垂直式電晶體結構的製作方法
2023-06-01 23:28:56
專利名稱：垂直式電晶體結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電晶體結構，特別是一種垂直式電晶體結構。
背景技術：
為了提高集成電路的操作速度，以及符合消費者對於小型化電子裝置的需求，半 導體裝置中的電晶體尺寸有持續縮小的趨勢。然而，隨著電晶體尺寸的縮小，電晶體的通道 區長度亦隨之縮短，如此造成電晶體遭受嚴重的短通道效應(short channel effect)以及 導通電流(on current)下降等問題。針對此問題，習知的一種解決方法是提高通道區中的 摻質濃度，但是此種作法反而會造成漏電流(leakage current)的增加，而影響組件的可靠 度。因此，為了克服上述問題，近年來業界提出將水平方向的電晶體結構改為垂直方 向的電晶體結構。如此一來，可以提升集成電路的操作速度與積集度，且能避免短通道效應 等問題。舉例來說，以Fujimoto Kiyoshi等人於2007年在Advanced Materials發表的 垂直式有機薄膜電晶體來說，其是利用聚苯乙烯(polystrene)本身所帶來的靜電會產生 互相排斥的特性來作為檔版，以此方式來製作垂直式的有機薄膜電晶體。然而，由於此種垂 直式有機薄膜電晶體主要是利用鋁與半導體層的接觸接口會形成空乏層來當作絕緣層，所 以其所能使用的電壓不能太大。再者，此結構的開關電流比(on-off current ratio)也不 大，且漏電流(off current)也偏高。因此，目前的垂直式電晶體在結構設計與信道控制上 仍有很大的改良空間，為此領域所積極研究的目標。
發明內容
為了克服上述問題，本發明的目的在於提供一種垂直式電晶體結構，其具有較高 的導通電流，且可有效降低漏電流(off current)的情況產生。為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種垂直式電晶體結構，其包括一基 板、一源極、一第一間極、一第一絕緣層、一第二間極、一間絕緣層、一汲極、一第二絕緣層以 及一半導體通道層。源極配置於基板上。第一閘極配置於源極上，且具有至少一第一貫孔， 其中第一貫孔貫穿第一閘極。第一絕緣層配置於第一閘極與源極之間。第二閘極配置於第 一閘極上，且具有至少一第二貫孔，其中第二貫孔貫穿第二閘極。閘絕緣層配置於第一閘極 與第二閘極之間，且具有至少一第三貫孔，其中第三貫孔貫穿閘絕緣層，且第一貫孔、第二 貫孔以及第三貫孔相互連通。汲極配置於第二閘極上。第二絕緣層配置於第二閘極與汲極 之間。半導體通道層填充於第一貫孔、第二貫孔與第三貫孔內。在本發明的一實施例中，上述的第一絕絕緣層具有至少一第四貫孔，部分半導體 通道層更延伸至第四貫孔內。在本發明的一實施例中，上述的第二絕緣層具有至少一第五貫孔，部分半導體通 道層更延伸至第五貫孔內，且部分汲極與第五貫孔內的部分半導體通道層相連接。在本發明的一實施例中，上述的垂直式電晶體結構更包括一第一保護層，配置於第一貫孔的內壁上。在本發明的一實施例中，上述的第一保護層的材質包括氧化鋁。在本發明的一實施例中，上述的垂直式電晶體結構更包括一第二保護層，配置於
第二貫孔的內壁上。 在本發明的一實施例中，上述的第二保護層的材質包括氧化鋁。在本發明的一實施例中，上述的閘絕緣層更具有至少一接觸窗，第一閘極與第二
閘極透過接觸窗而相連接。在本發明的一實施例中，上述的半導體通道層的形狀為環形。在本發明的一實施例中，上述的源極的形狀為環形。基於上述，在本發明的垂直式電晶體結構中，半導體信道層填充於第一閘極、第二
閘極以與門絕緣層的貫孔內(意即相互連通的第一貫孔、第二貫孔以及第三貫孔中)，因此
垂直式電晶體結構可具有較高的導通電流，且有效降低漏電流(off current)的情況產生。
圖1為本發明的一實施例的一種垂直式電晶體結構的俯視示意圖。圖2為沿圖1的垂直式電晶體結構的線I-I的剖面示意圖。主要組件符號說明
100 垂直式電晶體結構 110 基板
120 源極 130 第一閘極 132 第一貫孔 140 第一絕緣層 142 第四貫孔150 第二閘極 152 第二貫孔 160 閘絕緣層 162 第三貫孔 164 接觸窗 170 汲極 180 第二絕緣層 182 第五貫孔 190 半導體通道層 195 第一保護層 197 第二保護層。
具體實施例方式為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式
作詳細說明如下。
圖1為本發明的一實施例的一種垂直式電晶體結構的俯視示意圖。圖2為沿圖1 的垂直式電晶體結構的線I-I的剖面示意圖。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，垂直 式電晶體結構100包括一基板110、一源極120、一第一閘極130、一第一絕緣層140、一第 二閘極150、一閘絕緣層160、一汲極170、一第二絕緣層180以及一半導體通道層190。本 實施例的基板110例如是一軟性基板或一剛性基板，其中軟性基板的材質例如聚酯聚合物 (PET)或聚醯亞胺(polyimide)，而剛性基板的材質例如是玻璃。詳細來說，源極120配置於基板110上，其中源極120的材質例如是銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide, ΙΤ0)。第一閘極130配置於源極120上，且具有至少一第一貫孔132， 其中第一貫孔132貫穿第一閘極130。在本實施例中，第一閘極130的材質例如是鋁或其它 金屬材質，且第一閘極130的厚度例如約為60納米(nm)。第一絕緣層140配置於第一閘 極 130與源極120之間，其中第一絕緣層140具有至少一第四貫孔142，且第四貫孔142連通 第一貫孔132。此外，第一絕緣層140的材質例如是氧化矽(SiOx)，且第一絕緣層140的厚 度例如約50納米(nm)。第二閘極150配置於第一閘極130上，且具有至少一第二貫孔152，其中第二貫孔 152貫穿第二閘極150。在本實施例中，第二閘極150的材質例如是鋁或其它金屬材質，且 第二閘極150的厚度例如約為60納米(nm)。閘絕緣層160配置於第一閘極130與第二閘 極150之間，且具有至少一第三貫孔162，其中第三貫孔162貫穿閘絕緣層160，且第一貫孔 132、第二貫孔152、第三貫孔162以及第四貫孔142相互連通。在本實施例中，閘絕緣層160 的材質例如是氧化矽(SiOx)，且閘絕緣層160的厚度例如約50納米(nm)。汲極170配置於第二閘極150上，其中汲極170的材質包括金、鋁或銦錫氧化物 (ITO)。第二絕緣層180配置於第二間極150與汲極170之間，其中第二絕緣層180具有至 少一第五貫孔182，第五貫孔182與第一貫孔132、第二貫孔152、第三貫孔162以及第四貫 孔142相互連通。此外，第二絕緣層180的材質例如是氧化矽(SiOx)，且第二絕緣層180的 厚度例如約50納米(nm)。半導體通道層190填充於第一貫孔132、第二貫孔152與第三貫孔162內，其中部 分半導體通道層190更延伸至第四貫孔142以及第五貫孔182內，且填滿第四貫孔142。再 者，本實施例的部分汲極170與第五貫孔182內的部分半導體通道層190相連接。此外，本 實施例的半導體通道層190的材質包括有機半導體材質，例如是伍環素(pentacene)，或無 機半導體，例如是氧化銦鎵鋅(Indium Gallium Zinc Oxide, IGZ0)、氧化鋅(ZnO)、非晶矽 (a-Si)或晶矽(crystal Si)。特別是，在本實施例中，半導體通道層190的形狀例如為環 形，而源極120的形狀也例如是環形。由於本實施例的半導體通道層190是填充於第一閘極130的第一貫孔132、第二 閘極150的第二貫孔以152與門絕緣層160的第三貫孔162中，因此除了可藉由改變第一 閘極130與第二閘極150的厚度，來控制半導體通道層190的長度，以可避免組件尺寸縮小 時所產生的短通道效應等問題之外，本實施例的垂直式電晶體結構100亦可具有較高的導 通電流，且可有效降低漏電流的情況產生。再者，由於半導體通道層190是填充於第一貫孔 132、第二貫孔以152及第三貫孔162中，因此本實施例無須在後段的製程中再形成一蝕刻 終止層(etching stop layer)來保護半導體通道層190以避免蝕刻液的侵蝕。如此一來， 可減少製程步驟以及降低生產成本。
此外，本實施例的垂直式電晶體結構100更包括一第一保護層195以及一第二保 護層197，其中第一保護層195配置於第一貫孔132的內壁上，而第二保護層197配置於第 二貫孔152的內壁上。在本實施例中，第一保護層195與第二保護層197的材質例如是氧 化鋁。其中，第一保護層195與第二保護層197的形成方式例如是對金屬材質(例如是鋁) 的第一閘極130以及第二閘極150採用氧電漿設備或電化學等方式進行氧化反應，以於第 一貫孔132與第二貫孔152的內壁形成氧化鋁。換言之，本實施例可利用氧化反應於第一閘極130與第二閘極150內形成一高致 密性與高介電常數的第一保護層195與第二保護層197，以增加垂直式電晶體結構100可以 使用的電壓範圍 並可提高開關電流比(on-off current ratio)。另外，由於環狀的半導體 通道層190被金屬材質的第一閘極130與第二閘極150所包圍，因此可有降低或隔絕外界 電磁波或噪聲的幹擾。再者，於本實施例的垂直式電晶體結構100中，閘絕緣層160亦更具 有至少一接觸窗164，其中第一間極130與第二間極150可透過接觸窗164相連接而具有相 同的偏壓。值得一提的是，本發明並不限定閘絕緣層160的形態，雖然此處所提及的閘絕緣 層160具體化為具有第三貫孔162以及接觸窗164，但於其它實施例中，閘絕緣層160亦可 不具有接觸窗164，也就是說，第一間極130與第二間極150彼此不相連接，可分別輸入不同 的偏壓至第一閘極130與第二閘極150，而產生不同的電性效果。簡言之，圖2所繪示的垂 直式電經結構100僅為舉例說明，並不以此為限。此外，於其它未繪示的實施例中，本領域的技術人員當可參照上述實施例的說明， 依據實際需求，而選用前述構件，以達到所需的技術效果。綜上所述，由於本發明的半導體通道層填充於第一閘極的第一貫孔、第二閘極的 第二貫孔以與門絕緣層的第三貫孔中，且延伸至第四貫孔與第五貫孔中，其中第一貫孔、第 二貫孔、第三貫孔、第四貫孔以及第五貫孔相互連通。因此，本發明的垂直式電晶體結構可 具有較高的導通電流以及長度較長的半導體通道層，且可有效降低漏電流的情況產生。換 言之，本發明可藉由改變第一閘極與第二閘極的厚度，而準確地控制垂直式電晶體結構的 半導體信道層的長度，進而可避免組件尺寸縮小時所產生的短通道效應等問題。再者，利用氧化反應於第一閘極與第二閘極內形成一高緻密性與高介電常數的第 一保護層與第二保護層，可增加垂直式電晶體結構可以使用的電壓範圍，並可提高開關電 流比(on-off current ratio)。另外，由於環狀的半導體通道層被金屬材質的第一閘極與 第二閘極所包圍，因此可有降低或隔絕外界電磁波或噪聲的幹擾。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種垂直式電晶體結構，其特徵在於，包括 一基板；一源極，配置於該基板上；一第一間極，配置於該源極上，且具有至少一第一貫孔，其中該第一貫孔貫穿該第一閘極；一第一絕緣層，配置於該第一間極與該源極之間；一第二間極，配置於該第一間極上，且具有至少一第二貫孔，其中該第二貫孔貫穿該第 二閘極；一閘絕緣層，配置於該第一間極與該第二間極之間，且具有至少一第三貫孔，其中該第 三貫孔貫穿該閘絕緣層，且該第一貫孔、該第二貫孔以及該第三貫孔相互連通； 一汲極，配置於該第二間極上； 一第二絕緣層，配置於該第二間極與該汲極之間；以及 一半導體通道層，填充於該第一貫孔、該第二貫孔與該第三貫孔內。
2.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該第一絕絕緣層具有至少 一第四貫孔，部分該半導體通道層更延伸至該第四貫孔內。
3.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該第二絕緣層具有至少一 第五貫孔，部分該半導體通道層更延伸至該第五貫孔內，且部分該汲極與該第五貫孔內的 部分該半導體通道層相連接。
4.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於更包括一第一保護層，配置 於該第一貫孔的內壁上。
5.根據權利要求4所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該第一保護層的材質包括 氧化鋁。
6.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於更包括一第二保護層，配置 於該第二貫孔的內壁上。
7.根據權利要求6所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該第二保護層的材質包括氧化鋁。
8.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該閘絕緣層更具有至少一 接觸窗，該第一間極與該第二間極透過該接觸窗而相連接。
9.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該半導體通道層的形狀為 環形。
10.根據權利要求1所述的垂直式電晶體結構，其特徵在於該源極的形狀為環形。
全文摘要
本發明涉及一種垂直式電晶體結構，包括一基板、一源極、一第一閘極、一第一絕緣層、一第二閘極、一閘絕緣層、一汲極、一第二絕緣層以及一半導體通道層。源極配置於基板上。第一閘極配置於源極上且具有至少一第一貫孔。第一絕緣層配置於第一閘極與源極之間。第二閘極配置於第一閘極上且具有至少一第二貫孔。閘絕緣層配置於第一閘極與第二閘極之間且具有至少一第三貫孔。第一貫孔、第二貫孔以及第三貫孔相互連通。汲極配置於第二閘極上。第二絕緣層配置於第二閘極與汲極之間。半導體通道層填充於第一貫孔、第二貫孔與第三貫孔內。本發明提供一種垂直式電晶體結構，其具有較高的導通電流，且可有效降低漏電流的情況產生。
文檔編號H01L23/522GK102130175SQ20101061343
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者李懷安, 翁守正 申請人:中華映管股份有限公司, 福州華映視訊有限公司