專利名稱：采用突變金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變層的裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及采用突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變層的裝置及該裝置的制造方法，特別是，具有改善的電極的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置及制造該裝置的方法。
背景技術(shù)：
采用相變材料(PCM)的存儲(chǔ)裝置已經(jīng)變成積極研究和發(fā)展的課題。因PCM在高溫下產(chǎn)生晶相和非晶相的結(jié)構(gòu)相變，所以PCM可以應(yīng)用于存儲(chǔ)裝置。然而，PCM不用于其它領(lǐng)域，例如，開關(guān)裝置。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相變引起的原子的位置變化不能取得快速開關(guān)的速度。
莫特-哈伯德(Mott-Hubbard)場效晶體管(FET)利用莫特-哈伯德絕緣體作為溝道層，并且由D.M.Newns et al.[Appl.Phys.Lett.73(1998)780]建議其為利用相變的開關(guān)裝置的例子。與通常的MOSFET不同，莫特-哈伯德FET根據(jù)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變來導(dǎo)通和/或關(guān)閉，并且不包括耗盡區(qū)。因此，莫特-哈伯德FET比通常的MOSFET展示出更加高速的開關(guān)特性，并且可以大大改善其集成度。然而，因?yàn)槟?哈伯德FET采用連續(xù)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，所以必須連續(xù)地加入載流子電荷直至莫特-哈伯德FET展示出最佳金屬特性。因此，所加的電荷將增加到很高的密度。結(jié)果，在莫特-哈伯德FET中柵絕緣層的介電常數(shù)必須很大，或者柵絕緣層的厚度必須很薄，或者所施與的柵電壓必須很大。然而，如果介電常數(shù)太大，則在高開關(guān)操作期間電介質(zhì)急劇退化，而這將導(dǎo)致縮短晶體管壽命。由于加工的限制，難于使得柵絕緣層的厚度薄。如果增加?xùn)烹妷?，則增加了功率損耗，并且這將導(dǎo)致晶體管不適合于低功率應(yīng)用。
美國專利第6,624,463號(hào)揭示了一種突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，其采用突變金屬絕緣體轉(zhuǎn)變材料試示出決上述問題。突變金屬-絕緣體將低密度空穴加入Mott-Brinkman-Reiss絕緣體，從而不連續(xù)而突變地產(chǎn)生從絕緣體狀態(tài)到金屬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。空穴驅(qū)動(dòng)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變理論由Hyun-Tak Kim在論文′New Trends in Superconductivity′[NATO Science Series VoI 11/67(Kluwer，2002)pi 37]′和http://xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112中提出。因?yàn)樗尤氲目昭芏群艿?，所以可以解決采用金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料的FET的問題。
然而，當(dāng)在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置中產(chǎn)生金屬-絕緣體相變時(shí)，在源極和漏極之間突然地流過很大的電流，并且因此產(chǎn)生高溫發(fā)熱操作。
圖1是示出突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的電流(I)-電壓(V)特性的曲線圖。參照?qǐng)D1，在約27V漏極電壓下突然地流過很大的漏極電流。當(dāng)源極和漏極電極之間的間隙約為5μm，而柵極電極的線寬為25μm時(shí)，源極和漏極電極之間流過的電流的密度約為5×10E5A/cm2。因此很大的電流在源極和漏極電極之間流動(dòng)，并且通過焦耳熱而加熱該裝置。
在現(xiàn)有的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置中，Cr/Au用作源極和漏極電極。然而，Cr/Au不能承受高電流密度，并且受熱退化。因此，如圖2所示，溝道上的源極和漏極電極被擊穿。結(jié)果，使突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的特性惡化。在嚴(yán)重惡化的情況下，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置不能再使用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供一種具有在高功率操作期間電極不被破壞的電極的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置及其制造方法。
技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供有一種突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，其包括突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，具有小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平內(nèi)的空穴；和兩個(gè)電極，接觸該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層。兩個(gè)電極的每一個(gè)都通過熱處理一疊層來形成，該疊層的第一層形成在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，并且包括Ni或Cr，第二層形成在該第一層上，并且包括In，第三層形成在該第二層上，并且包括Mo或W，而第四層形成在該第三層上，并且包括Au。
突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置可以實(shí)施為2端子開關(guān)裝置，兩個(gè)電極的第一電極可以設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的下表面上。并且兩個(gè)電極的第二電極可以設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的上表面上。因此，該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置可以具有豎直結(jié)構(gòu)，其中電流在相對(duì)于基板的垂直方向上流動(dòng)。作為選擇，兩個(gè)電極可以設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，以便彼此面對(duì)，并且彼此分開。因此，該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置可以具有水平結(jié)構(gòu)，其中電流在相對(duì)于基板的水平方向上流動(dòng)。
突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置可以為3端子開關(guān)裝置。該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置還可以包括柵絕緣層，形成在兩個(gè)電極上；和另一個(gè)電極，形成在該柵絕緣層上，并且設(shè)置在上述兩個(gè)電極之間的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之上。該另一個(gè)電極可以通過熱處理一疊層而形成在該柵絕緣層上，該疊層的第一層形成在該柵絕緣層上，并且包括Ni或Cr，第二層形成在該第一層上，并且包括In，第三層形成在該第二層上，并且包括Mo或W，而第四層形成在該第三層上，并且包括Au。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供有一種采用GaAs層作為突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的2端子開關(guān)裝置。該2端子開關(guān)裝置的電極可以通過熱處理Ni、In、Mo和Au的疊層而形成。中間層可以形成在電極和突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間。該中間層可以通過熱處理引起的界面反應(yīng)來形成。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供有一種突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的制造方法，該方法包括形成突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，其具有小于或等于2eV的能隙和一定空穴水平之內(nèi)的空穴；以及形成接觸該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的兩個(gè)電極。所述形成兩個(gè)電極可以包括形成疊層，該疊層的第一層由Ni或Cr形成在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，第二層由In形成在該第一層上，第三層由Mo或W形成在該第二層上，而第四層由Au形成在該第三層上；以及熱處理該疊層。
該方法還可以包括該疊層的第一層與該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間的界面反應(yīng)。
該方法還可以包括該疊層的第二層與該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層反應(yīng)，以在該兩個(gè)電極和該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間形成中間層，該中間層包括比該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層更小的帶隙。
第一、第二、第三和第四層可以采用電子束蒸發(fā)形成。
該方法還可以包括采用剝離工藝構(gòu)圖該疊層，以獲得希望的電極圖案。該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層可以由GaAs層形成。GaAs層可以采用分子束外延晶體生長法形成。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置包括由Ni(Cr)、In、Mo(或W)和Au疊層所形成的電極。該電極可以具有低接觸電阻，可以改善電流流動(dòng)效率，并且可以防止在高功率裝置的驅(qū)動(dòng)期間由于高溫放熱反應(yīng)引起的熱退化。在具有這樣電極的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置中，該電極不擊穿。同樣，不由于該電極的擊穿而引起該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的特性惡化。另外，該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置具有高可靠性。
有益效果根據(jù)本發(fā)明的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置包括由Ni(Cr)、In、Mo(或W)和Au疊層所形成的電極。因此，該電極具有低阻、高壓特性。
換言之，這樣的電極具有低接觸電阻。因此，可以改善電流流動(dòng)效率。包括該電極的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的電流增益很高。同時(shí)，該電極可以防止在高功率裝置的驅(qū)動(dòng)期間由于高溫放熱反應(yīng)引起的熱退化。由此，包括所述電極的該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置是熱穩(wěn)定的。


參考附圖，通過詳細(xì)描述其示范性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯易懂，其中圖1是示出突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的I-V特性的曲線圖；圖2是顯示由于突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的退化引起的源極和漏極電極擊穿的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的截面圖；圖4是圖3所示部分A的放大圖；圖5至7是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置制造方法的透視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的布局圖；圖10是沿著圖9所示X-X’線剖取的截面圖；圖11是示出突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置相對(duì)于各種驅(qū)動(dòng)電流的I-V特性的曲線圖；圖12是示出用于測量根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和作為比較實(shí)例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的接觸電阻的傳輸線測量(TLM)圖案的示意圖；
圖13和14是示出本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和作為比較實(shí)例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的每個(gè)的兩個(gè)電極之間流過電流所測量量的曲線圖；圖15和16是示出本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和作為比較實(shí)例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的評(píng)估可靠性的曲線圖；圖17是圖15所示的本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置在五次連續(xù)測量后所拍攝的電極圖案的SEM照片；和圖18和19是示出本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和作為比較實(shí)例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的操作特性的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述本發(fā)明，在附圖中顯示了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以很多不同的方式予以實(shí)施，而不應(yīng)該解釋成限于在此揭示的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例以便于本公開更充分和完整，并且向本領(lǐng)域的技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明的構(gòu)思。附圖中相同的參考數(shù)字指代相同的元件，因此省略對(duì)其重復(fù)描述。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100的截面圖。突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100被實(shí)施成具有水平結(jié)構(gòu)的2端子開關(guān)裝置。
參照?qǐng)D3，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20形成在基板10上。在此，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20可以設(shè)置在基板10的一部分表面上。緩沖層(未示出)還可以設(shè)置在基板10和突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20之間。緩沖層可以設(shè)置在基板10的整個(gè)表面上。
突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20具有2eV或更小的能隙，并且由具有在一定空穴水平之內(nèi)的空穴的材料形成。突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20可以由GaAs層即p型GaAs層形成。在此，基板10可以是半絕緣基板，如p型GaAs。
在本發(fā)明中，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20意味著由在加入低密度空穴期間產(chǎn)生突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的材料形成的薄膜。例如，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20可以是包括低密度空穴的p型半導(dǎo)體、包括低密度空穴的p型氧化物半導(dǎo)體，包括低密度空穴的包括III-V族和II-VI族半導(dǎo)體元素、轉(zhuǎn)變金屬元素和稀土元素、鑭族元素的p型無機(jī)化合物半導(dǎo)體，包括低密度空穴的p型有機(jī)半導(dǎo)體，或絕緣體。在此，低密度根據(jù)莫特標(biāo)準(zhǔn)(Mott’s criterion)來判斷，而空穴密度n給定為約(0.2/aH)3，其中aH為對(duì)應(yīng)材料的aH波爾半徑。例如，空穴密度n約為0.0018％，即約為n＝3×1018cm-3，相對(duì)于具有0.6eV的能隙和空穴水平的VO2。另一個(gè)例子，空穴密度n約為0.001％，即n＝1×10E14cm-3，相對(duì)于具有約1.45eV的能隙和空穴水平的p型GaAs。
用于形成突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20的基板10不作特別限定。例如，基板10可以是Si、SiO2、GaAs、Al2O3、塑料、玻璃、V2O5、PrBa2Cu3O7、YBa2Cu3O7、MgO、SrTiO3、用Nb摻雜的SrTiO3或者絕緣體上硅(SOI)基板。緩沖層設(shè)置從而很好地從基板10生長突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20，并且可以省略。緩沖層由在基板10和突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20之間達(dá)到晶格匹配的材料形成，例如SiO2、Si3N4等。
突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20接觸兩個(gè)電極，例如第一和第二電極，即源極和漏極電極30和40。源極和漏極電極30和40設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20上，以便以預(yù)定的距離即溝道長度彼此分開。
源極和漏極電極30和40分別通過熱處理圖4所示的疊層而形成。圖4只顯示了源極電極30的放大圖，但是漏極電極40也具有如源極電極30相同的結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D4，第一、第二、第三和第四層22、24、26和28的一組疊層被熱處理，以形成源極電極30。Ni或Cr的第一層22形成在基板10上，并且也形成在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20上。In的第二層24形成在第一層22上。Mo或者W的第三層26形成在第二層24上。Au的第四層28形成在第三層26上。疊層例如可以是Ni/In/Mo/Au，且Ni層形成于基板10上。
現(xiàn)在將描述構(gòu)成源極和漏極電極30和40的Ni(或Cr)/In/Mo(或W)/Au的功能。
包括Ni(或Cr)的第一層22被采用以降低接觸電阻，并且因此是接觸由GaAs形成的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20的第一金屬層，即用于歐姆接觸的金屬層。同樣，第一層22可以是在高熱處理工藝中在金屬和GaAs層之間引發(fā)界面反應(yīng)的反應(yīng)材料層，以在沉積金屬后獲得歐姆接觸。當(dāng)沉積包括Ni(或Cr)的第一層22時(shí)，在源極和漏極電極30和40與由GaAs形成的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20的表面之間可能有熱擴(kuò)散。具有高熱反應(yīng)溫度即高熔點(diǎn)的NiGa化合物通過界面反應(yīng)而形成，從而突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置在高溫下熱穩(wěn)定操作。
包括In的第二層24是形成在第一層22上的第二金屬層，而第一層22接觸由GaAs形成的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20，即歐姆接觸的金屬層。在高溫?zé)崽幚砉に囍?，第二?4朝著在第一層22下面的由GaAs形成的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20擴(kuò)散，以與具有大帶隙的GaAs產(chǎn)生界面反應(yīng)，從而形成具有比突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20與源極和漏極電極30和40的每一個(gè)之間的GaAs層更小帶隙的InGaAs層。因此，在GaAs層與源極和漏極電極30和40的每一個(gè)之間的勢壘可以被降低，以便最大化突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的特性。
換言之，In產(chǎn)生了具有介于金屬層和GaAs層之間帶隙的新化合物，來降低勢壘，從而增加電流的流入效率。通常，當(dāng)制造采用化合物半導(dǎo)體如GaAs的裝置時(shí)，帶隙偏置即勢壘存在于具有大帶隙的GaAs層和形成用于電流流動(dòng)的電極之間。在電流流入以操作突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的情況下，由于勢壘電流不能平穩(wěn)流入，很大的電壓降產(chǎn)生在GaAs層和電極之間。因此，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的驅(qū)動(dòng)電壓增加。結(jié)果，采用化合物半導(dǎo)體如GaAs的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的操作效率降低。
然而，如果在本發(fā)明的實(shí)施例中使用包括In的第二層24，則形成具有比GaAs層更小帶隙的InGaAs層，以降低勢壘。因此，電流平穩(wěn)地流入突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置。在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20與源極和漏極電極30和40的每一個(gè)之間不產(chǎn)生大的電壓消耗。如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的源極和漏極電極30和40的每一個(gè)包括包含In的第二層24。因此，比突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20具有更小帶隙的中間層(未示出)還可以形成在源極和漏極電極30和40的每一個(gè)與突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20之間。
包括Mo(或W)的第三層26是源極電極30的第三金屬層，該源極電極30接觸由GaAs形成的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20。在第二層24的In和第四層28的Au之間引入Mo(或W)，以防止在高功率裝置的驅(qū)動(dòng)期間在高溫操作工藝中由Au熱擴(kuò)散引起的歐姆特性電阻(ohmic characteristicresistance)。同樣，Mo(或W)具有高熔點(diǎn)，以便防止電極在高功率裝置的驅(qū)動(dòng)期間由于熱退化引起的擊穿。
包括Au的第四層28是源極電極30的第四金屬層，該源極電極30接觸由GaAs形成的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20。為了引線鍵合，Au沉積在電極材料的最高層上。Au基本上具有相對(duì)于GaAs的較低的電流流入效率，即肖特基特性(schottky characteristic)。然而，在高溫處理工藝中，由于熱擴(kuò)散引起的Au流向具有歐姆特性的Ni和In的情況下，產(chǎn)生低電阻特性。因此，歐姆特性惡化。如上所述，第三層26防止這樣的熱擴(kuò)散。
如上所述，在本發(fā)明中，由于帶隙再造(re-engineering)可以獲得低電阻歐姆接觸。同樣，可以形成穩(wěn)定的歐姆電極，其甚至在高溫下操作期間不因熱退化而變形。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3描述具有上述結(jié)構(gòu)的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100的操作。當(dāng)具有預(yù)定大小的偏壓施加到源極和漏極電極30和40時(shí)，具有預(yù)定大小的電場形成在源極和漏極電極30和40之間的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20的兩端。由于電場而產(chǎn)生空穴摻雜，即在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20內(nèi)的一定空穴水平的空穴被注入到價(jià)帶。因?yàn)楫a(chǎn)生空穴摻雜，所以突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20從絕緣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬狀態(tài)。結(jié)果，大量的電流在源極和漏極電極30和40之間流動(dòng)。
然而，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100的源極和漏極電極30和40中，在用于歐姆接觸的包括Ni(或Cr)的第一層22和包括In的第二層24與用于引線鍵合的包括Au的第四層28之間引入包括具有高熔點(diǎn)的Mo(或W)的第三層26，以防止源極和漏極電極30和40被擊穿。因此，例如Ni、In等的下層的低電阻特性甚至在高電流、高功率操作期間不因Au的熱擴(kuò)散而被降低和惡化。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D5至7描述突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100的制造方法，該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100是具有水平結(jié)構(gòu)的2端子開關(guān)裝置。
如圖5所示，提供基板10，其優(yōu)選為p型GaAs基板。
如圖6所示，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變半導(dǎo)體材料，優(yōu)選為p型GaAs層，在基板10上被沉積并且構(gòu)圖，以形成突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20。GaAs層可以采用MBE晶體生長法沉積。光致抗蝕劑層采用旋涂機(jī)涂敷在GaAs層上，然后利用Cr掩模根據(jù)光刻工藝構(gòu)圖。還可以使用RF離子研磨作為蝕刻法。如圖6所隔離的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20可以通過這樣的構(gòu)圖工藝形成。在此，在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變半導(dǎo)體材料沉積在基板10上之前，可以形成緩沖層。
如圖7所示，源極和漏極電極30和40形成在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20上，以便彼此分開并且彼此面對(duì)。為此目的，如參照?qǐng)D4所描述，形成分別包括Ni或Cr、In、Mo或W和Au的第一、第二、第三和第四層22、24、26、28的一組疊層。第一至第四層22、24、26、28分別采用電子束蒸發(fā)法沉積。此后，第一至第四層22、24、26、28采用剝離工藝構(gòu)圖，以暴露作為溝道區(qū)的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20的表面的一部分。接下來，在所暴露部分的兩側(cè)形成源極和漏極電極30和40，以便彼此分開并且彼此面對(duì)。進(jìn)行了用于歐姆接觸的高溫處理，以引起必要的界面反應(yīng)。
圖8是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置200的截面圖。在此，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置200被實(shí)施成2端子開關(guān)裝置。
參照?qǐng)D8，第一電極30、突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層120和第二電極140依次堆疊在基板110上。換言之，兩個(gè)電極的第一電極130例如源極電極，設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層120的下表面上，且第二電極140例如漏極電極，設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層120的上表面上。
突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置200與參照?qǐng)D3至7所描述的具有水平結(jié)構(gòu)的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100相同，除了突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層130轉(zhuǎn)變成金屬狀態(tài)并且因此電流在相對(duì)于基板110垂直的方向上流動(dòng)之外。突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置200就制造方法而言與突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100相同，除了第一電極130、突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層120和第二電極140的堆疊次序外。
圖9是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置300的布置圖，而圖10是沿著圖9的X-X’線剖取的截面圖。在本實(shí)施例中，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置300是3端子開關(guān)裝置。
參照?qǐng)D9和10，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220形成在基板210上。如圖9所示，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220可以在基板210的一部分表面上設(shè)置成方形。兩個(gè)電極，例如第一和第二電極，即源極和漏極電極230和240，接觸突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220。源極和漏極電極230和240以預(yù)定的間隔即溝道長度設(shè)置在突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220上。
源極電極230附著到突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220的左側(cè)和突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220的一部分表面。漏極電極240附著到突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220的右側(cè)和突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220的一部分表面。
突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220、源極電極230和漏極電極240的結(jié)構(gòu)以及形成突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220、源極電極230和漏極電極240的方法與突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置100的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20、源極電極30和漏極電極40的相同或類似。
如圖10所示，柵絕緣層250形成在源極和漏極電極230和240、突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層220和基板210的一部分表面上。柵絕緣層250可以是介電常數(shù)約為43的Ba0.5Sr0.5TiO3(BST)介電層，但不限于此。柵絕緣層250可以是替代BST介電層的其他介電層，例如高介電常數(shù)介電層，如Ta2O5，或者具有一般絕緣特性的柵絕緣層，如Si3N4、SiO2介電層。另一個(gè)電極，即柵極電極260，形成在柵絕緣層250上。為了形成柵極電極260，可以熱處理分別包括Ni(或Cr)、In、Mo(或W)和Au的第一、第二、第三和第四層的疊層。形成柵極電極260的方法與形成源極和漏極電極230和240的方法相同。換言之，在前述實(shí)施例所采用的形成源極和漏極電極30和40的方法可以用于本實(shí)施例。
如上所述，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置可以實(shí)施成各種類型的裝置，如具有水平結(jié)構(gòu)的2端子開關(guān)裝置、具有豎直結(jié)構(gòu)的2端子開關(guān)裝置和3端子開關(guān)裝置，并且包括由Ni(或Cr)、In、Mo(或W)和Au疊層形成的至少兩個(gè)電極。兩個(gè)電極可以具有低接觸電阻，改善電流的流入效率，并且防止在高功率裝置的驅(qū)動(dòng)期間由于高溫放熱反應(yīng)引起的熱退化。因此，可以防止兩個(gè)電極擊穿，并具有高可靠性。
下面將通過如下作為實(shí)例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來描述本發(fā)明的一些方面，這不旨在限制本發(fā)明的范圍。應(yīng)該清楚的是，本發(fā)明非常適于達(dá)到上述的和下面關(guān)于實(shí)驗(yàn)的以及其自身固有的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。盡管為了該揭示的目的已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，包括當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，但是可以對(duì)其進(jìn)行各種變化和修改，這也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。可以進(jìn)行本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易聯(lián)想的并且包含于本發(fā)明所揭示的精神之中的各種其他變化。
在該實(shí)驗(yàn)中，制造參照?qǐng)D3至7所描述的具有水平結(jié)構(gòu)的2端子開關(guān)裝置。
提供p型GaAs基板作為基板10，且采用MBE晶體生長法從基板10生長作為突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層20的p型GaAs層，其厚度達(dá)350nm。接下來，采用RF離子研磨法蝕刻p型GaAs層，以形成隔離區(qū)。采用電子束蒸發(fā)法沉積作為第一、第二、第三和第四層22、24、26和28分別具有厚度25nm、20nm、50nm和200nm的Ni、In、Mo和Au薄膜，然后采用剝離工藝形成為源極和漏極電極的圖案。在此，溝道的長度和寬度分別為5μm和10μm。
在通過上面工藝所制造的裝置中，電壓施加到為溝道層的GaAs層(如20)，從而電流在溝道層中流動(dòng)。因此，空穴在GaAs層內(nèi)產(chǎn)生。在此，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生在GaAs層中，并且因此將GaAs層轉(zhuǎn)變成金屬狀態(tài)。結(jié)果，形成大量電流會(huì)流動(dòng)的導(dǎo)電溝道。
另外，為了在相同的條件下與上面根據(jù)圖3-7所制造的兩端子相比較，制造了具有水平結(jié)構(gòu)并且包括由傳統(tǒng)Cr和Au形成的源極和漏極電極的2端子開關(guān)裝置，在下文該裝置將稱為“比較例裝置”。
圖11是顯示突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置相對(duì)于各種驅(qū)動(dòng)電流的I-V特性的曲線圖。在此，-△-、-○-和-□-分別表示3mA、10mA和15mA的驅(qū)動(dòng)電流。參照?qǐng)D11，在“比較例裝置”(即用Cr和Au源極/漏極電極在以上制造的二端子裝置)的情況下，在約3mA的驅(qū)動(dòng)電流下電極擊穿，并且因此不能使用。在根據(jù)本發(fā)明所制造的二端子裝置的情況下，甚至在15mA的驅(qū)動(dòng)電流下電極不擊穿，并且產(chǎn)生電流突升(current-jump)(參考符號(hào)B)。因此，在如本發(fā)明中提供由Ni、In、Mo和Au疊層形成電極的情況下，突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置可以實(shí)施成甚至在高驅(qū)動(dòng)電流下可以被驅(qū)動(dòng)的高功率突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置。
圖12是示出用于測量根據(jù)本發(fā)明所制造的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和“比較例裝置”的接觸電阻的傳輸線模式(TLM)圖案的示意圖。如圖12所示，制作用于測量接觸電阻的TLM圖案P，從而兩個(gè)TLM圖案P之間的間隙為10、15、20或25μm，而每個(gè)TLM圖案P的寬度為100μm。
圖13和14是顯示在根據(jù)本發(fā)明所制造的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和“比較例裝置”的每一個(gè)的兩個(gè)電極之間電流流動(dòng)量的曲線圖。在該曲線圖中，符號(hào)-□-、-○-、-△-和--表示在兩個(gè)TLM圖案P之間的間隙分別為10、15、20和25μm的情況。
參照?qǐng)D13，在本發(fā)明的情況下，當(dāng)TLM圖案P之間的間隙是10μm(-□-)時(shí)，在25V漏極電壓下可以獲得150μA的漏極電流。然而，參照?qǐng)D14，在“比較例裝置”的情況下，當(dāng)TLM圖案P之間的間隙是10μm(-□-)時(shí)，在25V漏極電壓下可以獲得50μA的漏極電流。因此，雖然施加了相同的電壓，但是在本實(shí)施例中的電流是在“比較例裝置”中的電流的三倍高。這是因?yàn)镹i和In在本發(fā)明中用作接觸GaAs層(為溝道層)的第一金屬，從而在電極和GaAs層之間的接觸電阻低于采用Cr和Au會(huì)存在的接觸電阻。
圖15和16是顯示根據(jù)本發(fā)明所制造的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)化裝置和“比較例裝置”的評(píng)估的可靠性的曲線圖。在本發(fā)明的情況下，約5×105A/cm2的電流流過該裝置，并且被測量了幾十次。然而，電極不擊穿。圖15顯示了電流五次連續(xù)測量的結(jié)果。在此，-◇-、--、-△-、-○-和-□-表示第一、二、三、四和五次測量的結(jié)果。圖17是如圖15所示根據(jù)本發(fā)明的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置在五次連續(xù)測量后所拍攝電極圖案的SEM照片。在此，電極沒有因突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的退化而擊穿。
然而，如圖16所示，在“比較例裝置”的情況下，電極擊穿，在用于測量數(shù)據(jù)的對(duì)所采用的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置測量期間由于其退化發(fā)生兩次短路。如上所述，本發(fā)明的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置比“比較例裝置”具有更高的可靠性。這是因?yàn)楸景l(fā)明所采用的電極由Mo、W等形成。
圖18和19是示出根據(jù)本發(fā)明的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置和比較實(shí)例的操作特性的曲線圖。如圖18所示，在本發(fā)明的情況下，降低了接觸電阻，從而降低了導(dǎo)通電壓(turn-on voltage)Vt到約10.2V。然而，如圖19所示，在比較實(shí)例的情況下，接通電壓Vt約為23.5V。因此，在本發(fā)明的情況下，導(dǎo)通電壓Vt可以降低為大于或等于10V。這意味著可以實(shí)現(xiàn)具有低功率消耗和高功率的高效開關(guān)裝置。
權(quán)利要求
1.一種突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，包括突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，具有小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平之內(nèi)的空穴；和第一和第二電極，接觸該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，其中，該第一和第二電極中的每一個(gè)都通過熱處理一組疊層來形成，該疊層包括第一層，形成在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，并且包括Ni或Cr；第二層，形成在該第一層上，并且包括In；第三層，形成在該第二層上，并且包括Mo或W；和第四層，形成在該第三層上，并且包括Au。
2.如權(quán)利要求1所述的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，還包括中間層，具有第一帶隙，形成在(1)該第一和第二電極與(2)具有第二帶隙的該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間，其中該第一帶隙小于該第二帶隙。
3.如權(quán)利要求1所述的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，其中該第一電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的下表面上，而該第二電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的上表面上。
4.如權(quán)利要求1所述的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，其中該第一電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的上表面上，而該第二電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的下表面上。
5.如權(quán)利要求4所述的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，還包括柵絕緣層，形成在該第一和第二電極上；和第三電極，形成在該柵絕緣層上，并且設(shè)置在該第一和第二電極之間的該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之上。
6.如權(quán)利要求5所述的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，其中該第三電極通過熱處理另一組疊層而形成在該柵絕緣層上，該疊層包括第五層，形成在該柵絕緣層上，并且包括Ni或Cr；第六層，形成在該第五層上，并且包括In；第七層，形成在該第六層上，并且包括Mo或W；和第八層，形成在該第七層上，并且包括Au。
7.一種突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，包括突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，由GaAs形成；和第一和第二電極，設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，以便彼此面對(duì)并且彼此分開，其中該第一和第二電極中的每一個(gè)都通過熱處理一組疊層而形成，該疊層包括第一層，形成在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，并且包括Ni和Cr；第二層，形成在該第一層上，并且包括In；第三層，形成在該第二層上，并且包括Mo或W；和第四層，形成在該第三層上，并且包括Au。
8.如權(quán)利要求7所述的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置，還包括中間層，由InGaAs形成在(1)該第一和第二電極與(2)該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間。
9.一種制造突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變裝置的方法，包括形成具有小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平之內(nèi)的空穴的突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層；通過子步驟形成接觸該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的第一和第二電極中的每一個(gè)，所述子步驟包括在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上由Ni或Cr形成第一層；在該第一層上由In形成第二層；在該第二層上由Mo或W形成第三層；以及在該第三層上由Au形成第四層；以及熱處理該第一、第二、第三和第四層的疊層。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該疊層的該第一、第二、第三和第四層采用電子束蒸發(fā)形成。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該子步驟還包括采用剝離工藝來構(gòu)圖該疊層。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層由GaAs層形成。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該GaAs層采用分子束外延晶體生長法形成。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該子步驟還包括反應(yīng)該第二層和該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，以在(1)該第一和第二電極與(2)該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間形成InGaAs的中間層。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該子步驟還包括反應(yīng)該第二層和該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，以在(1)該第一和第二電極與(2)該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間形成InGaAs的中間層。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該子步驟還包括反應(yīng)該第二層和該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，以在(1)該第一和第二電極與(2)該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之間形成中間層，其中該中間層的帶隙小于該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的帶隙。
17.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該第一電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的下表面上，而該第二電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層的上表面上。
18.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該第一和第二電極設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，以便彼此面對(duì)并且彼此分開。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在該第一和第二電極上形成柵絕緣層；并且第三電極形成在該柵絕緣層上，從而設(shè)置在該突變金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料層之上和在該第一和第二電極之間。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述形成該第三電極包括下述子步驟形成另一組疊層，包括在該柵絕緣層上由Ni或Cr形成第五層；在該第五層上由In形成第六層；在該第六層上由Mo或W形成第七層；在該第七層上由Au形成第八層；以及熱處理該另一組疊層。
全文摘要
突變金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變裝置包括突變金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變材料層，包括小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平之內(nèi)的空穴；和兩個(gè)電極，接觸突變金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變材料層。在此，兩個(gè)電極中的每一個(gè)都通過熱處理一疊層來形成，該疊層的第一層形成在突變金屬－絕緣體轉(zhuǎn)變材料層上，并且包括Ni或Cr，第二層形成在第一層上，并且包括In，第三層形成在第二層上，并且包括Mo或W，而第四層形成在第三層上，并且包括Au。
文檔編號(hào)H01L29/66GK101073156SQ200580042261
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者尹斗協(xié), 金鉉卓, 蔡秉圭, 孟成烈, 姜光鏞 申請(qǐng)人:韓國電子通信研究院