專利名稱：半導(dǎo)體元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件，尤其涉及一種具有氧化鋁層以防止半導(dǎo)體層及介電層間原子交互擴(kuò)散作用的半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，集成電路尺寸日益變小，單位電容量的需求也日益增加。近年來三五族化合物半導(dǎo)體被廣泛的研究，其原因在于三五族半導(dǎo)體較硅半導(dǎo)體材料有較佳的材料特性。舉例來說，將氧化物沉積于三五族半導(dǎo)體芯片上作為柵極介電層的三五族金氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(II1-V Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect transistor)可以用來取代傳統(tǒng)硅材的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Si M0SFET)。然而，如果想將高介電系數(shù)(High-k)氧化物沉積于三五族半導(dǎo)體上，則會(huì)因?yàn)镠igh-k氧化物和三五族半導(dǎo)體間的原子擴(kuò)散作用而產(chǎn)生較大的漏電流，因而使三五族金氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電容的電性失效。舉例來說，氧化鑭(La2O3)、氧化鐠(Pr6O11)與氧化鈰(CeO2)擁有高于30的介電系數(shù)，當(dāng)氧化鑭(La2O3)、氧化鐠(Pr6O11)或氧化鈰(CeO2)直接沉積在三五族半導(dǎo)體砷化銦鎵(InGaAs)上時(shí)，在高溫退火之后，此時(shí)氧化鑭(La203)、氧化鐠(Pr6O11)或氧化鈰(CeO2)會(huì)和砷化銦鎵產(chǎn)生原子擴(kuò)散作用而使得金氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電容的電性失效。請(qǐng)參閱圖1(a)和圖1(b)，其為氧化鑭(12nm)-1na53Gaa47As金氧半電容器的電容-電壓(C-V)曲線圖和電流密度-電壓(J-V)曲線圖。上述的圖示是在三五族半導(dǎo)體元件上直接沉積12nm的氧化鑭(La2O3)，并于500°C高溫和I分鐘退火后，所量測(cè)出的電容-電壓(C-V)特性和柵極漏電流特性。圖1(a)顯示氧化鑭-1na53Gaa47As金氧半電容器在不同操作頻率下，其電容器的電容值相當(dāng)分散，并不具有較強(qiáng)的反轉(zhuǎn)性質(zhì)，也就是說其電容器的電性已經(jīng)失效。在圖1(b)中，可以明顯觀察到氧化鑭-1na53Gaa47As金氧半電容器在檢測(cè)區(qū)域中的漏電流比lOOOA/cm2還大，也就是說直接將High-k氧化物沉積于三五族半導(dǎo)體上會(huì)有較大漏電流的問題。因此，若想在三五族半導(dǎo)上沉積氧化鑭(La2O3)、氧化鐠(Pr6O11)或氧化鈰(CeO2)等High-k氧化物，以改善三五族金氧半導(dǎo)體元件的等效氧化層厚度(equivalent oxidethickness:Ε0Τ)時(shí),貝U必須要克服上述電性失效的問題。職是之故，申請(qǐng)人鑒于習(xí)知技術(shù)中所產(chǎn)生的缺失，經(jīng)過悉心試驗(yàn)與研究，并一本鍥而不舍之精神，終構(gòu)思出本案“半導(dǎo)體元件及其制作方法”，能夠克服上述缺點(diǎn)，以下為本案的簡(jiǎn)要說明。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于習(xí)用技術(shù)之中存在的缺失，本發(fā)明系藉由沉積具有高介電值氧化物的介電層，以改善元件的EOT值，但由于高介電值材料(例如:鑭系氧化物)在高溫退火時(shí)，易造成半導(dǎo)體與氧化物層間的相互作用，造成其界面不穩(wěn)定性而導(dǎo)致半導(dǎo)體元件的電性失效，因此本發(fā)明提出利用氧化鋁(Al2O3)作為高介電值氧化物的擴(kuò)散阻擋層，以防止或抑制高介電值氧化物與三五族復(fù)合物基板間的相互擴(kuò)散，亦可更進(jìn)一步提升半導(dǎo)體元件的EOT。因此根據(jù)本發(fā)明的第一構(gòu)想，提出一種金氧半導(dǎo)體元件，其包含:三五族半導(dǎo)體層；一氧化鋁層，形成于該三五族半導(dǎo)體層上；以及一鑭系氧化物層，形成于該氧化鋁層上。根據(jù)本發(fā)明的第二構(gòu)想，提出一種半導(dǎo)體元件，其包含:一半導(dǎo)體層；一介電層，配置于該半導(dǎo)體層上，且與該半導(dǎo)體層間具有潛在一原子交互擴(kuò)散作用；以及一氧化鋁層配置于該半導(dǎo)體層及該介電層間，用以抑制該原子交互擴(kuò)散作用。根據(jù)本發(fā)明的第三構(gòu)想，提出一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其包含:形成一氧化鋁層于半導(dǎo)體層與一介電層之間，以防止該半導(dǎo)體層與該介電層之間的原子擴(kuò)散作用。


圖1(a)系為習(xí)用氧化鑭(I^nm)-1na53Gaa47As金氧半電容器的電容-電壓(C-V)曲線
圖1(b)系為習(xí)用氧化鑭(Unm)-1na53Gaa47As金氧半電容器的電流密度-電壓(J-V)曲線圖；圖2系為本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖3系為本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖4系為本發(fā)明的半導(dǎo)體元件制造方法流程圖；圖5系為本發(fā)明的第三較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；以及圖6系為本發(fā)明的Al2O3Ana53Gatl 47As金氧半導(dǎo)體元件的電容_電壓(C-V)曲線圖。主要元件符號(hào)說明200:半導(dǎo)體元件201:半導(dǎo)體層202:氧化鋁層203:介電層300:金氧半導(dǎo)體元件301:金屬背電極302:基底303:三五族半導(dǎo)體層304:氧化鋁層305:鑭系氧化物層306:金屬層400:半導(dǎo)體元件制造方法 401:步驟401402:步驟 402403:步驟 403404:步驟 404500:金氧半導(dǎo)體元件501:金屬鋁層502:N 型 InP 基底503:N 型 In。.53Ga0.47As 層504:氧化鋁層505:氧化鑭、氧化鐠或氧化鈰層506:金屬鶴層
具體實(shí)施例方式本案將可由以下的實(shí)施例說明而得到充分了解，使得熟習(xí)本技藝的人士可以據(jù)以完成之，然本案的實(shí)施并非可由下列實(shí)施案例而被限制其實(shí)施型態(tài)。請(qǐng)參閱圖2，其為本發(fā)明所提出的第一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。此第一較佳實(shí)施例為一半導(dǎo)體元件200，其包含了一半導(dǎo)體層201、一氧化鋁層202以及一介電層203。其中，該半導(dǎo)體層201和該介電層203之間有一原子擴(kuò)散作用，造成其層間界面的不穩(wěn)定性而使半導(dǎo)體元件的電性失效，而此結(jié)構(gòu)的特征即為將該氧化鋁層202配置于該半導(dǎo)體層201和該介電層203之間，以防止或抑制該半導(dǎo)體層201和該介電層203之間的原子擴(kuò)散作用。換句話說，只要任何半導(dǎo)體層和介電層之間具有原子擴(kuò)散作用，為了達(dá)到最佳的EOT值和解決電性失效的問題，皆可依據(jù)本發(fā)明所提出的氧化鋁層來防止或抑制該原子擴(kuò)散作用。此外，該半導(dǎo)體層201較佳為一三五族半導(dǎo)體層，而該介電層較佳為一High-k氧化物層，例如:鑭系氧化物，而鑭系元素(lanthanide elements)包括:鑭(La)、鋪(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)。此一半導(dǎo)體元件200更可作為電容使用，而該氧化鋁層202及該介電層203也可作為金氧半導(dǎo)體元件的柵極介電層。請(qǐng)參閱圖3，其為本發(fā)明所提出的第二較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。此第二較佳實(shí)施例為一金氧半導(dǎo)體兀件300,其依序包含了一金屬背電極301、一基底302、三五族半導(dǎo)體層303、一氧化招層304、一鑭系氧化物層305以及一金屬層306。該金氧半導(dǎo)體兀件300的特征在于，以該氧化鋁層304作為阻擋層來防止或抑制該三五族半導(dǎo)體層303和該鑭系氧化物層305之間的原子擴(kuò)散作用。此氧化鋁/鑭系氧化物復(fù)合層的設(shè)計(jì)，主要是利用能間隙較高的氧化鋁(Al2O3)沉積在三五族半導(dǎo)體上以降低元件的漏電流，并以介電系數(shù)較高的鑭系氧化物來降低位于該金氧半導(dǎo)體元件300上的柵極氧化層的等效氧化層厚度。在此實(shí)施例中，該三五族半導(dǎo)體層303可以為GaAs層、GaN層、InAs層、InP層或InxGa1^As層...等。請(qǐng)參閱圖4，其為本發(fā)明所提出的半導(dǎo)體元件制造方法流程圖。此半導(dǎo)體元件制造方法400，包含了下列步驟:步驟401:提供一半導(dǎo)體層。該半導(dǎo)體層最佳為三五族半導(dǎo)體層，特別是InxGahAs層。步驟402:處理該半導(dǎo)體的表面。此步驟的目的是使半導(dǎo)體的表面具有良好的表面特性，以利氧化鋁層的沉積。步驟403:形成一氧化鋁層于經(jīng)處理的該表面上，以防止該半導(dǎo)體層與一介電層之間的原子擴(kuò)散作用。步驟404:形成該介電層于該氧化鋁上。該半導(dǎo)體層最佳為一 High-k氧化物層，特別是鑭系氧化物層。綜合前述說明和此第一制造方法可知，制作本發(fā)明所提出的半導(dǎo)體元件最重要的步驟為:形成一氧化鋁層于一半導(dǎo)體層與一介電層之間，以防止該半導(dǎo)體層與一介電層之間的原子擴(kuò)散作用。請(qǐng)參閱表一，為了降低三五族半導(dǎo)體元件的等效氧化層厚度，通常會(huì)選用High-k的氧化物做為介電層，但對(duì)于氧化層而言，介電系數(shù)高的氧化物，其能間隙(energybandgap)都會(huì)比較低。以表一中氧化物的介電系數(shù)k與能間隙(energy bandgap:Eg(eV))為例，其中氧化鋁(Al2O3)的能間隙可達(dá)8.7 (eV)，而氧化鑭(La2O3)、氧化鐠(Pr6O11)與氧化鈰(CeO2)具有高于30的介電系數(shù)。因 此，依據(jù)本發(fā)明所提出的氧化鋁/氧化鑭(氧化鐠、氧化鈰)氧化物復(fù)合層，可利用能間隙較高的氧化鋁(Al2O3)沉積在半導(dǎo)體上以降低元件的漏電流，并以介電系數(shù)較高的氧化鑭(La2O3)、氧化鐠(Pr6O11)或氧化鈰(CeO2)來降低于三五族半導(dǎo)體元件上的氧化層的等效氧化層厚度(EOT)。
權(quán)利要求
1.一種金氧半導(dǎo)體元件，包含: 三五族半導(dǎo)體層； 一氧化鋁層，形成于該三五族半導(dǎo)體層上；以及 一鑭系氧化物層，形成于該氧化鋁層上。
2.如權(quán)利要求1所述的金氧半導(dǎo)體元件，其中該三五族半導(dǎo)體層配置于一基底上。
3.如權(quán)利要求1所述的金氧半導(dǎo)體元件，更包含一金屬背電極，配置于該基底的背面。
4.如權(quán)利要求1所述的金氧半導(dǎo)體元件，更包含一金屬層，配置于該鑭系氧化物層上。
5.如權(quán)利要求1所述的金氧半導(dǎo)體元件，其中該三五族半導(dǎo)體層為InxGahAs層，該鑭系氧化物層為一氧化鑭層、一氧化鐠層及一氧化鈰層其中之一。
6.如權(quán)利要求1所述的金氧半導(dǎo)體元件，其中該氧化鋁層的厚度大于等于lnm，該鑭系氧化物層的厚度大于等于5nm。
7.一種半導(dǎo)體元件，包含: 一半導(dǎo)體層； 一介電層，配置于該半導(dǎo)體層上，且與該半導(dǎo)體層間具有潛在一原子交互擴(kuò)散作用；以及 一氧化鋁層配置于該半導(dǎo)體層及該介電層間，用以抑制該原子交互擴(kuò)散作用。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其中該介電層為一鑭系氧化物層。
9.一種制造半導(dǎo)體元件的方法，包含: 形成一氧化鋁層于半導(dǎo)體層與一介電層之間，以防止該半導(dǎo)體層與該介電層之間的原子擴(kuò)散作用。
10.如權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體元件的方法，更包含: 提供該半導(dǎo)體層，其中該半導(dǎo)體層為具有一表面的三五族半導(dǎo)體層； 處理該三五族半導(dǎo)體層的該表面； 形成該氧化鋁層于經(jīng)處理的該表面上；以及 形成該介電層于該氧化鋁上，其中該介電層為一鑭系氧化物層。
全文摘要
本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體元件及其制作方法。該半導(dǎo)體元件包含三五族半導(dǎo)體層；一氧化鋁層，形成于該三五族半導(dǎo)體層上；以及一鑭系氧化物層，形成于該氧化鋁層上。該制造半導(dǎo)體元件的方法包含形成一氧化鋁層于三五族半導(dǎo)體層與一鑭系氧化物層之間，以防止該三五族半導(dǎo)體層與該鑭系氧化物層之間的原子擴(kuò)散作用。
文檔編號(hào)H01L29/51GK103165666SQ20121004316
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者張翼, 林岳欽, 張嘉華, 金海光 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人交大思源基金會(huì)