介電材料及使用其的晶體管裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是有關(guān)于一種介電材料，由一六方氮化硼所組成，其為一單層或多層堆棧的結(jié)構(gòu)，且該六方氮化硼的至少一層的基面?zhèn)认虺叽?La)及堆棧層距尺寸(Lc)比值為5至1,000。本發(fā)明亦有關(guān)于一種晶體管裝置，其包括一以上述本發(fā)明的介電材料制備的介電絕緣層。
【專利說明】介電材料及使用其的晶體管裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于一種介電材料，尤指一種適用于場效晶體管柵極介電層的介電材料。本發(fā)明亦關(guān)于使用其的場效晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]金氧半場效晶體管(M0SFET，以下稱為場效晶體管)在電子電路裝置中為一相當(dāng)重要的元件。一般而言，場效晶體管包括設(shè)置于半導(dǎo)體相對兩側(cè)的源極與漏極，以及設(shè)置于該半導(dǎo)體上方并以一介電絕緣層隔開的柵極。當(dāng)一個夠大的電位差施加于柵極及源極間時，該介電絕緣層僅容許兩者間的電場通過，并阻擋電子穿過該介電絕緣層，使得靠近介電絕緣層處的半導(dǎo)體表面會形成感應(yīng)電荷，進(jìn)而于源極與漏極間形成一通路。通過此一通路形成與否，場效晶體管便能夠作為電子電路裝置中的邏輯開關(guān)。而隨著科技的進(jìn)展，微型化電子電路裝置亦代表場效晶體管尺寸需隨的縮小，因此，根據(jù)摩爾定律(Moore’ s Law),介于柵極與半導(dǎo)體間的介電絕緣層的厚度、寬度也隨著線寬縮小而變得更薄、更窄。然而，當(dāng)其厚度逐漸變薄時，柵極電壓上限亦需隨的降低，以避免過大電壓導(dǎo)致介電絕緣層崩潰，并且由于介電絕緣層厚度下降，電子便容易越過介電絕緣層形成的位能障壁(potentialbarrier)而產(chǎn)生漏電流。是以，改善柵極漏電流的問題變成為微型化電子電路裝置的一重要課題。
[0003]常見解決的方式為透過摻雜高介電常數(shù)(K)的物質(zhì)，如:氧化鉿，由此減少柵極漏電流的產(chǎn)生。然而，透過摻雜高介電常數(shù)的物質(zhì)雖可降低柵極漏電流，但所形成的介電絕緣層的位能障壁可能而的比下方半導(dǎo)體更小，降低柵極漏電流的效果仍相當(dāng)有限。再者，使用此類方式的介電絕緣層亦需增加其厚度以維持介電絕緣層的電容大小，更是與微型化電子電路裝置的目標(biāo)反其道而行。然而，究其漏電流的根本原因， 申請人:發(fā)現(xiàn)乃是因?yàn)楝F(xiàn)有介電絕緣層材料通常包含一三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(3D network)的金屬原子，例如:二氧化硅中的硅，或是氧化鉿中的鉿(Hf)。圖1為現(xiàn)有介電絕緣層的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，由于介電絕緣層材料通常是以Sp3鍵結(jié)所組成一三維結(jié)構(gòu)，是以，現(xiàn)有形成介電絕緣層的材料間，通常并不平整。而伴隨著此一微觀的粗糙表面，電子便容易由材料間鄰近的尖點(diǎn)處穿越現(xiàn)有的介電絕緣層。以往由于介電絕緣層厚度足夠，故能降低電子穿越介電絕緣層的機(jī)率，然而，根據(jù)摩爾定律(Moore’s Law),當(dāng)厚度隨著線寬縮小時，電子便容易透過穿隧效應(yīng)通過此一三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而無法維持介電絕緣層所需的功效，僅讓電場通過，而不使電子通過。最終當(dāng)該介電絕緣層變得太薄時，將無法避免漏電流的產(chǎn)生。舉例而言，于線寬32納米的晶體管中，當(dāng)使用厚度1.2納米的二氧化硅作為介電絕緣層時，將會產(chǎn)生1/4的漏電流。再者，所產(chǎn)生的漏電流亦導(dǎo)致場效晶體管噪聲的增加。據(jù)此，當(dāng)線寬縮小時，使用三維結(jié)構(gòu)材料作為介電絕緣層不僅導(dǎo)致漏電流變大，更會使得場效晶體管的信號噪聲比降低(signal tonoise ratio)。圖2A及圖2B為現(xiàn)有使用三維結(jié)構(gòu)材料作為介電絕緣層的場效晶體管的電流(Ids)-電壓(Vds)輸出特性示意圖及其對應(yīng)的場效晶體管信號示意圖。如圖2A所示，A曲線表示場效晶體管的電流-電壓的理想曲線。然而，由于現(xiàn)有場效晶體管有柵極漏電流的問題，往往實(shí)際的電流-電壓關(guān)系可能產(chǎn)生如B曲線或C曲線的負(fù)偏壓或正偏壓。更甚者，如圖2B所示，由于柵極漏電流的問題，現(xiàn)有場效晶體管的信號往往有不穩(wěn)定或信號噪聲比(SN ratio)過大的問題，相較于A曲線的穩(wěn)定信號噪聲，由于曲線B或C曲線的負(fù)偏壓或正偏壓的影響而產(chǎn)生噪聲，而造成場效晶體管的信號穩(wěn)定性變差。
[0004]因此，由此根本問題克服場效晶體管尺寸微型化障礙的方法乃有其所需。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在提供一種介電材料，能透過該介電材料所包含層狀堆棧的六方氮化硼結(jié)構(gòu)提供極佳的介電特性。請參考圖3，為本發(fā)明介電材料的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖。由于本發(fā)明介電材料所使用的六方氮化硼為由Sp2鍵結(jié)所形成的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相較于現(xiàn)有介電材料的三維結(jié)構(gòu)而言，其界面不僅平整且六方氮化硼層間僅有凡得瓦鍵結(jié)力，是以即便于極薄的介電絕緣層厚度下，電子仍難以穿越由六方氮化硼組成的介電絕緣層，從而，上述現(xiàn)有界電材料容易發(fā)生漏電流的問題便能獲得解決。
[0006]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的一態(tài)樣是提供一種介電材料，包括由一六方氮化硼所組成，其為一單層或多層堆棧的結(jié)構(gòu)，且該六方氮化硼的至少一層的基面?zhèn)认虺叽?La)及堆棧層距尺寸(Lc)比值為5至1，000。于本發(fā)明的具體態(tài)樣中，該六方氮化硼的至少一層的基面?zhèn)认虺叽?La)及堆棧層距尺寸(Lc)的比值較佳可為5至500。
[0007]于上述本發(fā)明的介電材料中，該六方氮化硼可為完美六角晶體所組成的片狀結(jié)構(gòu)，且其可為I層至10層的結(jié)構(gòu)，較佳可為2層至10層的結(jié)構(gòu)，其中，該些片狀結(jié)構(gòu)的六方氮化硼間的層間作用力為凡得瓦作用力，同層原子間的作用力則為共價鍵作用力。換言之，于該介電材料中，平行于該六方氮化硼基面?zhèn)认虺叽?La)的作用力為共價鍵作用力，而沿著堆棧層距尺寸(Lc)的作用力則為凡得瓦作用力，從而使得該介電材料可獲得極佳的介電特性。在本發(fā)明的一態(tài)樣中，形成介電材料的六方氮化硼的厚度可為0.33納米至30納米，較佳為0.33納米至10納米。在本發(fā)明的另一態(tài)樣中，形成介電材料的六方氮化硼的厚度最佳為1.20納米。據(jù)此，于上述由六方氮化硼堆棧結(jié)構(gòu)所形成的介電材料中，該六方氮化硼的崩潰電壓可大于2伏特，較佳為2伏特至150伏特。
[0008]于上述本發(fā)明的介電材料中，該介電材料所需的六方氮化硼的制備方法并不特別限制，只要所制造的六方氮化硼具有上述所需的介電特性即可。舉例而言，于本發(fā)明的具體態(tài)樣中，該六方氮化硼可以熔融沉積法制成，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0009]據(jù)此，由于六方氮化硼為一種二維結(jié)構(gòu)的絕緣材料，且其層間僅具有凡得瓦鍵結(jié)力，故能夠阻擋電子穿過此層狀結(jié)構(gòu)，是以，上述本發(fā)明的介電材料即能透過所包含的六方氮化硼堆棧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約6.3電子伏特的能隙，從而所形成的介電材料可只容許電場通過，而不使電流通過，改善電子容易透過穿隧現(xiàn)象穿透較薄的介電材料的問題。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供一種晶體管裝置，能透過使用上述本發(fā)明的介電材料，克服因現(xiàn)有三維結(jié)構(gòu)介電材料所導(dǎo)致的柵極漏電流問題，進(jìn)而改善晶體管的信號噪聲比。
[0011]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的另一態(tài)樣是提供一種晶體管裝置，包括:一基板；一氧化層，位于該基板的表面；電極組件，包括一源極、一漏極、及一柵極，其中，該電極組件設(shè)置于該氧化層表面；以及一介電絕緣層，夾置于該氧化層及該柵極之間，其中，該介電絕緣層是由上述本發(fā)明的介電材料所制成。
[0012]于上述本發(fā)明的晶體管裝置中，該源極與該漏極的間距并不特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可依其所需的設(shè)計(jì)而調(diào)整，舉例而言，于本發(fā)明的一態(tài)樣中，該源極與該漏極的間距可為12納米至45納米。然而，因上述本發(fā)明介電材料可于極薄的條件下仍維持極佳的介電特性，是以，于本發(fā)明的另一具體態(tài)樣中，該源極與該漏極的間距則可為大于O納米至28納米。
[0013]于上述本發(fā)明的晶體管裝置中，該介電絕緣層是以上述本發(fā)明的介電材料所制成，是以該介電絕緣層不會有現(xiàn)有介電材料于極薄的情況下發(fā)生柵極漏電流的問題。因此，當(dāng)微型化該晶體管裝置時，本發(fā)明晶體管裝置的介電絕緣層的厚度可隨的變薄而仍能維持極佳的介電特性。舉例而言，于本發(fā)明的一態(tài)樣中，該介電絕緣層的厚度可為0.33納米至30納米，較佳為0.5納米至2納米。又于本發(fā)明的另一具體態(tài)樣中，該介電絕緣層的厚度最佳為1.2納米。
[0014]于上述本發(fā)明的晶體管裝置中，該晶體管裝置還可包括一通道層，該通道層設(shè)置于該源極及該漏極之間，并夾置于該氧化層及該介電絕緣層之間。通道層的材料本發(fā)明并不特別限制，只要其具有晶體管裝置所需的特性即可。舉例而言，于本發(fā)明的一態(tài)樣中，該通道層的材料可為砷化銦(InAs)、氮化銦(InN)、石墨烯、或輝鑰礦。于本發(fā)明的一具體態(tài)樣中，該通道層則為由石墨烯所制成。此外，該石墨烯可由溶碳析出法制成，以獲得較佳的電子特性，但本發(fā)明并不以此為限。
[0015]于上述本發(fā)明的晶體管裝置中，任何可用于制作晶體管裝置基板的材料皆可使用，本發(fā)明并不特別限制。舉例而言，基板可為硅基板、藍(lán)寶石基板、或硅鍺基板。于本發(fā)明的一具體態(tài)樣中，該基板可為硅基板。
[0016]于上述本發(fā)明的晶體管裝置中，任何可用于制作晶體管裝置氧化層的材料皆可使用，本發(fā)明并不特別限制。舉例而言，該氧化層可為二氧化硅、氮氧化硅、或氧化鋅。于本發(fā)明的一具體態(tài)樣中，該氧化層可為二氧化硅。
[0017]于上述本發(fā)明的晶體管裝置中，任何可使用作為晶體管裝置的電極組件的材料皆可使用，本發(fā)明并不特別限制。舉例而言，該電極組件可由金、鉻、鈦、或其合金、或多晶硅所組成。于本發(fā)明的一具體態(tài)樣中，該電極組件的漏極與源極是以金鉻合金所組成，而柵極則由金鈦合金所組成。
[0018]據(jù)此，本發(fā)明所提供的介電材料因其包含的六方氮化硼堆棧結(jié)構(gòu)的特征，而具有優(yōu)異的介電特性。當(dāng)使用作為具有小于45納米線寬的晶體管裝置所需的介電絕緣層時，仍能發(fā)揮介電絕緣層的功能，從而克服柵極漏電流的問題，利于應(yīng)用于微型化晶體管裝置中。此外，由于改善了現(xiàn)有柵極漏電流的問題，亦提升上述本發(fā)明的晶體管裝置的信號噪聲比。據(jù)此，即便以低功率操作，本發(fā)明的晶體管裝置仍能夠獲得清晰的信號，相當(dāng)適合應(yīng)用于通訊芯片，例如進(jìn)階精簡指令處理器(Advanced RISC Machine)的芯片。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為現(xiàn)有介電絕緣層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2A及圖2B是現(xiàn)有的場效晶體管的電流(Ids)-電壓(Vds)輸出特性示意圖及信號不意圖。[0021]圖3是本發(fā)明介電材料的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的介電材料結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的晶體管裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3的晶體管裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]【主要元件符號說明】
[0026]介電材料I
[0027]六方氮化硼11
[0028]晶體管裝置2，3
[0029]基板21，31
[0030]氧化層22，32
[0031]電極組件23，33
[0032]源極231，331
[0033]漏極232，332 [0034]柵極233，333
[0035]介電絕緣層24，34
[0036]通道層35
【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明的技術(shù)特征在于所提供的介電材料可應(yīng)用于線寬小于45納米的晶體管裝置中，而仍能維持其介電特性，避免柵極漏電流的產(chǎn)生，從而改善晶體管裝置的信號噪聲比。
[0038]實(shí)施例1
[0039]請參考圖4，為本發(fā)明實(shí)施例1的介電材料I的結(jié)構(gòu)示意圖，六方氮化硼11具有五層堆棧的結(jié)構(gòu)，其中，該六方氮化硼11通過熔融沉積法制成，且其基面?zhèn)认虺叽?La)及堆棧層距尺寸(Lc)比值為500。據(jù)此，因該這些六方氮化硼于堆棧層距尺寸方向的作用力為凡得瓦作用力，電流難以穿透該些六方氮化硼，并且由于該這些六方氮化硼晶格為二維結(jié)構(gòu)，亦減少因表面不平整所導(dǎo)致的尖端放電。是以，此實(shí)施例1的介電材料I雖厚度僅有1.2納米，其仍具有極佳的介電特性。
[0040]實(shí)施例2
[0041]請參考圖5，為本發(fā)明實(shí)施例2的晶體管裝置2的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括:一基板21 ；一氧化層22,位于該基板21的表面；電極組件23,包括一源極231、一漏極232、及一柵極233，其中，該電極組件23設(shè)置于該氧化層22表面；以及一介電絕緣層24，夾置于該氧化層22及該柵極233之間，其中，該介電絕緣層24由上述實(shí)施例1的介電材料I所制成。
[0042]于此實(shí)施例2的晶體管裝置2中，所選用的基板21為一硅基板；氧化層22則為二氧化硅，其透過氧化該硅基板而獲得；源極231與漏極232則為透過蒸鍍法涂布于氧化層22上的金鉻合金薄膜，且該源極231與該漏極232的間距為28納米；柵極233則為以蒸鍍法涂布于介電絕緣層24上的金鈦合金薄膜；且介電絕緣層24的厚度為1.2納米。
[0043]由于六方氮化硼為一二維結(jié)構(gòu)材料，且堆棧層間僅有凡得瓦作用力，即便該介電絕緣層24厚度僅有1.2納米，該介電絕緣層24的崩潰電壓仍可大于2伏特，使電流難以穿透該介電絕緣層24。據(jù)此，此實(shí)施例2的晶體管裝置2可于線寬為28納米時，仍不會產(chǎn)生柵極漏電流的問題。進(jìn)一步地，由于改善了柵極漏電流的問題，此實(shí)施例2的晶體管裝置2還具有較佳的信號噪聲比。
[0044]實(shí)施例3
[0045]請參考圖6，為本發(fā)明實(shí)施例3的晶體管裝置3的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括:一基板31 ；一氧化層32,位于該基板31的表面；電極組件33,包括一源極331、一漏極332、及一柵極333，其中，該電極組件33設(shè)置于該氧化層32表面；一介電絕緣層34，夾置于該氧化層32及該柵極333之間；以及一通道層35，設(shè)置于該源極331及該漏極332之間，并夾置于該氧化層32及該介電絕緣層34之間，其中，該介電絕緣層34由上述實(shí)施例1的介電材料I所制成。
[0046]于此實(shí)施例3的晶體管裝置3中，所選用的基板31亦為一硅基板；氧化層32則為二氧化硅，其透過氧化該硅基板而獲得；源極331與漏極332則為透過蒸鍍法涂布于氧化層32上的金鉻合金薄膜，且該源極331與該漏極332的間距為28納米；柵極333則為以蒸鍍法涂布于介電絕緣層24上的金鈦合金薄膜；通道層35為一由溶碳析出法所制備的石墨烯；且介電絕緣層34的厚度亦為1.2納米，其崩潰電壓仍可大于2伏特。
[0047]由于石墨烯與六方氮化硼同為具有二維材料結(jié)構(gòu)特征，所以，當(dāng)以石墨烯制作該通道層35時，該晶體管裝置3不僅具有較高的電子遷移率，且還能降低柵極333漏電流產(chǎn)生的機(jī)會，從而獲得一質(zhì)量較佳的晶體管裝置。并且由于改善了柵極漏電流的問題，此實(shí)施例3的晶體管裝置3亦具有較佳的信號噪聲比。
[0048]上述實(shí)施例僅為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以申請專利范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種介電材料，其特征在于，由一六方氮化硼所組成，其為一單層或多層堆棧的結(jié)構(gòu)，且該六方氮化硼的至少一層的基面?zhèn)认虺叽缂岸褩泳喑叽绫戎禐?至1，000。
2.如權(quán)利要求1所述的介電材料，其中，該六方氮化硼為I層至10層的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的介電材料，其中，該基面?zhèn)认虺叽缂岸褩泳喑叽绲谋戎禐?至500。
4.如權(quán)利要求1所述的介電材料，其中，該六方氮化硼的崩潰電壓為2伏特至150伏特。
5.如權(quán)利要求1所述的介電材料，其中，該六方氮化硼的厚度為0.33納米至30納米。
6.如權(quán)利要求1所述的介電材料，其中，該六方氮化硼是以熔融沉積法制成。
7.如權(quán)利要求1所述的介電材料，其中，該六方氮化硼為完美六角晶體所組成的片狀結(jié)構(gòu)。
8.一種晶體管裝置，包括: 一基板； 一氧化層，位于該基板的表面； 一電極組件，包括一源極、一漏極、及一柵極，其中，該電極組件設(shè)置于該氧化層表面；以及 一介電絕緣層，夾置于該氧化層及該柵極之間，其中，該介電絕緣層由權(quán)利要求1至7中任一所述的介電材料所制成。
9.如權(quán)利要求8所述的晶體管裝置，其中，該源極與該漏極的間距是12納米至45納米。
10.如權(quán)利要求8所述的晶體管裝置，其中，該介電絕緣層的厚度為0.33納米至30納米。
11.如權(quán)利要求8所述的晶體管裝置，其中，還包括一通道層，該通道層設(shè)置于該源極及該漏極之間，并夾置于該氧化層及該介電絕緣層之間。
12.如權(quán)利要求11所述的晶體管裝置，其中，該通道層為一砷化銦、一氮化銦、一石墨烯、或一輝鑰礦。
13.如權(quán)利要求12所述的晶體管裝置，其中，該石墨烯由溶碳析出法制成。
14.如權(quán)利要求8所述的晶體管裝置，其中，該基板為硅基板、藍(lán)寶石基板、或硅鍺基板。
15.如權(quán)利要求8所述的晶體管裝置，其中，該氧化層為二氧化硅、氮氧化硅、或氧化鋅。
16.如權(quán)利要求8所述的晶體管裝置，其中，該電極組件由金、鉻、鈦、或其合金所組成。
【文檔編號】H01B3/02GK104009073SQ201310160610
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月22日
【發(fā)明者】宋健民, 林逸樵 申請人:錸鉆科技股份有限公司