CN100550391C - 一种铁电电容器和铁电场效应管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁电电容器和铁电场效应管及其制备方法。该铁电电容器包括：n型或p型半导体衬底，在该衬底上设置的包含铁电层和反铁电层的双层结构，以及在该双层结构设置的上电极，必要时，在衬底和双层铁电结构之间设置一绝缘层。铁电场效管是上述铁电电容器作为存储单元。按常规工艺，依次制备衬底、绝缘层、铁电双层结构和上电极。本发明设计的铁电电容器和铁电场效管可有效提高逻辑保持时间。

Description

一种铁电电容器和铁电场效应管及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁电电容器和铁电场效应管，具体涉及包含铁电层和反铁电层双层结构的铁电电容器及应用此电容结构的铁电场效应管。

背景技术

目前的非挥发铁电薄膜存储器结构主要是以MFM(金属/铁电/金属)和MFIS(金属/铁电/绝缘/半导体)二种为主，它们都与硅半导体工艺结构兼容。市场上已经出现的产品是MFM结构，以1T1C/2T2C电路设计为基础，采用电荷积分的方法，通过对参考电容上电压的读取来判断电畴的反转与否，从而来识别存储单元中的逻辑信息。所以，它的缺点是数据读取是破坏性的，另外，随着存储密度的提高，每个铁电单元中的电容面积会越来越小，用于电路中可比较的电荷量(正比于电容器面积)会越来越少，导致了信号识别的困难(一般不小余20mV)。

MFIS结构早在1963年就由Moll和Tarui提出[1]，通过电场的作用(门电压的施加)诱导电畴二种不同的取向作为逻辑单元来存储逻辑信息，信号的读取是通过电畴的不同取向来影响半导体内源极和漏极之间的电流来实现的。这种设计不仅保持了原有MFM设计所具有的优点，还拥有与CMOS工艺同步发展器件尺寸上的任意减小性(scalability)和逻辑信息非破坏性读取的优点，从而大幅提高了器件的存储密度和操作的可靠性。但是，目前该器件发展的最大困难是它的逻辑信息的保持时间，一般不超过几天。而市场上对其要求则不小于10年。它的工作机理与FLASH闪存有着某种相似。在MFIS结构中，存储在铁电和绝缘体之间的是通过电畴的翻转而产生的剩余极化电荷，电畴翻转发生的时间极短(亚纳秒或更快)，该极化电荷产生的电势同样也可以调节半导体内沟道电流。和FLASH一样，如果该绝缘层太薄，存储的位移电荷会发生泄漏现象；如果该层太厚，在外加电场下绝大部分电压降落在了绝缘层上，导致了在正常写电压下电畴反转的困难和记忆窗口(memory window)电压的减小，信号识别困难。这是因为绝缘层的介电常数一般要远小于铁电材料的值[2]。另外，绝缘层的存在会在外加电场去除之后在铁电层上引起一个的逆向电场。如果该场过高，会导致了部分电畴的逆向反转，存储的电荷量会大幅减少[3]。目前该阻挡层厚度一般为3～30nm，能够存储的有效电荷密度不到铁电体饱和极化强度的十分之一[4]。

参考文献：

L.Moll and Y.Tarui，IEEE Trans.Electron Devices ED-10(1963)338.

A.Q.Jiang，M.Dawber，J.F.Scott，C.Wang，P.Migliorato，and M.Gregg，，Jpn.J.Appl.Phys.Part 1 42(2003)6973.

Q.Jiang，Y.Y.Lin，and T.A.Tang，J.Appl.Phys.2007.

M.Liu and H.K.Kim，J.Appl.Phys.91(2002)9.

发明内容

本发明的目的在于提出一种可提高逻辑保持时间的铁电电容器和铁电场效应管及其制备方法。

本发明提出的铁电电容，其结构包括：

n型或p型半导体衬底；

在半导体衬底上设置的包含铁电层和反铁电层的双层结构；

以及在包含铁电层和反铁电层的双层结构上设置的上电极。

有时为了避免铁电或反铁电材料向第一电极扩散，可以在半导体衬底与包含铁电层与反铁电层的双层结构之间设置一层绝缘材料层。

本发明提出的一种制作铁电电容器的方法，其中包括：形成n型或p型半导体衬底；在半导体衬底形成包含铁电层和反铁电层的双层结构；以及在包含铁电层和反铁电层的双层结构上形成上电极。有时为了避免铁电或反铁电材料向第一电极扩散，可以在第一电极与包含铁电层与反铁电层的双层结构之间形成一层绝缘材料层。

本发明提出的铁电场效应管，其存储单元为前述铁电电容器，即包含：n型或p型半导体衬底；在半导体衬底上设置的包含铁电层和反铁电层的双层结构；以及在包含铁电层和反铁电层的双层结构上设置的栅电极。有时为了避免铁电或反铁电材料向第一电极扩散，可以在第一电极与包含铁电层与反铁电层的双层结构之间设置一绝缘材料层。

本发明提出的一种制作铁电场效应管的方法，其中包括：形成所需要的n型或p型半导体衬底；在半导体衬底上形成包含铁电层和反铁电层的双层结构；在包含铁电层与反铁电层双层结构上形成栅电极。有时为了避免铁电或反铁电材料向第一电极扩散，可以在第一电极与包含铁电层与反铁电层的双层结构之间形成一绝缘材料层。

本发明中，铁电电容器和铁电场效应管中的反铁电层和铁电层的厚度必须满足两个条件：1)VFE-AF-Vc＜0，2)VAF-FE+Vc＜Vappl；这里，VFE-AF，VAF-FE，Vc，Vappl分别指的是反铁电薄膜正向前置矫顽电压，反铁电薄膜正向后置矫顽电压，铁电薄膜矫顽电压，外加正向电压。

本发明中，所述绝缘层是任一合适的材料，根据设计的目的和需要，可以采用不同形状，不同结构，以及不同材料组分。

本发明中，所述的反铁电和铁电层构成的双层结构是反铁电层和铁电层根据设计的目的和需要，相互叠加在一起的一种结构。

前述的铁电层指的是任何具有且能保持自发极化，并且在外加电场的作用下，其自发极化的方向会发生改变的材料。

所述的反铁电层是指的是任何在高场的作用下，体内的反铁电畴和铁电畴极化方向一致，对外表现出铁电性，当外加电压降至某一数值及以下时，反铁电畴的极化方向会翻转至与铁电畴极化方向相反，削弱乃至抵消铁电畴的极化作用的材料。

铁电层和反铁电层的双层结构可以根据设计的需要可以采用不同的形状，结构以及材料构成。

所述的上电极是一切可能使用的电极，包括不同形状，不同结构，以及不同材料组分。

所述的绝缘层是为了防止铁电或反铁电材料向衬底扩散设置的，根据设计的目的和需要，也可以不采用。如果采用，该绝缘层可以使用一切合适的绝缘材料，包括不同形状，不同结构。

本发明提出的铁电电容器及铁电效应管可有效提高逻辑保持时间。

附图说明

结合附图，通过下面本发明的典型实施例进行说明，使得本发明的上述和其它特征及优点变得更加显而易见，并且，本发明并不限于所述典型实施例。应该注意，并非所有可能的本发明的实施例必须显示出在此说明的每一和各个或任一优点。

图1是本发明设计的包含铁电层和反铁电层双层结构的一种铁电电容器结构示意图。

图2是本发明设计的包含铁电层和反铁电层双层结构的另一种铁电电容器结构的示意图。

图3A是反铁电薄膜材料在外加正向电压下的电畴翻转示意图。

图3B是反铁电薄膜材料在外加正向电压撤去后的电畴翻转示意图。

图4A是包含反铁电层和铁电层双层结构在外加正向电压作用下的电畴翻转示意图。

图4B是包含反铁电层和铁电层双层结构在外加正向电压撤去后的电畴翻转示意图。本图说明，在满足VFE-AF-Vc＜0的情况下，铁电层和反铁电层内电畴翻转情况。

图5A运用本发明设计的包含铁电层和反铁电层双层结构的铁电场效应管的一种情况的原理性示意图。

图5B是运用本发明设计的包含铁电层和反铁电层双层结构的铁电场效应管的另一种情况的原理性示意图

图6虚线是反铁电薄膜的P-V滞回曲线(虚线)和本发明设计的包含铁电层和反铁电层双层结构的铁电电容器的P-V滞回曲线(实线)。在此，电滞回曲线的测量是采用上下金属式(MFM)电极结构，即金属电极/铁电层/反铁电层/金属电极。

图中标号：200为衬底，202为绝缘层，204为反铁电层，206为铁电层，208为上电极，200’为衬底，202’为绝缘层，204’为铁电层，206’为反铁电层，208’为上电极；510为衬底，512为漏极区域，514为源极区域，502为绝缘层，504为反铁电层，506为铁电层，508为上电极；510’为衬底，512’为漏极区域，514’为源极区域，502’为绝缘层，504’为铁电层，506’为反铁电层，508’为上电极。

具体实施方式

在一实施例中，提供一种铁电电容器。图1说明本发明设计的一种包含铁电层和反铁电层的铁电电容器结构。该铁电电容器包括n型或p型半导体衬底200；所述铁电电容器还包含在第一电极200上设置的绝缘层202；在绝缘层202上设置的反铁电层204和在反铁电层上设置的铁电层206；此铁电电容器还包括在铁电层206上设置的上电极208。

绝缘层202可以是任一合适材料，比如ZrO₂、HfO₂、TiO₂、Al₂O₃。该绝缘层并非本发明提出的电容结构中必须存在的结构组成。在本例中设置这一层的目的是为了防止反铁电材料向基底中扩散，出于这个目的，该绝缘层材料必须均匀致密。为了不影响铁电层和反铁电层中的电畴翻转，该绝缘层最好是高介电常数材料，且其厚度必须控制在很小的范围内，比如说，绝缘层的厚度是铁电层和反铁电层的总厚度的1/10-1/30(如1/10，或者1/20)，或者1/30)。本领域的技术人员可根据铁电电容器所希望的性能要求和工艺水平进行厚度的选择。通过任一合适的技术来制作高介电常数层202，例如原子层淀积技术，溅射，或通过不限于本领域技术人员已知的那些传统的合适技术。

反铁电层204是任一合适材料，诸如锆酸铅盐PbZrO₃(虽然未必限制如此组成)，锆钛酸铅盐PbZrTiO₃(然而未必限制如此组成)，掺镧，锡的锆钛酸铅盐Pb(Zr，Ti，Sn)LaO₃(然而未必限制如此组成)，掺镍，锡的锆钛酸铅盐Pb(Zr，Ti，Nb，Sn)O₃(然而未必限制如此组成)。能够使用任一合适的技术来制作反铁电层，例如溅射，CVD(包括有机金属CVD)，溶胶-凝胶法，有或没有在氧气环境中的后期退火处理，或通过不限于本领域技术人员已知的那些传统的合适技术。

铁电层206是任一合适的材料，诸如锆钛酸铅盐PbZrTiO₃(然而未必限制如此组成)，铋钽酸锶盐SrBiTa₂O₉(尽管未必如此组成)，(BiLa)4Ti₃O₁₂(虽然未必如此组成)或者锶钛酸钡盐(BST)也称作BaSrTiO₃(虽然未必如此组成)。能够使用任一合适的技术来制作铁电层，例如溅射，CVD，溶胶-凝胶法，有或没有在氧气环境中的后期退火处理，或通过不限于本领域技术人员已知的那些传统的合适技术。

反铁电层和铁电层的厚度满足以下两个条件：

1)VFE-AF-Vc＜0，

2)VAF-FE+Vc＜Vappl.

这里，VFE-AF，VAF-FE，Vc，Vappl分别指的是反铁电薄膜正向前置矫顽电压，反铁电薄膜正向后置矫顽电压，铁电薄膜矫顽电压，外加正向电压。一个反铁电体，见图6虚线，当外加正向电压逐渐增大到它的前置矫顽电压VAF-FE时，电畴会从反铁电态转变成铁电态；反之，当外加电压逐渐减小到小于它的后置矫顽电压VFE-AF时，电畴又会从铁电态转变成到原先的反铁电态，同时释放出它的饱和极化电荷，薄膜上电压降恢复为0。只有当外加总电压Vappl大于VAF-FE+Vc时，反铁电体内电畴才会由反铁电态转化为铁电态，见图4A。当外加总电压Vc小于VFE-AF-Vc时，反铁电体内电畴又会由铁电态反回到原先的反铁电态。通过调节反铁电薄膜和铁电薄膜的膜厚比使得VFE-AF-Vc＜0，这样即使在外加电压去除之后，反铁电体内的饱和极化电荷也不会释放，铁电态不会恢复到原先的反铁电态，同时在体内保持了一个大小为VFE-AF的电压降，和铁电体内电压大小相等，符号相反，对外表现的总电压降为0，见图4B。

在另一实施例中，提供了铁电电容的另一种可能的结构。图2说明本发明设计的另一种包含铁电层和反铁电层的铁电电容器结构。该铁电电容器包括n型或p型半导体衬底200`；所述铁电电容器还包含在半导体衬底200`上设置的绝缘层202`；在绝缘层202`上设置的铁电层204`，在铁电层204’上设置的反铁电层206`；此铁电电容器还包括在铁电层206`上设置的第二电极208`。

本例中，除了铁电层和反铁电层在铁电电容器中的结构位置不同之外，其他所有材料的选择，组分，结构，形成工艺都和上一例中提到的铁电电容器完全一样。

在另一实施例中，提供一种包括基底和在基底上设置电荷存储单元的铁电场效应管，每一存储单元包括：在基底上设置的阻挡层，在阻挡层上设置的反铁电层，在反铁电层上设置的铁电层，以及在铁电层上设置的栅极。图5A说明典型铁电场效应管的原理性结构示图。该存储器单元设置在基底510上并且包含晶体管结构和铁电电容器结构。该晶体管结构包括设置在n型或p型半导体衬底510；设置在半导体衬底上的漏极区域512和源极区域514，和设置在漏极区域512和源极区域514之上和之间的存储单元。该存储器单元包括诸如图2所示的铁电电容器520，该存储单元包括：半导体衬底510；设置在第一电极510上的绝缘层502(例如，ZrO₂、HfO₂、TiO₂、Al₂O₃或其他合适的高介电常数绝缘体)；设置在绝缘层502上的反铁电层504；设置在反铁电层504上的铁电层506；以及设置在铁电层506上的上电极508(也就是栅电极，诸如Au、Pt、IrO₂或其他合适的栅极材料)。绝缘层502，反铁电层504和铁电层506以及第二电极508能够以与图2中铁电电容器所述的同样材料和组成来形成。特别地，与铁电层206和反铁电层204一样，铁电场效应管中铁电层和反铁电层的厚度必须满足如铁电电容器所述的相同条件：

1)VFE-AF-Vc＜0，

2)VAF-FE+Vc＜Vappl.

使用本领域技术人员已知的传统技术，可以制作铁电场效应管。例如，可以用原子层淀积技术在基底510上淀积高介电常数层。然后，进行平版印刷团成型(lithographic，patterning)和刻蚀，以制成栅极520。然后，使用栅极520座位自调整掩模(self-aligned mask)进行离子注入，已是形成源极区域514和漏极区域512(用合适的掩模以防止其他区域被注入。然后，在栅极520上分别淀积反铁电层，铁电层和栅电极(用合适的掩模以防止其他区域被淀积)。最后进行图案成型(patterning)和金属化。

图5B为铁电电容器的又一实例。图5B所示的存储单元520`包括：n型或p型半导体衬底510`；在半导体衬底上形成一层高介电常数绝缘层502`；在高介电常数绝缘层502`上形成铁电层504`；在铁电层504`上形成反铁电层506`；以及在反铁电层上形成上电极(栅电极)。与图5A相比，铁电层和反铁电层在铁电场效应管中的相应位置发生改变，但是，所有材料的选择，组分，以及工艺方法并没有区别。在本发明提出的提高场效应管的电荷保持时间的性能方面也没有明显的差别。

应当理解，任一利用铁电电容器的FRAM结构类型中使用在此公开的具有包括铁电层和反铁电层双层结构的铁电电容器，都应该被视为与本发明相关。

在此所述的具有铁电层和反铁电层双层结构的铁电电容器和使用此电容器的铁电场效应管，具有超过传统装置的优点，所述传统装置由单一的铁电层和上下电极构成。首先，反铁电层和铁电层的饱和极化强度大小相当(取决于合适的材料选择)，凡铁电层厚度可以大到与铁电层厚度相比拟，即使在正常逻辑写电压下，铁电体和反铁电体内电畴都可以完全转动，可实现理论上所能够达到的记忆窗口电压；其次，反铁电层相对厚度的大幅提高，能够大大地降低了绝缘层漏电流，不会明显改变总的写电压(3V或更小)，数据保持时间会更长。所以，使用在此描述的反铁电层和铁电层双层结构的铁电电容结构有利于增加铁电场效应管的电荷保持时间，或者说是逻辑信息的保持时间。

在此描述的实施例仅仅是说明性的，无论如何也不能认为是限制性的。通过所附权利要求而非先前的描述来给出发明的范围，并且属于权利要求范围内的所有改变和变更均包含于此。

Claims (3)

1、一种铁电电容器，其特征在于结构如下：

具有n型或p型半导体衬底；

在半导体衬底上有反铁电和铁电层构成的双层结构；

在反铁电和铁电层构成的双层结构上有上电极；

并且在半导体衬底与反铁电和铁电层双层结构之间设置有绝缘层；

所述的反铁电层和铁电层的厚度必须满足两个条件：1)VFE-AF-Vc＜0，2)VAF-FE+Vc＜Vappl；这里，VFE-AF，VAF-FE，Vc，Vappl分别指的是反铁电薄膜正向前置矫顽电压，反铁电薄膜正向后置矫顽电压，铁电薄膜矫顽电压，外加正向电压。

2、一种铁电场效应管，其特征在于存储单元包括权利要求1所述的铁电电容器。

3.一种制作铁电电容器的方法，其特征在于具体步骤为：

形成n型或p型半导体衬底；

在半导体衬底上形成反铁电和铁电层构成的双层结构；

在反铁电和铁电层构成的双层结构上形成上电极；

其中，在半导体衬底与反铁电和铁电层双层结构之间先形成一绝缘层；

所述的反铁电层和铁电层的厚度必须满足两个条件：1)VFE-AF-Vc＜0，2)VAF-FE+Vc＜Vappl；这里，VFE-AF，VAF-FE，Vc，Vappl分别指的是反铁电薄膜正向前置矫顽电压，反铁电薄膜正向后置矫顽电压，铁电薄膜矫顽电压，外加正向电压。

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