具有成分分级的铁电材料的铁电场效应晶体管及其制造方法技术

一种非易失性非破坏性读出的铁电ＦＥＴ存储器（１０，４０，６０，８０，１００，１２０，１３０，１６０）包括半导体衬底（１９）、铁电功能梯度材料（“ＦＧＭ”）薄膜（２６，５０，７０，９０，２０，１４０，１７０）和栅电极（３０）。在一个基本实施例中，铁电ＦＧＭ薄膜（２６，５０，７０，９０，２０，１４０，１７０）包括铁电化合物和介电化合物。介电化合物具有比铁电化合物低的介电常数。在薄膜中铁电化合物有浓度梯度。在第二基本实施例中，ＦＧＭ薄膜（２６，５０，７０，９０，２０，１４０，１７０）是功能梯度铁电体（“ＦＧＦ”），其中铁电化合物的合成的梯度导致反传统磁滞行为。ＦＧＦ薄膜的反传统磁滞行为与铁电ＦＥＴ存储器中的扩大的存储窗相关。ＦＧＭ薄膜（２６，５０，７０，９０，２０，１４０，１７０）优选地使用液体源ＭＯＤ方法形成，优选是多源ＣＶＤ方法。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种铁电场效应晶体管，尤其涉及利用这种晶体管的铁电存储器及制造这种晶体管和存储器的方法。问题陈述已知自从20世纪50年代以来，只要能制造出实际应用的铁电存储器，它将提供快速、致密的非易失性存储器，该存储器能在相对低的电压下工作。请参看Orlando Auciello等人的文章，该文章题目为“铁电存储器的物理性质”，登载在杂志“今日物理”1992年7月号的第22到27页上。今天研究的主要类型的铁电存储器是非易失性铁电随机存取存储器或NVFRAM。NVFRAM的一个缺点是在读出它的过程中，它持有的信息被破坏，从而读出功能必须跟随有再写入功能。跟随有再写入的破坏性读出通常要求以两个晶体管和两个电容器(“2T-2C”)来操作存储器，这降低整个电路的密度和效率，也导致制造成本增加。但是至少40年前已经提出假设，即可能设计一种非易失性非破坏性读出(“NDRO”)存储器，其中存储器元件是单一的铁电场效应晶体管(“FET”)，从而降低传统2T-2C操作的至少一部分的复杂性，请参考Shu-Yau Wu的题目为“新型铁电存储器器件、金属一铁电一半导体晶体管”的文章，该文章登载在1974年8月出版的IEEETransaction On Electron Device的第499到504页；还参考S.Y.Wu的题目为“金属一铁电一半导体晶体管的存储记忆和切换行为”的文章，该文章登载在1976年出版的“Ferroelectrics”的第11卷第379到383页；参考J.R.Scott,C.A.Paz de Araujo和L.D.McMillan的题目为“集成铁电体”的文章，该文章登载在1992年出版的“CondensedMatter News”的第1卷第3期第15到20页。由于在Wu的早先的器件中测量的铁电存储效应仅是暂时的单一态效应而不是长期的双态效应，现在相信这个效应是电荷注入效应而不是由于铁电切换引起的效应。已有技术中熟知的结构是所谓的金属-铁电-半导体FET(“MFS-FET”)，其中铁电氧化物被形成在半导体衬底上，金属栅电极被放置于铁电氧化物上。当铁电薄膜如PZT直接被形成于半导体衬底如硅上时，高泄漏电流、低记忆次数和疲劳是常见的问题。技术上通常相信其中一些是铁电氧化物与硅之间的较差的界面产生的结果。较差的界面可能是晶体铁电氧化物与硅的晶格和热系数之间的不兼容带来的结果。而且，在铁电氧化物薄膜直接电连接于晶体管栅电极的栅电极氧化物层时，难以对铁电薄膜施加足够的电压来转换它的极性。铁电薄膜和栅电极氧化物可被视为串联的两个电容器。铁电薄膜的介电常数(通常是100-1000)远高于常规的栅电极氧化物的介电常数(通常是大约3-5)。结果，大部分的压降发生在低介电常数材料两端，需要超高工作电压来切换铁电薄膜的极性。这会导致电路中的栅电极氧化物和其它材料的电击穿。而且，超出3-5V的高工作电压将使器件与传统的集成电路技术不兼容。为减少界面问题，设计了结构，其中在沉积铁电层和栅电极之前绝缘氧化层如CeO2或Y2O3被溅射沉积在半导体衬底上。技术上把这种结构称为金属-铁电-绝缘体-半导体FET(“MFIS-FET”)。最近，有报告说MFIS-FET器件呈现出真正的铁电存储行为。参考Tadahiko Hirai等人的题目为“带有CeO2缓冲层的金属/铁电/绝缘体/半导体结构的形成”的文章中，该文章登载在1994年9月出版的杂志“Japan Journal of Applied Physics”的第33卷第1部分第9B期的第5519-5222页中；参考Tadahiko Hirai等人的题目为“带有CeO2缓冲层的金属/铁电/绝缘体/半导体结构的特性”的文章中，该文章登载在1995年8月出版的杂志“Japan Journal of Applied Physics”的第33卷第1部分第8A期的第4163-4166页中；参考Yong Tae Kim等人的题目为“用于金属铁介电体半导体场效应晶体管的Pt/SrBi2Ta2O9/CeO2/SiO2/Si结构的存储窗”的文章中，该文章登载在1997年12月15日出版的杂志“Applied Physics Letters”的第71卷第24期的第3507-3509页中；并参考1998年4月28日授予JongMoon的美国专利No.5.744,374中。相信位于硅衬底上的在衬底与铁电薄膜之间的绝缘层避免了由铁电-半导体界面引起的问题。尽管使用绝缘层解决了MFIS-FET和其它结构上相关的存储器中的界面问题，用于切换铁电材料的极化的不充足的电压的问题仍存在。相关的问题是很多传统的铁电材料的极化充电不足以用于可靠的存储器工作。铁电材料的极化充电对于在存储二进制位信息时正确地使用铁电功能是必须的。极化充电可被表示为临界电压移动，或“存储窗”，ΔV，通过在铁电电容器的标准电容一电压测量期间测量向后和向前扫描的之间的最大电压差来计算。在已有技术的铁电FET器件中测量的存储窗通常小于1伏特，这使得存储器件进行不期望的极化切换和不可靠的信息存储。解决方案本专利技术通过提供新颖的铁电非破坏性读出(“NDRO”)存储器件和制造这种存储器件的方法而解决了上述问题。本专利技术的器件是具有铁电功能(functional)梯度材料(“FGM”)或功能分级的(graded)材料的薄膜的铁电FET。在本专利技术的一个基本实施例中，FGM薄膜包含有铁电化合物和介电化合物，其中介电化合物具有小于铁电化合物的介电常数的介电常数。铁电FGM薄膜的特征在于在FGM薄膜的区域之间的铁电化合物的摩尔浓度梯度。浓度梯度可以是逐渐的，或是台阶式的。通常，铁电FGM薄膜中的介电化合物也有一种浓度梯度，在某种意义上往往与铁电化合物的梯度方向相反。作为功能梯度的结果，铁电FGM薄膜的整个介电常数低于没有介电化合物的情况。因此，可用于切换极化的在铁电FGM薄膜的两端可利用的压降相应地较大。但是同时，铁电FGM薄膜的铁电性能保留。从而在第一基本实施例中，包含铁电FGM薄膜的铁电FET也用作铁电非易失NDRO存储器。在第一基本实施例中，当介电化合物的浓度在铁电FET的铁电FGM薄膜与半导体衬底的界面附近高时，那么介电化合物也用作界面绝缘材料，减少在一些铁电化合物例如铁电金属氧化物紧密靠近半导体衬底如硅时引起的界面问题。在本专利技术的第二基本实施例中，FGM薄膜是功能梯度铁电(“FGF”)，或功能上分级的铁电薄膜。在FGF薄膜中，多种铁电化合物的浓度在薄膜两端变化。通常，一类具有相似的晶体结构的化合物中的多种铁电化合物的摩尔浓度在FGF薄膜两端变化。不同化合物的变化浓度是薄膜两端的一种或多种类型的金属的相对量的变化导致的结果。例如，FGF薄膜可包含金属类型的锶、铋、钽和铌，其相对摩尔比例相应于概括出来的化学计量式SrBi2(Ta1-xNbx)2O9，这里x的范围是0≤x≤1。概括出来的化学计量式表示一类带有类似的晶体结构的铁电成层的超晶格材料化合物。相应于x的值变化的钽和泥巴的浓度梯度表示铁电化合物的功能梯度。术语“金属类型”和类似的术语指的是相应于来自化学元素周期表的化学元素的一种类型的原子。例如，钛、锌、钽、铌和镧是5种不同类型的金属。根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有半导体衬底（９）、铁电薄膜和栅电极（３０）的铁电ＦＥＴ（１０，４０，６０，８０，１００，１１０，１２０，１３０，１６０），其特征在于所述铁电薄膜是铁电ＦＧＭ薄膜（２６，５０，７０，９０，２０，１４０或１７０）。

【技术特征摘要】
US 1999-4-29 09/301,8671．一种具有半导体衬底(9)、铁电薄膜和栅电极(30)的铁电FET(10,40,60,80,100,110,120,130,160)，其特征在于所述铁电薄膜是铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140或170)。2．根据权利要求1的铁电FET，其特征在于所述铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140或170)位于所述半导体衬底(9)以上，所述栅电极(30)位于所述铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140或170)以上。3．根据权利要求1的铁电FET(80,100,110,120,130,160)，其特征在于栅氧化层(82)位于所述半导体衬底(9)上。4．根据权利要求3的铁电FET(80)，其特征在于绝缘层(84)位于所述栅氧化层(82)上。5．根据权利要求1的铁电FET，其特征在于所述铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140,170)包含符合铁电化合物的化学计量式中相对摩尔比例的第一金属原子部分和符合介电化合物的化学计量式中相对摩尔比例的第二金属原子部分，所述介电化合物具有小于所述铁电化合物的介电常数，所述铁电FGM薄膜(26)具有所述第一金属原子和第二金属原子部分的功能梯度。6．根据权利要求5的铁电FET，其特征在于所述铁电化合物是铁电金属氧化物。7．根据权利要求6的铁电FET，其特征在于所述铁电金属氧化物是铁电成层超晶格材料。8．根据权利要求7的铁电FET，其特征在于所述第一金属原子包括金属锶、铋、钽和铌。9．根据权利要求8的铁电FET，其特征在于所述第一金属原子包括符合化学计量式SrBi2+y(Ta1-xNbx)2O9的相对摩尔比例的金属锶、铋和钽，其中0≤x≤1,0≤y≤0.20。10．根据权利要求9的铁电FET，其特征在于所述铁电金属氧化物是ABO3型钙钛矿。11．根据权利要求10的铁电FET，其特征在于所述第一金属原子包括铅、锆和钽。12．根据权利要求11的铁电FET，其特征在于所述第一金属原子包括以一般的化学计量式Pb1+y(Zr1-xTix)O3表示的相对摩尔比例的铅、锆和钽，其中0≤x≤1,0≤y≤0.1。13．根据权利要求5的铁电FET，其特征在于所述介电化合物包括从ZrO2,CeO2,Y2O3或Ce1-xZrxO2组成的群中选择出的一种氧化物，其中0≤x≤1。14．根据权利要求1的铁电FET，其特征在于所述铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140或170)是FGF薄膜，所述FGF薄膜包含符合多个铁电化合物的化学计量式的相对摩尔比例的金属原子部分，所述FGF薄膜有所述金属原子部分的功能梯度。15．根据权利要求14的铁电FET，其特征在于所述铁电化合物是铁电金属氧化物。16．根据权利要求15的铁电FET，其特征在于所述铁电金属氧化物是ABO3型钙钛矿。17．根据权利要求16的铁电FET，其特征在于所述类型的金属原子是铅、锆和钽，并且所述化学计量式以一般的化学计量式Pb(Zr1-xTix)O3表示，其中x的值相应于所述功能梯度而变化并且0≤x≤1。18．根据权利要求17的铁电FET，其特征在于0.25≤x≤0.45。19．根据权利要求15的铁电FET，其特征在于所述铁电金属氧化物是成层超晶格材料。20．根据权利要求19的铁电FET，其特征在于所述类型的金属原子包括锶、铋、钽和铌。21．根据权利要求11的铁电FET，其特征在于所述化学计量式以一般的化学计量式SrBi2(Ta1-xNbx)2O9表示，其中x的值相应于所述功能梯度而变化并且0≤x≤1。22．一种具有半导体衬底(9)、铁电薄膜(26,50,70,90,20,140或170)和栅电极(30)的铁电FET，其特征在于所述铁电薄膜包括具有反传统磁滞行为的铁电材料。23．根据权利要求22的铁电FET，其特征在于所述铁电材料包括铁电金属氧化物。24．根据权利要求23的铁电FET，其特征在于所述铁电金属氧化物包括ABO3型钙钛矿。25．根据权利要求23的铁电FET，其特征在于所述铁电金属氧化物包括成层超晶格材料。26．根据权利要求25的铁电FET，其特征在于所述成层的超晶格材料包括符合化学计量式SrBi2+y(Ta1-xNbx)2O9中相对摩尔比例的金属锶、铋、钽和铌，其中0≤x≤1,0≤y≤0.20。27．一种制造铁电FET(10,40,60,80,100,110,120,130,160)的方法，包括制备衬底(19)和形成栅电极(30)，其特征在于形成铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140,170)的步骤。28．根据权利要求27的制造铁电FET的方法，其特征还在于所述形成铁电FGM薄膜的步骤包括步骤提供第一前体混合物和第二前体混合物；应用所述第一前体混合物到所述衬底(19)；应用所述第二前体混合物到所述衬底(19)；及处理所述衬底(19)以形成所述铁电FGM薄膜(26,50,70,90,20,140,170)。29．根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：有田浩二，卡罗斯A帕兹德阿罗，
申请(专利权)人：赛姆特里克斯公司，松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：US[美国]