半导体装置及其制造方法与操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半导体装置及其制造方法与操作方法。半导体装置包括衬底、掺杂区域与叠层结构；掺杂区域位于衬底中；叠层结构位于衬底上；叠层结构包括介电层、电极层、固态电解质层与离子供应层。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种。半导体装置包括衬底、掺杂区域与叠层结构；掺杂区域位于衬底中；叠层结构位于衬底上；叠层结构包括介电层、电极层、固态电解质层与离子供应层。【专利说明】
本专利技术是有关于，特别是有关于具有可变阈值电压的。
技术介绍
随着半导体技术的进步，电子元件的微缩能力不断提高，使得电子产品能够在维持固定大小，甚至更小的体积之下，能够拥有更多的功能。而随着信息的处理量愈来愈高，对于大容量、小体积的存储器需求也日益殷切。目前的可擦写存储器是以晶体管结构配合存储单元作信息的储存，但是此种存储器架构随着制造技术的进步，可微缩性已经达到一个瓶颈。因此先进的存储器架构不断的被提出，例如相变化随机存取存储器(phase change random access memory, PCRAM) >磁性随机存取存储器(magnetic random access memory, MRAM)、电阻式随机存取存储器(resistive random access memory, RRAM)、导电桥式随机存取存储器(conductivebridging RAM, CBRAM)等等。然而，目前存储装置在操作效率上仍需改进。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种半导体装置，该半导体装置包括衬底、掺杂区域与叠层结构；掺杂区域位于衬底中；叠层结构位于衬底上；叠层结构包括介电层、电极层、固态电解质层与离子供应层。本专利技术还提供了提供一种制造半导体装置的方法，方法包括以下步骤:提供衬底；形成掺杂区域位于衬底中；形成叠层结构位于衬底上；叠层结构包括介电层、电极层、固态电解质层与离子供应层。本专利技术还提供了一种半导体装置的操作方法，方法包括以下步骤:提供第一偏压至上述半导体装置的离子供应层；提供第二偏压至离子供应层；第一偏压的极性是相反于第二偏压的极性。下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下:【专利附图】【附图说明】图1绘示根据一实施例的半导体装置的剖面图。图2绘示根据一实施例的半导体装置的操作示意图。图3绘示根据一实施例的半导体装置的操作示意图。图4绘示根据一实施例的半导体装置的操作示意图。图5绘示根据一实施例的半导体装置的操作示意图。图6绘示根据一实施例的半导体装置的电性图。图7绘示根据一实施例的半导体装置的剖面图。图8绘示根据一实施例的半导体装置的剖面图。【主要元件符号说明】102、102A~叠层结构；104~半导体衬底；106~介电层；108~电极层；110~固态电解质层；112~离子供应层；114~源极；116~漏极；118~控制电极端；120~带电荷载子；122~离子；124~导电介质；126~源极电极端；128~漏极电极端；130~导电层；132U32A~间隙壁；V1~第一偏压；V2~第二偏压。【具体实施方式】图1绘示根据一实施例的半导体装置的剖面图。请参照图1，叠层结构102是形成在半导体衬底104上。叠层结构102可包括由下往上依序形成的介电层106、电极层108、固态电解质层110与离子供应层112。于实施例中，固态电解质层110是实体接触在电极层108与离子供应层112之间。源极114与漏极116分别形成在叠层结构102的相反侧上的半导体衬底104中。半导体衬底104可包括硅基材、绝缘体上硅(SOI)、半导体外延层或其他合适的材料。介电层106可包括氧化物、氮化物例如氧化硅(SiO2)、氮化硅、氮氧化硅、金属氧化物、高介电常数材料、或其他合适的材料。介电层106可为单一层薄膜例如单一层氧化物薄膜、或多层薄膜例如ONO结构、或其他合适的结构。介电层106可以沉积、热氧化、热氮化等的方式形成。电极层108可包括多晶硅或金属，例如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)等适合的材料。电极层108可为单一层薄膜或多层薄膜例如TiN/TaN/WN结构、或其他合适的结构。·固态电解质层110的材质可选择具有低的电子传导性(low electronconductivity)而具有高的离子传导性(high ion conductivity)。固态电解质层110可包括氧化物、氮化物例如氧化硅(SiO2)、氮化硅、氮氧化硅、金属氧化物、高介电常数材料、或其他合适的材料。固态电解质层110可包括氧化铪(Hf-oxide)、氧化错(Zr_oxide)、或氧化钽(Ta-oxide)等。固态电解质层110可为单一层薄膜结构或多层薄膜结构。固态电解质层110可以沉积、热氧化、热氮化等的适合的方式形成。离子供应层112用以供应可移动的离子至固态电解质层110。于实施例中，离子供应层112对于离子的可溶性是大于固态电解质层110对于离子的可溶性。于一些实施例中，离子供应层112包括含有金属材料的硫属(chalcogenide)化物，例如含有铜、银、锌等金属的硫属化物。离子供应层112可包括含有金属的锗铺締化物(Germanium AntimonyTelluride ；GST)的高导电性材料，例如Cu-GST、Au-GST、Zn-GST等等。供应的离子可包括铜离子、银离子、锌离子等的金属离子。于一实施例中，可在形成介电层106与电极层108之后形成源极114、漏极116。然后，在电极层108上方形成叠层结构102其他的薄膜例如固态电解质层110与离子供应层112。于其他实施例中，亦可在叠层结构102所有的薄膜都形成之后形成源极114、漏极116。可在适当的时机进行退火步骤，例如在叠层结构102所有薄膜形成完之后以400°C进行退火20分钟。根据实施例的半导体装置的制造方法简单、叠层结构的设计也能减少半导体装置的制造面积，有助于微缩化的发展。举例来说，叠层结构中的各薄膜可微缩至5nm节点(node)的临界尺寸。例如5nm节点的固态电解质层中的电中性原子储存不会发生库伦阻塞效应(coulomb blockade effect),能提高装置的操作效能。于实施例中，半导体装置可视为合并晶体管(transistor)与电化学(electrochemical ；EC)装置构成的非易失性存储器(nonvolatile memory)。换句话说,半导体衬底104、介电层106、电极层108、源极114与漏极116构成的装置结构可视为晶体管。电极层108、固态电解质层110与离子供应层112构成的结构装置可视为电化学装置。于实施例中，电极层108是用作浮动栅极电极，离子供应层112是用作控制栅极电极。换句话说，叠层结构102中只有离子供应层112耦接至控制电极端118。电极层108是浮接。半导体衬底104、介电层106与电极层108构成固定电容的装置结构。于实施例中，电极层108、固态电解质层110与离子供应层112构成可变电容的装置结构。举例来说，半导体装置的操作方法包括编程、读取与擦除等的步骤。请参照图2，编程半导体装置的方法可包括从控制电极端118提供第一偏压Vl至半导体装置的离子供应层112。举例来说，第一偏压Vl为正偏压，例如正偏压脉冲，这可相对于半导体衬底104而论，例如半导体衬底104接地。请参照图2，提供第一偏压Vl的步骤造成半导体衬底104中的带电荷载子120隧穿过介电层106 (亦即用作隧穿层)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，包括：一衬底；一掺杂区域，位于该衬底中；以及一叠层结构，位于该衬底上，该叠层结构包括：一介电层；一电极层；一固态电解质层；以及一离子供应层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰旻，林旻佑，李明修，
申请(专利权)人：旺宏电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71