本发明专利技术涉及通过加工引发的单轴向应变控制介电薄膜内的铁电性。一种控制集成电路设备部件铁电特性的方法，包括在衬底上成形铁电性可控的介电层；并且紧靠铁电性可控的介电层成形应力施加结构，从而通过应力施加结构在铁电性可控的介电层内引发基本单轴向的应变；其中铁电性可控的介电层包括以下中的一个或多个：铁电性氧化物层以及在没有施加应力时不会表现出铁电性质的通常无铁电性的材料层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及半导体器件，并且尤其涉及通过其中加工引发的应变控制介电薄膜内的铁电性。
技术介绍
集成铁电性材料在微电子领域具有很多当前或未来潜在的用途，包括例如铁电性场效应晶体管(FET)存储器、铁电性金属-绝缘体-金属(MIM)电容存储器以及超低功率/电压的互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路等。目前由于要求很多(例如远高于室温的铁电迁移温度(T。)、高剩余极化强度、良好的保持性、低疲劳等)，因此只有很少几种很好的用于此类应用的备选铁电性材料。一种这样的值得生产的材料是锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1J03，0〈χ〈1或者通过其化学式写为PZT)。PZT 是一种具有钙钛矿型晶体结构的陶瓷材料，其表现出明显的铁电性，即在存在电场时产生自发电极化强度(电偶极子)。但是，在微电子应用中使用PZT的一个缺点是向生产线内引入了铅(Pb)，这会造成环境问题。而且，PZT会在极化切换和累积切换循环中表现出很可观的损耗。另一种这样的铁电性材料是SrBi2Ta2O9或SBT。SBT的一种相关缺点(除了 SBT的组成具有三种金属离子的复杂性以外)涉及加工控制问题，例如高加工温度。其他可能的铁电性备选材料对于某些应用来说具有过低的迁移温度T。或者过低的自发或剩余极化强度P-例如，BaTiO3具有的T。约为120°C，这对于室温下的应用来说过于接近室温。因此，另一些方法关注的是通过引入双轴向应变来显著提高和/或调节铁电性材料的T。或匕。铁电性薄膜内的双轴向应变迄今为止已经通过铁电性材料在具有低晶格失配的衬底(例如氧化物)上的相干外延而实验性地实现。例如，BaTiO3薄膜内(通过钪酸盐衬底例如DyScO3或GdScO3上的相干外延实现)的双轴向应变能够得到比散装BaTiO3单晶体高出近500°C的铁电迁移温度T。和高出至少250%的剩余极化强度P,。在此情况下，应变是双轴向和压缩性的。另外，双轴向应变也可以通过外延在其他的铁电性材料例如PbTiO3或BiFeO3中实现。还有另一些方法关注的是通过引入双轴向应变而在通常的非铁电性材料中引发铁电性。例如,SrTiO3薄膜内(通过钪酸盐衬底例如DyScO3或GdScO3上的相干外延实现)的双轴向应变能够得到室温下的铁电性。但是，铁电性材料通过外延的双轴向应变具有其自身的局限性。例如，硅上直接外延要求将分子束外延(MBE)沉积用于高质量外延。在此，应变无法调节，并且一旦达到临界厚度应变就会弛豫。因此，只能在有限的厚度范围内获得可调的铁电性质。而且，铁电性氧化物例如BaTiO3在Si上的直接外延会因为相对于硅导带为负或者非常小的带偏移而导致很高的漏电流。
技术实现思路
在一个示范性实施例中，一种控制集成电路设备部件铁电特性的方法包括在衬底上成形铁电性可控的介电层；并且紧靠铁电性可控的介电层成形应力施加结构，从而通过应力施加结构在铁电性可控的介电层内引发基本单轴向的应变，其中铁电性可控的介电层包括以下中的一个或多个铁电性氧化物层以及在没有施加应力时不会表现出铁电性质的通常无铁电性的材料层。在另一个实施例中，一种铁电性场效应晶体管(FET)器件包括设置在栅电极和衬底之间的铁电性可控栅极介电层；以及紧靠铁电性可控介电层成形的应力施加结构，从而通过应力施加结构在铁电性可控的介电层内引发基本单轴向的应变，其中铁电性可控的栅极介电层包括以下中的一个或多个铁电性氧化物层以及在没有施加应力时不会表现出铁电性质的通常无铁电性的材料层。在又一个实施例中，一种铁电性金属-绝缘体-金属(MIM)电容器包括成形在衬底上的下电极层；电容器介电层，包括成形在下电极上的铁电性可控介电层；成形在铁电性可控介电层上的上电极层；以及紧靠铁电性可控介电层成形的应力施加结构，从而在铁电性可控的介电层内引发基本单轴向的应变；其中铁电性可控的栅极介电层包括以下中的 一个或多个铁电性氧化物层以及在没有施加应力时不会表现出铁电性质的通常无铁电性的材料层。附图说明参照示范性附图，其中相同的元件在各附图中被标记为相同图I是根据本专利技术实施例具有栅极介电层的FET的截面图，栅极介电层通过应变工程设计而铁电性可控；图2示出了成形的外延源极和漏极区域，在图I中FET的铁电性可控栅极介电层上提供了基本单轴向的应变；图3示出了根据本专利技术实施例在具有栅极介电层的FET上成形的压缩性氮化物应力层，栅极介电层通过应变工程设计而铁电性可控；图4示出了根据本专利技术的另一个实施例在具有栅极介电层的FET上成形的拉伸性氮化物应力层，栅极介电层通过应变工程设计而铁电性可控；以及图5(a)到5(d)是示出了根据本专利技术的另一个实施例成形具有介电层的MIM电容器的一系列截面图，介电层通过应变工程设计而铁电性可控。具体实施例方式本文中公开了用于通过加工引发的薄膜应变来控制介电薄膜内铁电性的方法和结构。某些示范性实施例被用于引发铁电性，其中在无应变时通常无铁电性的材料例如SrTiO3或CaMnO3在有应变时就变得有铁电性。另一些示范性实施例调节介电薄膜现有的铁电性，其中调节铁电性材料在其加工状态下的性质(T。、PJ，由此拓宽可用于微电子应用的可行材料(例如BaTiO3)的频谱以及提高现有铁电性器件(例如基于PZT的器件)的性倉泛。在本文介绍的实施例中，首先沉积在硅或其他类型半导体衬底(例如绝缘体上硅(SOI)、Ge、III/V等)上的铁电性可控材料例如通常无铁电性的材料或铁电性材料通过CMOS型技术基本单轴向地应变。如本文中所用的“基本单轴向”描述了沿表面的一个方向例如X方向或y方向引发的应变。这就与例如沿其表面在两个方向(x-y)上引发应变的双轴向应变薄膜形成了对比。但是应该理解，“基本单轴向”也可以描述主要是沿一条轴线(例如X轴)的应变，同时沿另外的轴线也有少量的、“微量的”或者非零的应变分量。另外，如本文中所述的“CMOS型”技术可以包括例如靠近硅沟道区域的源极/漏极锗化硅(SiGe)区域、氮化物内衬区域及其组合。在任何情况下，都不需要外延介电薄膜，并且压缩性和拉伸性(单轴向)应变(利用氮化硅)均可实现，而且能够调节应变水平，由此显著地调节TcJPPp在铁电性氧化物内实施加工引发的应变由此可以通过芯片技术中常见的目前用于提高晶体管沟道迁移率的集成方案实现。通过加工引发的应变调节铁电性的介电薄膜的实用实施例包括但不限于FET和MM电容器。首先参照图1，示出了成形在衬底102例如硅或SOI内的FET 100的截面图。成形在浅沟槽隔离(STI)区域104之间的晶体管包括图案化的栅电极106、邻接栅电极106的侧壁隔板108以及栅电极106和衬底102之间的栅极介电层110。在此，用于栅极介电层110的常规材料(例如二氧化硅)被包含铁电性可控层的介电叠层代替。同样地，铁电性可控 层可以是例如铁电性材料层或者是在向其施加外部应力后才表现出铁电性质的通常无铁电性的材料层。栅极介电层110内包含的铁电性可控层的非限制性示例包括BaTi03、PZT、SBT、SrTiO3 (STO)、Ba1^xSrxTiO3 (BST)、PbTi03、CaMnO3 和 BiFe03。在散装SrTiO3的情况下，氧旋转是形成无极性的反铁畸变基态的原因。铁电畸变和反铁畸变两者可以在适当的应变下共存本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.02 US 12/753,2701.一种控制集成电路设备部件铁电特性的方法，所述方法包括 在衬底上成形铁电性可控的介电层；并且 紧靠铁电性可控的介电层成形应力施加结构，从而通过应力施加结构在铁电性可控的介电层内弓I发基本单轴向的应变； 其中铁电性可控的介电层包括以下中的一个或多个铁电性氧化物层以及在没有施加应力时不会表现出铁电性质的通常无铁电性的材料层。2.如权利要求I所述的方法，其中所述铁电性可控的介电层包括以下的一种或多种材料BaTi03、Pb [ZrxTi1J O3 (PZT)、SrBi2Ta2O9 (SBT)、SrTiO3 (STO)、Ba1^xSrxTiO3 (BST)、PbTi03、CaMnO3 和 BiFeO3。3.如权利要求I所述的方法，其中所述应力施加结构包括相对于衬底不同的半导体材 料。4.如权利要求I所述的方法，其中所述应力施加结构包括成形在铁电性可控介电层上的氮化物层。5.如权利要求4所述的方法，其中所述氮化物层是压缩性氮化物层。6.如权利要求4所述的方法，其中所述氮化物层是拉伸性氮化物层。7.如权利要求I所述的方法，其中所述铁电性可控介电层被包括在场效应晶体管(FET)的栅极介电层内。8.如权利要求7所述的方法，其中所述衬底是硅衬底并且成形应力施加结构包括生长锗化硅的源极和漏极区域从而在铁电性可控介电层内引发压缩性单轴向应变。9.如权利要求7所述的方法，其中所述衬底是硅衬底并且成形应力施加结构包括生长掺杂碳的硅源极和漏极区域从而在铁电性可控介电层内引发拉伸性单轴向应变。10.如权利要求7所述的方法，其中成形应力施加结构包括在FET上成形压缩性氮化物层。11.如权利要求7所述的方法，其中成形应力施加结构包括在FET上成形拉伸性氮化物层。12.如权利要求7所述的方法，其中所述栅极介电层进一步包括一个或多个附加介电层。13.如权利要求I所述的方法，其中所述铁电性可控介电层包括金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的介电层。14.一种铁电性场效应晶体管(FET)器件,包括 设置在栅电极和衬底之间的铁电性可控栅极介电层；以及 紧靠铁电性可控介电层成形的应力施加结构，从而通过应力施加结构在铁电性可控介电层内弓I发基本单轴向的应变...
【专利技术属性】
技术研发人员：C·A·杜伯尔蒂欧，M·M·弗兰克，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，国家科研中心，
类型：
国别省市：
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