比該界面控制層大的材 料，以及 一閘極，形成在該絕緣結構上。 2. 如中請糊難第i摘敎場效魏晶體，其特 :於該III族氮化物層為氮化紹(A1N)，且該m族氮 層的厚度在6nm以下。 3. 如申請專利範圍第i項或第2項所述之場效應電晶
    體’二特徵在於包括硼、！g、鎵、銦中的至少一種以上的 ΠΙ族元素與氮。 4. 如申明專利範圍第1項或第2項所述之場效應電晶 ，其特徵在於該界面控制層的面内晶格常數與碳化矽的 面内晶格常數失配在〇.5%以下的魏純合物層。 5. 如申睛專利酬第1項或第2項所述之場效應電晶 體，其特徵在於該絕緣層包括由二氧财層、&化石夕化合 物(SixNy)層與氧化!g層喊的—纟讀料巾選出的至少一 14303pi£3 23 !313060 層 6.如申請專圍第1項或第2項所狀場效應電晶 其特徵在於該絕緣層包括由氮化㉟、铭、氮化紹化名 、砷化鋁與氮鋁砷化合物(A1NxAsi-X)組成的一組 選出的至少—種材料所構成的沈積層，再經氧化形 、-化Igyf或含少量的氮或坤的氧化㉟ 個 的氧化鋁層。 ，，二專利範圍第1項或第2項所述之場效應電晶 膜。’ ^特在於該絕緣層包括由多層絕緣膜所形成的多層 徵在二::2範圍第1項所述之場效應電晶體，其特 使H 構是從4氮-碳化石夕或6氫碳化石夕的 控制為形成d二的面’而該階梯結構 9.-種非揮發性記憶體元件，·包括： 一碳化矽表面結構， -浮置閘極結構，包括： 化梦表面結構面控制層與該碳 層且具有介於—八二層為-111族氮化物 生誤錄陷的厚度“二^匕發表面結構產 一第一絕緣體阻擋層； 一净置閘極層，由金屬或半導體量子井 14303pif3 24 1313060 Quantum well)所形成； 一第二絕緣體阻擋層；以及 一閘極層；以及 一源極與一汲極，鄰接於該浮置閘極結構，且形成在 該石炭化發表面結構中。 10.如申請專利範圍第9項所述之非揮發性記憶體元 件，其特徵在於其特徵在於該m族氮化物層為氮化鋁， 且該ΠΙ族氮化物層的厚度在6nm以下。 』11.如申請專利範圍第9項或第10項所述之非揮發性 記憶體7G件’其特徵在霞第_絕、賴阻擋層具有於該界 面控制層上依序由氧她層及二氧切層所形成的一 膜結構。 12. 如申請專利範圍第9項或第1〇項所述之非揮發性 把憶體tl件’其特徵在於該第―絕緣體_層具有形成與 該界面控·㈣的材料，對傳導載子的帶偏移比該界面 控制層大的材料所形成的一膜層。 13. —種場效應電晶體製造方法，包括： 提供具有一碳化矽表面結構的一基板； 在該碳化矽表面結構中形成一源極與一汲極； 對該碳化矽表面結構之表面進行一階梯結構控制及 一淨化製程； 以層-層生長(layer-by-layer growth)法或階段生長(step flow growth)法形成一界面控制層，該界面控制層為一瓜 族氮化物層且具有介於—分子層與不會和該碳切表面結 143〇3ρΐβ 25 1313060 構產生誤置缺陷的一臨界厚度之間的一膜厚； 在該界面控制層上形成一絕緣結構，該絕緣結構具有 與該界面控制層相異的材料且對傳導載子的帶偏移比該界 面控制層大的材料構成的一絕緣層；以及 在該絕緣結構上形成一閘極。 14.如申請專利範圍第13項所述之場效應電晶體製造 方法，其特徵在於其特徵在於該冚族氮化物層為氮化鋁， 且該III族氮化物層的厚度在6nm以下。 15:如申請專利範圍第13項或第14項所述之場效應電 μ體製造方法，其特徵在於該碳化矽表面結構是從*氫_ 碳化石夕或6氫碳切__面個具有15度以下的偏移 角的面’而該階梯結構控制為形成4氫_碳化♦或6氮碳化 石夕的石反化石夕的單位週期（e #晶格常數）高度的梯台 16·—種場效應電晶體，包括： 一碳化發表面結構；. =?3^極，形成在該碳切表面結構中； 早s或夕層的絕緣結構，該絕緣結構包括. 化石夕層形成的該界面控制層與該碳 度在-分St:面控制層含有八⑽且厚 ”㈣==形成在該界面控制層上，與該界面 控制層不R的材料，對傳導載子的帶 制層大的材料，魏緣層為由氮化H Ϊ化銘; 14303pif3 26 1313060 與氮糾化合物(A1N〇_ 的組材射選出的至少—種材料 再經氧化形成的氧化銘層或含少量的氮=層紹 層中的至少-個的氧化銘層；以及 化紹 一閘極，形成在該絕緣結構上。 17. 如申請專利範圍第16項所述之 ，該絕緣層具有於該界面控制層上 及一氧化矽層所形成的一兩層膜結構。 18. —種非揮發性記憶體元件，包括： 一碳化矽表面結構， 一浮置閘極結構，包括： 晶 -第-絕賴_層’是在該碳切表面結構 上形成的結構，該第一絕緣體阻擋層是由一 m族氮 化物磊晶層所形成，且所形成的該冚族氮化物磊 層與該碳化石夕表面結構相接觸； 一井層，由該III族氮化物磊晶層所形成，該 晶層的功能為作為一浮置閘極； 晶 一苐一絕緣體阻播層，由該hi族氮化物蠢 層所形成；以及 一閘極層；以及 一源極與一汲極，鄰接於該浮置閘極結構，且形成在 該碳化矽表面結構中。 19.如申請專利範圍第18項所述之非揮發性記憶體元 件，其特徵在於該第一絕緣體阻擋層為一 m族氮化物層， 14303pif3 27 l3l3〇6〇 層與不會和該碳化石夕表面結構產生誤置 ^臨界厚度之間的一膜厚。 記憶請㈣項或第19撕叙非揮發性 且讀苐-I，植在機第-_體阻顧為氮化紹， 、、緣體阻擋層的厚度在一分子層以上6nm以下。 件，請專獅請第2G項所述之非揮發性記憶體元 鲁 件，請專職圍第21項所述之麵發性記憶體元 /、特徵在於該第二絕緣體阻擋層含有A1及Ν。 23·如申請專利範圍第20項所述之非揮發性記憶體元 件，其特徵在於該第二絕緣體阻擋層含有Α1&Ν。 24. 如申請專利範圍第18項或第19項所述之非揮發性 記憶體元件，其特徵在於該井層含有Ga&N。 25. 如申請專利範圍第18項或第19項所述之非揮發性 記憶體元件，其特徵在於該第二絕緣體阻擂層含有ai及 N。 14303piG 28 1313060 七、 指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：圖4。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 1 :碳化矽基板 la :碳化矽層 2:潔淨表面 3a :源極區 3b . >及極區 5:氮化鋁層 7:二氧化矽層 11a :源極 lib :汲極 15 :閘極 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵 的化學式： 無 4 14303pifl.doc
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