專利名稱：半導(dǎo)體器件及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及到在高密度集成電路中制作的晶體管。
背景技術(shù)：
目前，需要一種具有高密度和功能增強的集成電路。為了滿足這個需求，必須減小集成電路中晶體管的尺寸。例如，期望未來制作的集成電路晶體管具有100nm或更小的有效溝道長度。
如此小的晶體管常常受到邊緣場和其它短溝道效應(yīng)的不利影響，這些效應(yīng)降低晶體管的性能并削弱對晶體管工作的控制。為了減少短溝道效應(yīng)，通常使用更薄的柵極絕緣層。然而，薄的柵極絕緣層常常引起額外的柵極泄漏電流，柵極泄漏電流使集成電路功率增加并降低集成電路的性能。
因此，需要一種晶體管，這種晶體管具有小的物理尺寸但不會受到短溝道效應(yīng)或額外的柵極泄漏電流的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
一種電路，具有在半導(dǎo)體襯底上形成的雙層?xùn)艠O絕緣層。柵極絕緣層包括非晶層和單晶層。特別地，單晶層具有比非晶層更高的介電常數(shù)。


對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，從下面結(jié)合附圖的相關(guān)的詳細描述中，本發(fā)明的特定目的及其優(yōu)點將是顯而易見的，這些附圖中圖1是部分集成電路的頂視圖；
圖2表示集成電路在加工步驟中制作晶體管柵極絕緣層時的剖面圖；圖3表示在制作稍后階段的集成電路剖面圖。
具體實施例方式
在所有圖中，相同標(biāo)號的元件具有相同的功能。
圖1是集成電路10的頂視圖，表示在半導(dǎo)體襯底14上形成的晶體管12。在圖1的具體實施方式
中，晶體管12是一個N型溝道的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。晶體管12包含漏區(qū)16、源區(qū)18和柵極20，它們分別通過互連線22、24和26與集成電路10的其它器件(未示出)耦合在一起。
襯底14代表性地由硅制成。也可選擇使用其它半導(dǎo)體材料，比如砷化鎵、鍺以及類似的材料。
圖2是集成電路10在晶體管12的溝道區(qū)30上制作雙層?xùn)艠O絕緣層29步驟中的剖面圖。襯底14的一部分使用N型摻雜物質(zhì)(比如磷或砷)進行了摻雜，以形成如圖所示的漏區(qū)16和源區(qū)18。漏區(qū)16和源區(qū)18之間的距離典型為100nm或更小。
柵極絕緣層29包含非晶層40(典型地由SiO2組成)。柵極絕緣層還包含單晶層42(典型地由SrTiO3組成)。這里應(yīng)該注意的是，單晶層42通常生長為單晶結(jié)構(gòu)，而非晶層40通常是指沒有短程或長程有序的一層。
集成電路10所示為置于分子束外延(MBE)反應(yīng)器等設(shè)備的內(nèi)腔中。在MBE反應(yīng)器中，環(huán)境溫度為400到600攝氏度以及壓力在10-9到10-5毫巴時，形成包含氣態(tài)鈦(Ti)原子32、鍶(Sr)原子34和氧(O2)分子36的氣氛。鈦氣化室(未示出)局部加熱到大約1750攝氏度的溫度以使鈦氣化產(chǎn)生鈦原子32。鍶氣化室(未示出)加熱到大約450攝氏度的溫度以產(chǎn)生鍶原子34。鍶原子34和鈦原子32按照近似單晶鈦酸鍶形成的化學(xué)計量比產(chǎn)生。氧分子36是通過操作過壓大約10-6毫巴的氧源(未示出)以過量化學(xué)計量比供給。
鈦原子32、鍶原子34和氧分子36反應(yīng)形成鈦酸鍶分子46。在上述的條件下，鈦酸鍶分子按晶體方式生長以形成單晶層42。單晶層42的第一分子層在圖2中表示為空心圓，空心圓用線連在一起表示晶化鈦酸鍶分子46及其相互連接的鍵合力。進一步反應(yīng)致使其它鈦酸鍶分子層在第一分子層上晶化。
氧分子36以過量化學(xué)計量比供給，所以過量的氧可以擴散穿過單晶層42與襯底14的硅原子反應(yīng)。反應(yīng)生成二氧化硅分子44(圖2中表示為正方形)覆蓋在襯底14的表面。二氧化硅分子44以非晶方式生長從而形成非晶層40。
作為本發(fā)明的一個特征，在單晶層42生長時生長非晶層40。因此，僅僅需要一次加熱過程形成非晶層40和單晶層42，從而實現(xiàn)集成電路10的低制作成本。而且，在襯底14和單晶層42之間形成非晶層40作為一種過渡材料起到吸收襯底14與單晶層42之間的晶格應(yīng)力的作用，致使柵極絕緣層29質(zhì)量高。
圖3表示集成電路10在比圖2中描述步驟更晚的加工步驟中的剖面圖。晶體管12包含在襯底14上形成的漏區(qū)16和源區(qū)18。柵極絕緣層29包含非晶層40和單晶層42。柵極電極26處于柵極絕緣層29之上以在柵極電極26與襯底14之間形成柵極電容，柵極電容通過施加到柵極電極26上的控制信號VIN充電。
非晶層40典型地由生長到10埃厚的二氧化硅組成。取決于應(yīng)用情況，非晶層40的厚度典型地在8到30埃范圍內(nèi)。非晶層40典型地具有大約3.9的相對介電常數(shù)，也就是介電常數(shù)。非晶層40還由其它材料組成，比如氮化硅、鍶硅酸鹽以及類似的材料。非晶層40最好具有小于10的介電常數(shù)。
單晶層42以典型地生長到50埃厚的鈦酸鍶形成，取決于應(yīng)用情況，單晶層42的厚度典型地在30到100埃范圍內(nèi)。在圖3的具體實施方式
中，單晶層42具有大約200(在30到300的范圍內(nèi))的介電常數(shù)。單晶層42的介電常數(shù)最好大于非晶層40的介電常數(shù)。
注意單晶層42可能由鈦酸鍶之外的其它材料形成。例如，通過堿土金屬(比如鑭、鋇、鍶或鎂)與過渡金屬(比如鈦、鋁或鋯)化合形成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，可以用于形成單晶層42。
在使用中，控制信號VIN施加到柵極26以對晶體管12的柵極電容充電。穿過柵極絕緣層29產(chǎn)生一個電場60，該電場60改變襯底14的導(dǎo)電性并在襯底14中源區(qū)18與漏區(qū)16之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道52。響應(yīng)電場60，在單晶層42中產(chǎn)生一個極化場62，在非晶層40中產(chǎn)生極化場64。由于單晶層42的介電常數(shù)大于非晶層40的介電常數(shù)，極化電場64大于極化電場62。
晶體管12的柵極電容依賴于柵極絕緣層29的厚度和有效介電常數(shù)。本發(fā)明的結(jié)果是柵極絕緣層29可以比具有低介電常數(shù)柵極絕緣層的晶體管生長到更大的厚度。增加的厚度實質(zhì)上消除晶體管12的額外柵極泄漏以提高集成電路10的性能。而且非晶層40低的相對介電常數(shù)減小控制信號VIN在晶體管12中產(chǎn)生的邊緣場，從而避免短溝道效應(yīng)并改善超過晶體管12閾值電壓的控制。
因此，應(yīng)該意識到本發(fā)明提供了一種晶體管，這種晶體管可以縮減到小于100nm的尺寸并同時保持高性能和低制作成本。在半導(dǎo)體襯底上形成雙層?xùn)艠O絕緣層，第一層由非晶材料形成，第二層由單晶材料形成。非晶材料為襯底與單晶材料之間的晶格錯配提供過渡，而且具有低的介電常數(shù)以減小邊緣場。單晶材料部分由于晶體的本身特性而具有高的介電常數(shù)，而且制成適于消除額外柵極泄漏的厚度。
盡管我們展示和描述了本發(fā)明的詳細的具體實施方式
，但對于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員可進行進一步的改變和改進。因此，我們希望理解本發(fā)明并不限于所示出的實例，而且我們打算在附加的權(quán)利要求中包含所有不偏離本發(fā)明精神和范圍的改變。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底；和在半導(dǎo)體襯底上形成的絕緣層，絕緣層第一部分由非晶材料形成，第二部分由單晶材料形成，絕緣層中的電場控制半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)電性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包含覆蓋在絕緣層之上的控制電極，控制電極用于在控制電極和半導(dǎo)體襯底之間建立電場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，還包括漏區(qū)；和源區(qū)，電場在襯底中產(chǎn)生導(dǎo)電溝道以連接漏區(qū)和源區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中絕緣層的第一部分靠近半導(dǎo)體襯底形成，絕緣層的第二部分在第一部分與控制電極間形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中非晶材料包括二氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中單晶材料包含從鋇、鍶、鈦、鑭、鋯、鋁和氧中選取的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中絕緣層的第一部分具有小于10的相對介電常數(shù)，絕緣層的第二部分具有大于30的相對介電常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中絕緣層厚度大于30埃。
9.一種晶體管，包括襯底；處于襯底之上的柵極電極，柵極電極用于響應(yīng)控制信號在襯底中產(chǎn)生導(dǎo)電溝道；以及在導(dǎo)電溝道上形成的絕緣層，絕緣層包括由非晶材料形成的第一層和處于第一層與柵極電極之間由單晶材料形成的第二層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的晶體管，其中單晶材料具有比非晶材料更高的介電常數(shù)。
全文摘要
電路(10)具有在半導(dǎo)體襯底(14)上形成的雙層?xùn)艠O絕緣層(29)。柵極絕緣層包括非晶層(40)和單晶層(42)。特別地，單晶層具有比非晶層更高的介電常數(shù)。
文檔編號H01L21/02GK1430792SQ01809824
公開日2003年7月16日 申請日期2001年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月31日
發(fā)明者庫爾特·埃森貝瑟, 王軍, 拉文德拉納施·德魯帕德 申請人:摩托羅拉公司