TW434905B - FEMFET-device and its production method - Google Patents
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Description
Α7 Β7 五、發明說明（） (請先間讀背面之注意事項Θ寫本頁) 本發明偽關於一種 FEMFET 元件（FEMFET= ferroelectric memory field-effect transistor),其是依據申請專 利範園第1項前言部分而構成，此種元件在E P 0 5 6 6 5 8 5 B 1.中已為人所知。 E P 0 5 β 6 5 8 5 B 1掲示一般之記億胞配置，其作為記 億胞用之場效電晶體在閘極介電質中具有一種鐵電層 (F R M F E T s )。此文件中特別建議閘極介電質以多層式介 電質來構成，其中第一 Si〇2層設置在基板上，第一 Si〇2 層_h方施加鐵電層且其上施加第二S ί 0 2層，一種例如 由多晶矽所構成之閘極電極施加於第二S i 0 2層上。 在撤電子技術中最近使用一些鐵電性材料（大部份是 0欽礦（Perowskite))來製造永久性記憶元件。由於此 種材料之自發性及剩磁性之電性上之極化現象，則可使 電荷（卽，資訊）永久性地儲存箸。鐵電性材料通常用作 電容器中之介電質或用作場效電晶體之閘極堆壘。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 具有鐵電性閘極材料之場效電晶體是構成永久性單一 雷晶體-記億胞（其具有極短之寫入時間，拭除時間（相 對於EEPROHs而言）及讀出時間）所需之原始基本元件。 由於場效電晶體之通道上方之此種鐵電性材料之剩磁性 極化現象以及由此所發出之電場，則不同之狀態（例如 ，反相（invers丨on)或累積（accumulation))可儲存在鐵 電性材料下方之半導體基板（通道）中。電晶體之操作狀 態和導電性因此可藉由鐵電質而永久性地改變。可思考 成下述情況：可利用此種組件來儲存資訊或區別不同之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 434&§m A7 _B7_五、發明說明（2 ) 邏輯狀態。資訊之儲存是Μ由施加一種足夠大之電壓至 鐵雷性材料來達成。這樣可以適當之方式來改變此種材 料之極化現象。本發明之目的是直接在通道區上方（即，直接在半導體 基板上）沈積鐵電性材料，以便使工作中之電晶體保持 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 能 功 之 件 害 損 會 性 特 0 面 性界 電之 之良 奸不 良 或一 層保 一 確 置可 設面 外方 另 一 間層 之些 料這 材 〇 性丨 電 鐵 和 板 基 在 議 建層 I ， ljfs· 此介 因層 多 層 緩 介 胃 i-n 所 對 性 ΠΠ 特 ί 之 Μ ^Ε®Λ 電 。(1 之性數 好特常 良之電 保件介 確組之 可響大 此影很 因 會 種 ，不 一 面能有 界可具 之儘常 矽是通 至而料 之方材 好一性 夠另.電 足但鐵 種 ， 至 百 數 是 值 其 中 體 晶 電 效 Γ,場 e 性 數電 常鐵 電在 介 和 層 1_ιίίίΐ 緩 霞 SR 介 板 基 體 導 半 。緩 路電 g&VI -¾ S/ 瑕 . 串變 之改 成來 構壓 所電 容之 i hr IpDT Jo 之，很 小以 大可 同此 不因 由化 種椁 一 之 成料 形材 質性 8 K 鐵鐵 度 厚 層 之 小 很 及 以 會 都 份 Β· 0 大 絶 的 壓 電 ε 之 之上 大合 且 可層 儘種 種 此 1 於 有加 具施 需種 此一 因刖 層 否 種 · 較 〇 成險 造危 會之 樣穿 這擊 ，性 上電 層生 電發 鐵中 於層 降各 下使 會 會 不及 而以 上 壓 層雷 間化 中式 於稃 降之 下大 gic電 界 s S 使 的之 β - < 而 Mi 之有降 層程壓 間製電 中與之 _種大 一 較 I-- 成 1-形£ 或之 2 小 io較 其 於 由 會 板 基 _ 導 半 在 免S1 避之 須然 : 自 意種 2 注 一 ο 須成si 是形為 別上因 特而 ， 壓 電 化 式 程 之 大 較 成 造 會 樣 這 即 化 劣 性 特 之 體 晶 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項h寫本頁) . -線. 3490 A7 B7 五、發明說明（） 為了避開此種問題，則建議使用較大介電常數之穩定性 氣化物（例如，C e 0 2 , Y 2 0 3或Z r 0 2 )以作為介電緩衝 廣，' 上述習知方式中之缺點已證實：在鐵電性材料之各成 份和半導體基板之間所發生的擴散過程同樣會大大地使 雷晶體之待性劣化，，此種問題可藉由介電缓衝層之層厚 度d之提高夾克服，但這樣仍然會如上所述一般而增大 霉件擊穿之危險性。 本發明之目的因此是改良本文開頭所定義之F E M F E T元 件，以便消除一呰干擾性之擴散過程而不會使電晶體之 電件劣化。 依據本發明，上逑目的是由申請專利範圍第1項之F E M F Ε Τ 元件以及第6項中相對應之製造方法來達成。 本發明之FEMFET元件相對於習知之解法而言所具有之 優點是：不會發生干擾性之擴散現象，同時該閛極堆疊 不須太厚。 本發明之基本理念是；閘極堆疊具有至少一種薄的擴 散位障層，其配置在最下方之鐵電層和半導體基板之間 須依據所使用之鐵電質來構成此種薄的擴散位障層， 使其可防止各成份由鐵電層往外擴散至半導體基板中。 申請專利範圍第1項中所述之F E H F Ε Τ元件之有利之其 它形式及改良可參閲申請專利範圍各附層項。 依據較佳之形式，上述之擴散位障層具有一種氮化矽 層。 -5 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公釐） ---------------裝—— (請先閱讀背面之注意事項t寫本頁) . -線_ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
A7 _B7_ 五、發明說明（4 ) 依據其它較佳之形式，此種氤化矽層直接設置在半導 體基板上。一般之識雷質電晶體只使用陶瓷氣化物作為 介雷質中間層。氮化矽在與基板之先前已進行之淨化過 稈（去除自然之氧化物）結合時就新材料之狀態而言可提 供許多優點：恃別是界面之良好品質，足夠大之相對之 介電常數以及在很小之層厚度時可優越地作為擴散位障 用，、 依據其它較佳之形式，在閘極堆蠱中在鐵電層和半導 體基板之間至少設置一層介電緩衝.層，.，因此在同時具有 擴散持續性時可提供閛極堆疊之電容。 依據其它較佳之實施形式，介電緩衝層直接設置在半 導體基板上c·這在介電緩衝層和半導體基板具有良好之 界而特性時是適當的。 本發明之實施例顏示在各圖式中且説明於下。 圖式簡單説明： 第].圖 依據本發明第一實施例之F E M F E T元件之圖解。 第2圖 依據本發明第二實施例之FEMFET元件之圖解。 在這些圖式中相同之參考符號表示相同或功能相同之 元件。 第1圖是本發明第一實施例之F E M F Ε Τ元件之圖解。 在第1圖中，10表示半導體基板，S是源極區，D是 汲極區，Κ是通道區，G S是閘極堆叠，5 0是擴散位障層 ,F Ε!是鐵電層，G Ε是閘極電極。 在第一實施例之範圍中，建議一種由較高純度之界面 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------I · 1 I (請先閱讀背面之注意事項b寫本頁〕 訂：
A 經濟部智慧財產局員工消費令作社印製 3 4. A7 B7 五、發明說明（ 。！：氣 0 ^ 0障If酸^ ^ 0 散fi 擴除以 為去能 作在時 以 .} 2 合中 ο 組具 S 之 Η 成二 0 e /Ί 开 t=% 〒 S 氣 所 U ) .— ^ 4(cs “5S;之 13集上 (S串10 矽之板 化代基 氛現體 和在導 間 之 驟 步 個二 此 在 會 不 而 用 作 所 氣 大 之 用 4 K 化 3 氯 ♦LcHn S 種 積一 fc y SS 0 接受 S1 上板 而基 表體 板導 基半 在使 可 是 於 物 化 ， m02 心ce _ ( _τΐ~*ί·.: W物 員 I b 不ιί 而氣 而瓷 4 Ν 陶 3 用 • I S 使 積在 沈這 接 -直成 上形 10之 板9) 基 ο 體si 導是 半 別 在特 或 的 生 發 會 是 時 和 時 較 士 較 這 r e 之 9 7 約 大 有 具 倍二 大 者 較 會 比 因 0 電 化 式與 程si 之時 體同 晶 〇 電倍 ，二 下小 件時 條層 同間 相中 它為 其作 在 2 好 還 質 品 的 而 界 之鐵 間和 之10 物板 化基 氣體 瓷導 陶半 與在 矽 4 較 N 3 會 I 質S 品 ， 之 面 界 的 間 之 外 此 此面逹 加界了 施的為 在間。 且之響 障層影 位障所 散位份 擴散成 之擴散 好和擴 良矽可 為。之 極化料 種氣材 1 被性 是 會 電 間不鐵 之平到 FR幾受 料時會 材料不 性材此 電種 因 ηπ擴 個為 數作 /IV 矽 化 氮 以 其 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 造 製 薄:|之 常 非 成 作 可造 矽製 化之 氮體 . 晶 壓電 電 質 化電 式鐵 程種 之此 小Η層 常 1 障 非第位 到 散 統 傳 似 類 常 bh TTTs 面 .方 它 其 在
區 S形 L0盆 由些 藉 一 上入 板植 基在 之 0 性區er 電動St 導主IV 半非(C 或氣 FM Η 用 具 Η 術 技 後 之 蒸 & 式卩 肋" i R & 隹3 ΐ串 2 些丨露 以 一 D裸 定U使 界卩氣 在 Ρ Ϊ 區 面 表 化 淨 已 在 序 程 4 D Ν V C 3 msi 或' ϊ / /匕 及彳 氮 法I Ϊ之 N 密 RT濃 1¾ 種 如一 例積 後沈 然熱 0 上 化而 淨表 被之 望 期 所 至 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（） 之厚度而不會使基板在此段時間中受到一種氧化用之大 氣所作用。然後例如以一段式或多段式之溶膠（S 〇 1 G e 1 ) 方式或以C V D程序來沈積鐵電性材料（例如，钽酸緦鉍 (S B T )或鈦酸鉛锆ί P Z T )).巨Μ由隨後之退火步驟而進入所 期望之鐵電件相位（p h a s e )中。在對此種材料進行結構 .化之後棺人源極和汲極且藉由一種適當之電極材料來達 成接觸作用。 鐵電性材料同時平坦地與此種電極材料相接觸，這樣 耶可産生源極，汲極和閘極用之各接點。 第2圖是本發明第二實施形式之FEMFET元件之圖解。 在第2圖中除了上述之各參考符號之外，60表示一種 介雷鍰衝層。 在第二實施形式中，在擴散位障層50上施加一種介電 緩衝層6 0。這樣所具有之優點是：鐵電層F E下方之層可 以較厚之方式構成，但氤化矽之良好特性，恃別是由於 不同之電容所形成之串聯電路之電性，可進一步獲得改 房或至少不會劣化。 由於較厚之層具有相同之電容，則此層上之電壓降可 保持定值自.此層所受到之場強度因此可降低。 可靠性以及電性上之擊穿特性因此可有利地受到影響 。這是可能的，因為氣化物（例如C e 0 2 )之相對介電常 數6：广=20-25.這較氮化矽之£「還大2.5倍且因此可在 相同之有效電容時以較厚之方式構成。 雖然本發明先前是依據較佳之實施例來描述，但其並 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--- (請先閱讀背面之注意事項l^r本頁) 訂_ .線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 434§ A7 B7 五、發明說明（7 ) 不限於這呰實施例，而是可以不同之形式來修正。 例如此穗由介電緩衝層和擴散位障層所構成之序列是 可反向的，使介電緩衝層位於基板上而擴散位障層位於 介霄德衝層上。 亦可琛取一種三明冶結構，其具有交替配置之介電緩 衝餍粕擴散位障層。 半導體基板此種”概念”是以一般性之意義來解釋，因 此可表示單晶之晶圓基板或盆形之基板，磊晶式基板等 等。 可使用所有適合用來去除自然氣化物之方法來淨化基 板，、 符號之説明 (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝 _ 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10... 導 am 體 基 板 S…. 極 區 …敢 極 區 K .… …ΐΐ 道 區 G S… …間 極 堆 餐 50… 散 位 障 層 FE ... …鐵 電 層 G R… 極 電 極 6 0... …A 電 緩 衝 層 -9 - -線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
Claims (1)
- .ο;, ϋ 4 34 0988ΰ ABCD 六、申請寻利範圍 1.. 一種FEMFET元件，其包括： -一値半導體基板（1 0 ); -至少一個設置在半導體基板（1 0 )中之場效電晶體（S , I) . K , G S ),其具有一個源極區（S ),汲極區（D ),通道 區（K )和閘極堆# ( G S ); -閫極堆# i G S )至少具有一種鐵電層（F E );其特徽為： 閛極堆# ( G S )具有至少一層薄的擴散位障層（5 0 )， 其是配詈在最下方之鐵雷層（FE)和半導體基板（10)之 間目其構成方式須使其可防止各成份由鐵電層（F Ε )往 外擴戢至半導體基板（1 0 )中。 2 .如申請專利範圍第1項之F E M F Ε Τ元件，其中擴散位障 層（5 0 )具有一種氮化矽層。 3 .如申請專利範圍第2項之F E M F Ε Τ元件，其中氪化矽層 首接設置在半導體基板（10)上。 4 .如申請專利範圍第1 , 2或3項之F E H F Ε Τ元件，其中在 閛極堆# ( G S )中在鐵電層（F Ε )和半導體基板（1 〇 )之間 設看牵Φ —層介電緩衝層（6 0 )。 5 .如申請專利範圍第4項之F Ε Μ卩Ε Τ元件，其中介電緩衝 層（6 0 )直接配置在半導體基板U 〇 )上。 6 .—種如申請專利範圍第2項所述之FEMFET元件之製造 方法.其特徽為：位於半導體基板（1 〇 )上之自然氧化 物以蝕刻程序來去除且隨後以同次（i n s i t u )之方式 沈積氤化矽層，此時半導體基板（10)不會受到氧化用 之大氣所影響。 -1 0 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） --------------裝--- * = \] (請先閱讀背面之注意事項一Lj寫本頁) - .線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 種FEMFET元件之製造方法，此種FSMFET元件傺指申 者ί. 述米 所奈 項個 一 數 任以 中是 項0) 5 5 ( 第層 至障 1 位成 第散製 圍擴來 範：度 利為厚 專微之 請待中 之 法 方 本 圍 *-B \1/ (請先閱讀背面之注意事項'iiv寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐）
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