DE19947117A1 - Ferroelektrischer Transistor und dessen Verwendung in einer Speicherzellenanordnung - Google Patents

Ferroelektrischer Transistor und dessen Verwendung in einer Speicherzellenanordnung

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Abstract

In einem Halbleitersubstrat sind ein erstes Source-Drain-Gebiet, ein Kanalgebiet und ein zweites Source-Drain-Gebiet nebeneinander angeordnet. Mindestens die Oberfläche des Kanalgebietes und Teile des ersten Source-Drain-Gebietes werden von einer dielektrischen Schicht bedeckt, an deren Oberfläche eine ferroelektrische Schicht zwischen zwei Polarisationselektroden angeordnet ist. Eine Gateelektrode ist an der Oberfläche der dielektrischen Schicht angeordnet. Die Dicke der dielektrischen Schicht ist so bemessen, daß eine remanente Polarisation der ferroelektrischen Schicht, die zwischen den beiden Polarisationselektroden ausgerichtet wird, Kompensationsladungen in einem Teil des Kanalgebiets erzeugt. Der ferroelektrische Transistor ist als Speicherzelle einer Speicherzellenanordnung geeignet.

Description

Ferroelektrische Materialien werden seit einiger Zeit auf ih­ re Eignung für Speicheranwendungen untersucht. Dabei werden hauptsächlich zwei Varianten betrachtet. Einerseits kann fer­ roelektrisches Material als dielektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten in einem Kondensator eine DRAM-Speicherzellenanordnung eingesetzt werden. Andererseits sind ferroelektrische Transistoren vorgeschlagen worden (sie­ he z. B. EP 0566 585 B1; H. N. Lee et al. Ext. Abstr. Int. Conf. SSDM, Hamatsu, 1997, S. 382-383; I. P. Han et al. In­ tegrated Ferroelectrics, 1998, Vol. 22, S. 213-221), die zwei Source-Drain-Gebiete, ein Kanalgebiet und eine Gate- Elektrode aufweisen, wobei zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanalgebiet eine Schicht aus ferroelektrischem Material vorgesehen ist. Die Leitfähigkeit dieser Transistoren ist von dem Polarisationszustand der Schicht aus ferroelektrischem Material abhängig. Derartige ferroelektrische Transistoren sind zum Einsatz in nicht-flüchtigen Speichern geeignet. Da­ bei werden zwei verschiedenen logischen Werten einer digita­ len Information zwei verschiedene Polarisationszustände der Schicht aus ferroelektrischem Material zugeordnet. Weitere Einsatzmöglichkeiten für derartige ferroelektrische Transi­ storen sind z. B. neuronale Netze.
Da ferroelektrisches Material, das an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet ist, schlechte Grenzflächenei­ genschaften zeigt, die einen negativen Einfluß auf die elek­ trischen Eigenschaften eines ferroelektrischen Transistors ausüben, ist vorgeschlagen worden, in einem ferroelektrischen Transistor zwischen der ferroelektrischen Schicht und dem Halbleitersubstrat eine Zwischenschicht aus SiO2 (siehe EP 0566 585 B1), MgO, CeO2, ZrO2, SrTiO3, Y2O3 (siehe H. N. Lee et al. Ext. Abstr. Int. Conf. SSDM, Hamatsu, 1997, S. 382-383) oder Si3N4 (siehe z. B. I. P. Han et al. Integrated Ferro­ electrics, 1998, Vol. 22, S. 213-221) zu verwenden. Diese Materialien sind isolierende stabile Oxide, die eine ausrei­ chend gute Grenzfläche zwischen der ferroelektrischen Schicht und der Oberfläche des Halbleitersubstrats herstellen.
Zwischen der Gate-Elektrode und dem als Elektrode wirkenden Halbleitersubstrat wird die ferroelektrische Schicht polari­ siert. Durch die remanente Polarisation wird ein elektrisches Feld erzeugt. Wird ein Wert von etwa 10 µc/cm2 für die rema­ nente Polarisation der ferroelektrischen Schicht angenommen, so errechnet sich für eine Zwischenschicht aus SiO2 mit εr = 3,9 ein Wert von etwa 29 MV/cm für die elektrische Feldstärke. Die elektrische Feldstärke errechnet sich nach der Formel
wobei E die elektrische Feldstärke ist und σ die remanente Polarisation. Da die Durchbruchfeldstärke von SiO2 bei nur 10 MV/cm liegt, muß daher mit einem elektrischen Durchbruch der Zwischenschicht gerechnet werden. Die Werte für die remanente Polarisation insbesondere von SBT (SrBi2Ta2O9) oder PZT (PbZrxPi1-xO2) über 10 µC/cm2 liegen, ist auch bei Verwendung eines dielektrischen Materials mit höhe­ rer Dielektrizitätskonstante als SiO2 damit zu rechnen, daß Feldstärken in einem kritischen Bereich auftreten.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen ferro­ elektrischen Transistor anzugeben, bei dem ein Durchbruch ei­ ner dielektrischen Schicht, die zwischen einer ferroelektri­ schen Schicht und einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, vermieden wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch einen ferro­ elektrischen Transistor gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestal­ tungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.
Der ferroelektrische Transistor ist insbesondere geeignet zur Verwendung als Speicherzelle in einer Speicherzellenanord­ nung.
Der ferroelektrische Transistor umfaßt ein erstes Source- Drain-Gebiet, ein Kanalgebiet und ein zweites Source-Drain- Gebiet, die an eine Hauptfläche eines Halbleitersubstrats an­ grenzen. Dabei ist das Kanalgebiet zwischen dem ersten Sour­ ce-Drain-Gebiet und dem zweiten Source-Drain-Gebiet angeord­ net. Es ist eine dielektrische Schicht vorgesehen, die minde­ stens die Oberfläche des Kanalgebiets bedeckt und die die Oberfläche des ersten Source-Drain-Gebiets überlappt. An der Oberfläche der dielektrischen Schicht ist eine ferroelektri­ sche Schicht angeordnet, die mindestens einen an das Kanalge­ biet angrenzenden Teil des ersten Source-Drain-Gebiets über­ deckt.
An der Oberfläche der dielektrischen Schicht sind ferner eine erste Polarisationselektrode und eine zweite Polarisationse­ lektrode angeordnet, zwischen denen die ferroelektrische Schicht angeordnet ist. Oberhalb eines Bereichs des ersten Kanalgebiets ist an der Oberfläche der dielektrischen Schicht eine Gate-Elektrode angeordnet.
Die Dicke der dielektrischen Schicht ist oberhalb des ersten Bereichs, d. h. unter der Gate-Elektrode, geringer als ober­ halb eines zweiten Bereichs des Kanalgebietes, der unter der zweiten Polarisationselektrode angeordnet ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht oberhalb des an das Kanalgebiet an­ grenzenden Teils des ersten Source-Drain-Gebiets, der von der ferroelektrischen Schicht überdeckt wird, ist so bemessen, daß eine remanente Polarisation der ferroelektrischen Schicht, die parallel zur Hauptfläche ausgerichtet ist, Kom­ pensationsladungen in dem zweiten Bereich des Kanalgebiets erzeugt.
Da in dem ferroelektrischen Transistor durch die erste Pola­ risationselektrode und die zweite Polarisationselektrode eine remanente Polarisation der ferroelektrischen Schicht parallel zur Hauptfläche ausgerichtet wird, ist das von der remanenten Polarisation erzeugte elektrische Feld ebenfalls parallel zur Hauptfläche ausgerichtet. Die Kompensationsladungen in dem zweiten Bereich des Kanalgebiets werden durch das seitliche Streufeld des elektrischen Feldes erzeugt, das viel geringer ist als das elektrische Feld selbst. Daher wird ein Durch­ bruch der dielektrischen Schicht zwischen dem Halbleitersub­ strat und der ferroelektrischen Schicht sicher vermieden.
Abhängig vom Polarisationszustand der ferroelektrischen Schicht werden unterschiedlich viele Kompensationsladungen in dem zweiten Bereich des Kanalgebiets erzeugt. Zur Speicherung einer digitalen Information wird die ferroelektrische Schicht in zwei unterschiedliche Polarisationszustände geschaltet, wobei der eine Polarisationszustand so viele Kompensationsla­ dungen in dem zweiten Bereich erzeugt, daß der zweite Bereich leitet, während der andere Polarisationzustand so wenig Kom­ pensationsladungen erzeugt, daß der zweite Bereich des Kanal­ gebiets nicht leitet. Über die Gate-Elektrode, die den ersten Bereich des Kanalgebiets ansteuert, wird der ferroelektrische Transistor angesteuert. Es wird überprüft, ob der ferroelek­ trische Transistor leitet, in diesem Fall reicht die Polari­ sation der ferroelektrischen Schicht für eine Leitfähigkeit des zweiten Bereichs des Kanalgebiets aus, oder ob der ferro­ elektrische Transistor nicht leitet, in diesem Fall reicht der Polarisationszustand für eine Leitfähigkeit des zweiten Bereichs des Kanalgebiets nicht aus.
Die Änderung des Polarisationszustandes der ferroelektrischen Schicht, die einem Einschreiben oder Ändern von gespeicherten Informationen entspricht, erfolgt über die erste Polarisati­ onselektrode und die zweite Polarisationselektrode. Insbesondere ist die Dicke der dielektrischen Schicht ober­ halb des an das Kanalgebiet angrenzenden Teils des ersten Source-Drain-Gebiets kleiner als die Dicke der dielektrischen Schicht oberhalb des zweiten Bereichs des Kanalgebiets und kleiner als die Abmessung des zweiten Bereichs des Kanalge­ biets parallel zur Hauptfläche. Dadurch wird sichergestellt, daß die Isolation der dielektrischen Schicht oberhalb des zweiten Bereichs so gut ist, daß sich Kompensationsladungen im zweiten Bereich des Kanals ansammeln und nicht auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die ferroelektri­ sche Schicht teilweise oberhalb des Kanalgebietes angeordnet. Dabei ist die Dicke der dielektrischen Schicht oberhalb eines an das erste Source-Drain-Gebiet angrenzenden Teils des Kanalgebietes und oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzen­ den Teils des ersten Source-Drain-Gebiets im wesentlichen gleich. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, daß auch bei einem geringen lateralen Streufeld ausreichend Kompensationsladungen in dem Kanalgebiet erzeugt werden.
Im Hinblick auf einen reduzierten Platzbedarf des ferroelek­ trischen Transistors ist es vorteilhaft, die zweite Polarisa­ tionselektrode und die Gate-Elektrode als gemeinsame Elektro­ de auszubilden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke der dielektrischen Schicht unterhalb der ersten Polarisationse­ lektrode, die oberhalb des ersten Source-Drain-Gebietes ange­ ordnet ist, und oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzenden Teils des ersten Source-Drain-Gebietes im wesentlichen gleich. In dieser Ausgestaltung ist die Abmessung senkrecht zur Hauptfläche der Grenzfläche zwischen der ersten Polarisa­ tionselektrode und der ferroelektrischen Schicht größer als zwischen der zweiten Polarisationselektrode und der ferro­ elektrischen Schicht. Dadurch wird das im zweiten Bereich des Kanalgebiets wirksame elektrische Streufeld vergrößert.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke der dielektrischen Schicht unterhalb der ersten Polarisation­ selektrode und unterhalb der zweiten Polarisationselektrode im wesentlichen gleich. Dadurch ist die Abmessung senkrecht zur Hauptfläche der Grenzfläche zwischen der ersten Polarisa­ tionselektrode und der ferroelektrischen Schicht und der zweiten Polarisationselektrode und der ferroelektrischen Schicht im wesentlichen gleich, was bezüglich der Herstellung des ferroelektrischen Transistors vorteilhaft ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die dielek­ trische Schicht eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht. Die erste dielektrische Schicht ist dabei auf der Hauptfläche angeordnet. Die zweite dielek­ trische Schicht ist darüber angeordnet. Die zweite dielektri­ sche Schicht weist im Bereich der Gateelektrode eine Öffnung auf, so daß die Gateelektrode an der Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist. Die erste dielektri­ sche Schicht entspricht somit dem Gate-Dielektrikum des fer­ roelektrischen Transistors. Diese Ausgestaltung hat den Vor­ teil, daß die erste dielektrische Schicht bezüglich ihrer Ei­ genschaften als Gate-Dielektrikum optimiert werden kann, wäh­ rend die zweite dielektrische Schicht die Grenzfläche zur ferroelektrischen Schicht darstellt und bezüglich dieser op­ timiert werden kann. Vorzugsweise enthält die erste dielek­ trische Schicht SiO2, CeO2, ZrO2 oder Ta2O5 und weist eine Dicke zwischen 3,5 nm und 20 nm auf. Die zweite dielektrische Schicht enthält vorzugsweise Si3N4, CeO2 oder ein anderes se­ lektiv ätzbares dielektrisches Material und weist oberhalb des zweiten Bereichs des Kanalgebiets eine Dicke zwischen 10 10 nm und 500 nm und oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzen­ den Teils des ersten Source-Drain-Gebiets eine Dicke zwischen 10 nm und 300 nm auf. Die zweite dielektrische Schicht kann auch nichtselektiv ätzbares dielektrisches Material enthal­ ten, falls die selektive Ätzbarkeit für die Herstellung von untergeordneter Bedeutung ist. Im Hinblick auf eine etwaige Degradation der ferroelektrischen Schicht ist es vorteilhaft, die zweite dielektrische Schicht als Luftspalt oder Vakuumbe­ reich auszubilden. Dazu wird eine Hilfsstruktur erzeugt, die nach Fertigstellung der benachbarten Strukturen wieder her­ ausgeätzt wird.
Die ferroelektrische Schicht kann alle ferroelektrischen Ma­ terialien enthalten, die für einen ferroelektrischen Transi­ stor geeignet sind. Insbesondere enthält die ferroelektrische Schicht SBT (SrBi2Ta2O9), PZT (PbZrxTi1-xO2) oder BMF (BaMgF4).
Als Halbleitersubstrat sind alle Substrate geeignet, die zur Herstellung integrierter Schaltungen in Frage kommen. Insbe­ sondere kann das Halbleitersubstrat eine monokristalline Si­ liziumscheibe, ein SOI-Substrat, ein SiGe-Substrat oder ein III-V-Halbleiter sein.
Im weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen ferroelektrischen Transistor.
Fig. 2 zeigt ein Layout für eine Speicherzellenanordnung, die als Speicherzellen ferroelektrische Transistoren aufweist.
Fig. 3 bis Fig. 5 zeigt Schritte zur Herstellung eines fer­ roelektrischen Transistors.
In einem Halbleitersubstrat 11 aus monokristallinem Silizium sind ein erstes Source-Drain-Gebiet 121 und ein zweites Sour­ ce-Drain-Gebiet 122 angeordnet, die n+-dotiert sind und zwi­ schen denen ein Kanalgebiet 13 angeordnet ist (siehe Fig. 1). Das erste Source-Drain-Gebiet 121, das Kanalgebiet 13 und das zweite Source-Drain-Gebiet 122 grenzen an eine Hauptflä­ che 110 des Halbleitersubstrats 11 an.
Auf der Hauptfläche 110 ist eine erste dielektrische Schicht 14 aus CeO2, ZrO2, Ta2O5 oder SiO2 in einer Schichtdicke von 20 nm angeordnet. Oberhalb des ersten Source-Drain-Gebietes 121 ist eine zweite dielektrische Schicht 15 aus Si3N4 ange­ ordnet, die einen an das erste Source-Drain-Gebiet 121 an­ grenzenden Teil des Kanalgebiets 13 überdeckt. An der Ober­ fläche der zweiten dielektrischen Schicht ist eine erste Elektrode 16, eine ferroelektrische Schicht 17 und zweite Elektrode 18 angeordnet, wobei die zweite Elektrode 18 die zweite dielektrische Schicht 15 seitlich überlappt und teil­ weise an der Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht 14 angeordnet ist. Die ferroelektrische Schicht 17 ist oberhalb eines Teils des ersten Source-Drain-Gebietes 121 angeordnet, der an das Kanalgebiet 13 angrenzt. Die ferroelektrische Schicht 17 erstreckt sich ferner bis über einen Teil des Kanalgebiets 13, der an das erste Source-Drain-Gebiet 121 an­ grenzt. Die ferroelektrische Schicht enthält PZT oder SBT und weist eine Dicke von 100 bis 300 nm auf. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 enthalten Platin.
Die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 15 unterhalb der ersten Elektrode 16 und unterhalb der ferroelektrischen Schicht 17 beträgt 200 nm. Die Dicke der dielektrischen Schicht 15 im Bereich der zweiten Elektrode 18 beträgt 2 bis 50 nm. Der Teil der zweiten Elektrode 18, der oberhalb eines ersten Bereichs 131 des Kanalgebiets 13 an der Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht 14 angeordnet ist, wirkt als Gateelektrode. Der Teil der zweiten Elektrode 18, der ober­ halb eines zweiten Bereichs 132 an der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht 15 angeordnet ist, wirkt als zweite Polarisationselektrode. Die erste Elektrode 16 wirkt als er­ ste Polarisationselektrode.
Es ist eine planarisierende Passivierungsschicht 19 vorgese­ hen, die die erste Elektrode 16, die ferroelektrische Schicht 17 und die zweite Elektrode 18 abdeckt und in der metallische Kontakte 111, die auf das erste Source-Drain-Gebiet 121, die erste Elektrode 16 und auf das zweite Source-Drain-Gebiet 122 reichen, vorgesehen sind. Dabei werden die erste Elektrode 16 und das erste Source-Drain-Gebiet 121 mit einem gemeinsamen Kontakt 111 versehen.
In diesem ferroelektrischen Transistor wird durch Anlegen ei­ ner Spannung zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 die remanente Polarisation der ferroelektrischen Schicht 17 parallel zur Richtung eines Stroms durch das Kanalgebiet 13 ausgerichtet. Die ferroelektrische Schicht 17 überdeckt das Kanalgebiet 13 nur teilweise. Die zweite Elek­ trode 18 bedeckt die ferroelektrische Schicht 17 nur teilwei­ se. In dieser Anordnung werden zur Kompensation der ferro­ elektrischen Polarisation der ferroelektrischen Schicht 17 benötigte Oberflächenladungen hauptsächlich an der Grenzflä­ che zur ersten Elektrode 16 und zur zweiten Elektrode 18 an­ geordnet sein. In dem Bereich, in dem die ferroelektrische Schicht 17 seitlich an den dickeren Teil der zweiten dielek­ trischen Schicht 15 oberhalb des zweiten Bereichs 132 an­ grenzt, sind die Oberflächenladungen zur Kompensation der ferroelektrischen Kompensation im Halbleitersubstrat 11 ange­ ordnet. Diese Kompensationsladungen sind in dem an das erste Source-Drain-Gebiet 121 angrenzenden Teil des Kanalgebiets 13 angeordnet. Sie bewirken je nach Polarisation der ferroelek­ trischen Schicht 17, daß dieser Teil des Kanalgebiets 13 lei­ tend ist oder nicht. Um eine Leitfähigkeit dieses Teils des Kanalgebiets 13 zu bewirken, ist eine Ladungsdichte von etwa 0,1 µC/cm2 ausreichend. Das entspricht etwa einem Prozent des Wertes der remanenten Polarisation der ferroelektrischen Schicht 17. Näherungsweise kann dieser Teil des Kanalgebiets 13 somit 10 bis 100mal größer sein, als der seitlich an die zweite dielektrische Schicht 15 angrenzende Teil der ferro­ elektrischen Schicht 17.
Da in diesem ferroelektrischen Transistor der größte Teil der Kompensationsladungen an den Grenzflächen der ferroelektri­ schen Schicht 17 zur ersten Elektrode 16 bzw. zweiten Elek­ trode 18 lokalisiert ist, ist der Ruhezustand und damit die Datenhaltung zeitlich ähnlich stabil, wie in einem ferroelek­ trischen Kondensator. Es treten keine Depolarisationsfelder auf, die immer dann entstehen, wenn ein wesentlicher Abstand zwischen der Oberfläche der ferroelektrischen Schicht und den Kompensationsladungen existiert.
Durch die Anordnung der ferroelektrischen Schicht über nur einem Teil des Kanalgebiets 13 wird erreicht, daß die elek­ trische Feldstärke in der Nähe der ferroelektrischen Schicht 17 und die elektrische Feldstärke an der ersten dielektri­ schen Schicht 14 im ersten Bereich 131, in dem diese als Ga­ te-Dielektrikum wirkt, sich unterscheiden. Somit können elek­ trische Durchbrüche und Zuverlässigkeitsprobleme am Gate- Dielektrikum verhindert werden. Gleichzeitig kann die ferro­ elektrische Schicht 17 bis zu ihrem maximalen Wert polari­ siert werden, was zu einer Verbesserung in der Datenhaltung führt. Für die ferroelektrische Schicht 17 kommen daher alle für den Einsatz in mikroelektronischen Bauelementen geeigne­ ten ferroelektrischen Materialien, die PZT, SBT oder verwand­ te Materialien, die durch Dotierung mit anderen Stoffen oder durch das Ersetzen eines Elementes durch ein anderes entste­ hen, in Frage.
Die hohe remanente Polarisation von ferroelektrischen Stof­ fen, die unter verschiedenen Gesichtspunkten wie Fatigue, Im­ print, etc. optimiert sind, und die damit verbundenen hohen Ladungsdichten führen bei diesen ferroelektrischen Transistor zu keinerlei Problemen mit der Transistorstruktur.
Der oberhalb des ersten Bereichs 131 angeordnete Teil der zweiten Elektrode 18 wirkt in dem Transistor als Gateelektro­ de. Er ist unmittelbar an der Oberfläche der ersten dielek­ trischen Schicht 14, die in diesem Bereich als Gatedielektri­ kum wirkt, angeordnet. Im Vergleich zu bekannten ferroelek­ trischen Transistoren hat dieses den Vorteil, daß zwischen der Gateelektrode und dem Gatedielektrikum keine weiteren Ka­ pazitäten in Reihe geschaltet sind. Auch zwischen die ferro­ elektrische Schicht 17 und die erste Elektrode 16, die als erste Polarisationselektrode wirkt, und die zweite Elektrode 18, die als zweite Polarisationselektrode wirkt, sind keine weiteren Kapazitäten geschaltet, über die ein Teil der Span­ nung abfallen würde, die zur Polarisation zwischen die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 angelegt wird. Im Vergleich zu bekannten ferroelektrischen Transistorstrukturen kann die ferroelektrische Schicht 17 in diesem ferroelektri­ schen Transistor problemlos polarisiert werden. Es sind klei­ nere Programmierspannungen als in bekannten Anordnungen er­ forderlich. Der ferroelektrische Transistor ist mit nur drei Anschlüssen realisierbar.
Zum Einschreiben oder Löschen von Informationen wird eine entsprechende Schreib- oder Löschspannung an die erste Elek­ trode 16 und die zweite Elektrode 18 angelegt. Dadurch wird die ferroelektrische Schicht 17 polarisiert.
Zum Auslesen von Informationen wird an die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 die gleiche Spannung angelegt. Dadurch fällt über der ferroelektrischen Schicht 17 keine Spannung ab. Dadurch wird ein nicht-zerstörendes Auslesen ge­ stattet.
In Anwendungen, in denen zum Auslesen der Information unter­ schiedliche Spannungen an die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 angelegt werden sollen, ist es vorteil­ haft, nach dem Auslesen zwischen die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 einen Programmierpuls anzulegen, um die gespeicherte Information durch Polarisation der ferro­ elektrischen Schicht 17 wieder aufzufrischen.
Die Lesespannung an dem zweiten Source-Drain-Gebiet 122 wird so gewählt, daß durch sie der erste Bereich 131 des Kanalge­ biets 13, der durch die ferroelektrische Schicht 17 nicht ge­ steuert wird, in Inversion gebracht und damit geöffnet wird. Die Bewertung der eingeschriebenen Information erfolgt durch eine Durchgangsprüfung zwischen dem ersten Source-Drain- Gebiet 121 und dem zweiten Source-Drain-Gebiet 122, wobei Strom nur dann fließen kann, wenn die ferroelektrische Schicht 17 derart polarisiert ist, daß das Kanalgebiet 13 au­ ßerhalb des ersten Bereichs 131 ebenfalls in Inversion ist.
Zum Ansteuern eines als Speicherzelle verwendeten ferroelek­ trischen Transistors, wie er anhand von Fig. 1 geschildert wurde, in einer Speicherzellenanordnung, werden das erste Source-Drain-Gebiet 121 und die erste Elektrode 16 über den Kontakt 111 mit einer Schreibleitung SL verbunden (siehe Fig. 2). Das zweite Source-Drain-Gebiet 122 wird über den zu­ geordneten Kontakt 111 mit einer Bitleitung BL verbunden. Die Schreibleitung SL verläuft im wesentlichen parallel zur Bit­ leitung BL. Senkrecht zur Schreibleitung SL und zur Bitlei­ tung BL verläuft eine Wortleitung WL, die mit der zweiten Elektrode 18 verbunden ist, die wiederum an die ferroelektri­ sche Schicht 17 angrenzt. In einer Speicherzellenanordnung sind eine Vielzahl untereinander parallel verlaufender Bit­ leitungen, Schreibleitungen und Wortleitungen, die in der be­ schriebenen Weise mit einzelnen ferroelektrischen Transisto­ ren verbunden sind, vorgesehen.
Zur Herstellung eines ferroelektrischen Transistors werden in einem Halbleitersubstrat 21 aus monokristallinem Silizium zu­ nächst aktive Gebiete durch Herstellung einer Isolations­ struktur nach einem LOCOS-Verfahren oder einem STI-Verfahren definiert (nicht dargestellt). Anschließend werden durch mas­ kierte Implantation ein erstes Source-Drain-Gebiet 221 und ein zweites Source-Drain-Gebiet 222 erzeugt (siehe Fig. 3). Zwischen dem ersten Source-Drain-Gebiet 221 und dem zweiten Gebiet 222 ist ein Kanalgebiet 23 angeordnet.
Auf die Oberfläche des ersten Source-Drain-Gebietes 221, des zweiten Source-Drain-Gebietes 222 und des Kanalgebietes 23 wird eine erste dielektrische Schicht 24 aufgebracht. Die er­ ste dielektrische Schicht 24 kann aus SiO2 durch Oxidation in einer Dicke von 4 bis 10 nm erzeugt werden oder durch CVD- Abscheidung aus CeO2 in einer Dicke von 5 bis 20 nm und an­ schließende Temperung erzeugt werden. Nachfolgend wird eine zweite dielektrische Schicht 25 aus Si3N4, Strontiumtitanat oder dem gleichen Material wie die erste dielektrische Schicht 24 abgeschieden und strukturiert. Das Strukturieren erfolgt durch maskiertes Ätzen. Dabei wird oberhalb eines er­ sten Bereichs 231 des Kanalgebiets 23 die Oberfläche der er­ sten dielektrischen Schicht 24 freigelegt. Ferner wird ober­ halb eines Teils des ersten Source-Drain-Gebietes 221, der an das Kanalgebiet 31 angrenzt, die Dicke der zweiten dielektri­ schen Schicht 25 auf 200 nm reduziert. Oberhalb eines zweiten Bereichs 232 des Kanalgebiets 23 bleibt die volle Dicke von 10 bis 500 nm der zweiten dielektrischen Schicht 25 erhalten.
Anschließend wird eine ferroelektrische Schicht aus PZT oder SBT durch Abscheidung in einem CVD-Verfahren in einer Dicke von 100 bis 300 nm und anschließende Strukturierung gebildet. Die ferroelektrische Schicht 26 ist an der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht 25 oberhalb des Teils des er­ sten Source-Drain-Gebietes 221 angeordnet, das an das Kanal­ gebiet 23 angrenzt (siehe Fig. 4). Durch Abscheidung von Platin und anisotropes Ätzen werden an gegenüberliegenden Seiten der ferroelektrischen Schicht 26 eine erste Elektrode 27 und eine zweite Elektrode 28 gebildet, die spacerähnlich sind (siehe Fig. 4). Die zweite Elektrode 28 erstreckt sich bis auf die freigelegte Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht 24 oberhalb des zweiten Bereichs 231 des Kanalgebiets 23 und des daran angrenzenden zweiten Source-Drain-Gebietes 222.
Zur Verbesserung der Qualität der ferroelektrischen Schicht 26 wird eine Temperung durchgeführt, die sowohl direkt nach der Abscheidung der ferroelektrischen Schicht, nach der Strukturierung der ferroelektrischen Schicht oder nach der Abscheidung von Platin stattfinden kann. Alternativ können mehrere Temperungen zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen.
Nachfolgend wird eine planarisierende Passivierungsschicht 29 durch Abscheidung einer weiteren dielektrischen Schicht aus 400 bis 500 nm und Planarisierung durch CMP (chemisch mecha­ nisches Polieren) erzeugt (siehe Fig. 5). In der planarisie­ renden Passivierungsschicht 29 werden Kontaktlöcher zu dem ersten Source-Drain-Gebiet 221 und zu dem zweiten Source- Drain-Gebiet 222 geätzt und mit Kontakten 211 versehen. Das Kontaktloch zu dem ersten Source-Drain-Gebiet 221 reicht gleichzeitig auf die erste Elektrode 27, so daß der entspre­ chende Kontakt 211 die erste Elektrode 27 mit dem ersten Source-Drain-Gebiet 221 elektrisch verbindet.
Der in Fig. 5 dargestellte ferroelektrische Transistor un­ terscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten ferroelek­ trischen Transistor nur dadurch, daß in Fig. 5 die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 25 nur oberhalb des an das Kanalgebiet 23 angrenzenden Teils des ersten Source-Drain- Gebietes 221 reduziert ist und daß die Grenzfläche zwischen der ersten Elektrode 27 und der ferroelektrischen Schicht 26 sowie der zweiten Elektrode 28 und der ferroelektrischen Schicht 26 im wesentlichen gleich groß sind. Bezüglich der Funktionsweise und der im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuter­ ten Vorteile unterscheiden sich die ferroelektrischen Transi­ storen nicht.

Claims (10)

1. Ferroelektrischer Transistor,
  • - bei dem an eine Hauptfläche eines Halbleitersubstrats ein erstes Source-/Drain-Gebiet, ein Kanalgebiet und ein zwei­ tes Source-/Drain-Gebiet angrenzen, wobei das Kanalgebiet zwischen dem ersten Source-/Drain-Gebiet und dem zweiten Source-/Drain-Gebiet angeordnet ist,
  • - bei dem eine dielektrische Schicht vorgesehen ist, die mindestens die Oberfläche des Kanalgebiets bedeckt und die Oberfläche des ersten Source-/Drain-Gebiets überlappt, bei dem an der Oberfläche der dielektrischen Schicht eine ferroelektrische Schicht angeordnet ist, die mindestens einen an das Kanalgebiet angrenzenden Teil des ersten Source-/Drain-Gebiets überdeckt,
  • - bei dem an der Oberfläche der dielektrischen Schicht fer­ ner eine erste Polarisationselektrode und eine zweite Po­ larisationselektrode angeordnet sind, zwischen denen die ferroelektrische Schicht angeordnet ist,
  • - bei dem oberhalb eines ersten Bereichs des Kanalgebiets eine Gateelektrode angeordnet ist,
  • - bei dem die Dicke der dielektrischen Schicht oberhalb des ersten Bereichs geringer als oberhalb eines zweiten Be­ reichs des Kanalgebiets ist, der unter der zweiten Polari­ sationselektrode angeordnet ist,
  • - bei dem die Dicke der dielektrischen Schicht oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzenden Teils des ersten Source- /Drain-Gebiets so bemessen ist, daß eine remanente Polari­ sation der ferroelektrischen Schicht, die parallel zur Hauptfläche ausgerichtet wird, Kompensationsladungen in dem zweiten Bereich des Kanalgebiets erzeugt.
2. Ferroelektrischer Transistor nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der dielektrischen Schicht oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzenden Teils des ersten Source-/Drain- Gebiets kleiner als die Dicke oberhalb des zweiten Bereichs des Kanalgebiets und kleiner als die Abmessung des zweiten Bereichs des Kanalgebietes parallel zur Hauptfläche.
3. Ferroelektrischer Transistor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ferroelektrische Schicht teilweise oberhalb des Kanalgebietes angeordnet ist, wobei die Dicke der dielektri­ schen Schicht oberhalb eines an das erste Source-/Drain- Gebiet angrenzenden Teils des Kanalgebietes und oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzenden Teils des ersten Source- /Drain-Gebiets im wesentlichen gleich ist.
4. Ferroelektrischer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite Polarisationselektrode und die Gateelek­ trode aneinandergrenzen und als gemeinsame Elektrode ausge­ bildet sind.
5. Ferroelektrischer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dicke der dielektrischen Schicht unterhalb der ersten Polarisationselektrode und oberhalb des an das Kanal­ gebiet angrenzenden Teils des ersten Source-/Drain-Gebiets im wesentlichen gleich ist.
6. Ferroelektrischer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dicke der dielektrischen Schicht unterhalb der ersten Polarisationselektrode und unterhalb der zweiten Pola­ risationselektrode im wesentlichen gleich ist.
7. Ferroelektrischer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die dielektrische Schicht eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht umfaßt, wobei die erste dielektrische Schicht auf der Hauptfläche angeord­ net ist und die zweite dielektrische Schicht im Bereich der Gateelektrode eine Öffnung aufweist, so daß die Gateelektrode an der Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht angeord­ net ist.
8. Ferroelektrischer Transistor nach Anspruch 7,
  • - bei dem die erste dielektrische Schicht SiO2, CeO2, ZrO2 oder Ta2O5 enthält und eine Dicke zwischen 3, 5 und 20 nm aufweist,
  • - bei dem die zweite dielektrische Schicht Si3N4, oder CeO2 enthält und oberhalb des zweiten Bereichs des Kanalgebiets eine Dicke zwischen 10 und 500 nm aufweist und oberhalb des an das Kanalgebiet angrenzenden Teils des ersten Sour­ ce-/Drain-Gebiets eine Dicke zwischen 10 und 300 nm auf­ weist.
9. Ferroelektrischer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die ferroelektrische Schicht SBT (SrBi2Ta2O9), PZT (PbZrxTi1-xO2) oder BMF (BaMgF4) enthält.
10. Verwendung eines ferroelektrischen Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Speicherzelle einer Speicherzellen­ anordnung.
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