專利名稱：一種基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬存儲器件領(lǐng)域，涉及基于場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的非破壞性讀取的非揮發(fā)存 儲器件。尤其涉及一種基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的 存儲器單元。
背景技術(shù)：
IT產(chǎn)業(yè)中存儲器件的產(chǎn)品占據(jù)了整個市場的四分之一，其中以非揮發(fā)閃存 器件FLASH的發(fā)展逐漸成為主流。這種存儲器件的優(yōu)點是存儲密度高、數(shù)據(jù)讀取 速度快、成本低，但是它的缺點是數(shù)據(jù)的擦寫操作速度慢( ms量級)、電壓高 ( 7V)和持久性差( 105循環(huán))，很難完全替代目前市場上的EEPR0M、 SRAM 和DRAM等，限制了該產(chǎn)品未來的發(fā)展。
快閃存儲器件主要有兩種類型， 一種是浮柵型，基本結(jié)構(gòu)是金屬/氧化硅/ 金屬浮柵/氧化硅/硅場效應(yīng)管，另一種是電荷俘獲型，基本結(jié)構(gòu)是金屬/氮化硅/ 氧化硅/硅場效應(yīng)管。兩種器件存儲、讀取數(shù)據(jù)的原理是一致的，只是前者是把 電荷存儲在金屬浮柵中，而后者是把電荷存儲在氮化硅/氧化硅界面陷阱中。這 兩種構(gòu)造都會導(dǎo)致相當(dāng)一部分的外電場加在了對注入電荷沒有幫助的上層氧化 硅(或氮化硅)上，從而導(dǎo)致隧道電流變小，影響了擦寫操作速度(一般為、s 量級)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的非破壞性讀取的非揮發(fā)存儲器件。 尤其涉及一種基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元。
具體而言，本發(fā)明提供了/金屬氧化物結(jié)構(gòu)替代快閃存儲器中的氧化硅/金屬 浮柵/氧化硅結(jié)構(gòu)(浮柵型)以及氮化硅/氧化硅結(jié)構(gòu)(電荷俘獲型)，利用反鐵電薄膜在外加電場下電疇迅速反轉(zhuǎn)引起極化強度迅速增大，從而使反鐵電薄膜的 電容迅速變大，于是外加電場幾乎全部加在金屬氧化物層上，使起注入電荷作用 的隧穿電流比起快閃存儲器有顯著增大，所以金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的編程、檫除速度要快很多。在外加電場撤去后，反鐵電薄膜的剩余極 化為零，電容會重新降初始值，從而不會影響器件閾值電壓的移動，所以不會影 響數(shù)據(jù)的讀取。由于柵壓幾乎全部降落在金屬氧化物層，阻擋層的厚度(金屬氧 化物層)可以適當(dāng)加厚，從而加強了器件的保持特性，這也是相比快閃存儲器的 一個優(yōu)點。
本發(fā)明的金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)在擁有FLASH 器件存儲密度高、數(shù)據(jù)讀取速度快、非破壞性讀取等優(yōu)點的同時能夠大幅提高擦 寫操作的速度(可以達到 ns量級)，是一種相當(dāng)有潛力的非揮發(fā)型存儲器件。
為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提出的金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管， 包括襯底；金屬氧化物層，反鐵電薄膜，柵電極；
所述金屬氧化物層置于半襯底表面；所述反鐵電薄膜置于金屬氧化物層遠(yuǎn)離 襯底的表面；所述柵電極置于反鐵電薄膜遠(yuǎn)離金屬氧化物層的表面；源、漏，置 于半導(dǎo)體表面兩端。
作為可選的技術(shù)方案，所述襯底選自于P型硅、N型硅、鍺、砷化鎵中的一種。
作為可選的技術(shù)方案，所述金屬氧化物選自于氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦和氧
化鈮中的一種。
作為可選的技術(shù)方案，所述金屬氧化物厚度為2 30nm。 作為可選的技術(shù)方案，所述反鐵電薄膜材料選自于鋯酸鉛、鉿酸鉛、鈮酸鈉、
磷酸二氫銨、碘酸銨及三氧化鎢中的一種。
作為可選的技術(shù)方案，所述反鐵電薄膜厚度為20 300nm。 作為可選的技術(shù)方案，所述柵電極材料選自于多晶硅、鉑、金、鋁、銥、金
屬硅化物中的一種。


附圖1A是編程過程的金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/P型硅場效應(yīng)管的器件 結(jié)構(gòu)示意圖。附圖IB是編程時電子隧穿通過金屬氧化物層，在反鐵電薄膜/金屬氧化物界 面被俘獲的能帶圖。
附圖2A是檫除過程的金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/P型硅場效應(yīng)管的器件 結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2B是檫除時空穴隧穿通過金屬氧化物層，與反鐵電薄膜/金屬氧化物界 面中的電子復(fù)合過程的能帶圖。
附圖3是金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/P型硅場效應(yīng)管的漏極電流特性 及檫除和編程后閾值電壓的變化圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng) 管存儲器件的具體實施方式
做詳細(xì)說明。 實施例1
金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/硅場效應(yīng)管的制備工藝同現(xiàn)有的MOSFET(金 屬/氧化物/硅場效應(yīng)管)工藝完全兼容，其中源、漏極可以用離子注入或者擴散 的方式實現(xiàn)，金屬氧化物層更據(jù)厚度的不同可以用原子層淀積(ALD)及物理氣 相淀積(PVD)工藝生長。反鐵電薄膜可以用金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、 磁控濺射、脈沖激光淀積(PLD)等方法制備，柵電極可以用化學(xué)氣相淀積(CVD)、 磁控濺射、電子束蒸發(fā)等工藝生長。
金屬氧化物的作用主要有三個 一、為反鐵電薄膜的淀積提供一個良好的襯 底(反鐵電薄膜不易在硅襯底是直接淀積)；二、反鐵電薄膜/金屬氧化物結(jié)構(gòu)起 隧道開關(guān)的作用；三、金屬氧化物一般是高介電常數(shù)材料，在較薄的厚度下也能 夠防止注入電荷的背隧穿以更好地貯存電荷。
反鐵電薄膜/金屬氧化物結(jié)構(gòu)隧道開關(guān)原理在一定的外加電場下(所需電 場大小和反鐵電薄膜厚度有關(guān))，反鐵電薄膜中部分電疇會迅速反轉(zhuǎn)(時間在納 秒量級)，反鐵電薄膜的極化強度也隨之增大，從而打開金屬氧化物層的導(dǎo)電通 道，使電荷能夠注入到反鐵電薄膜/金屬氧化物界面；當(dāng)外加電場撤除后，剛才 反轉(zhuǎn)的電疇又會迅速地恢復(fù)到一開始的狀態(tài)(也是納秒量級)，反鐵電薄膜的極 化強度趨近于零，金屬氧化物層的導(dǎo)電通道關(guān)閉，電荷不能再通過金屬氧化物層。
5由于反鐵電薄膜電疇反轉(zhuǎn)很快(納秒量級)，金屬氧化物層的開態(tài)和關(guān)態(tài)都是能 夠迅速達到的(納秒量級)。
金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器件通過俘獲電 荷來改變閾值電壓進而影響溝道電流大小來達到存儲數(shù)據(jù)的目的。存儲器單元結(jié) 構(gòu)需要有編程(寫)、擦除、讀取過程，下面本發(fā)明以P型硅為襯底的金屬/反鐵 電薄膜/金屬氧化物/P-Si場效應(yīng)管為例來做說明并與FLASH器件來做比較
編程(寫)過程如圖1所示，以P型硅襯底的金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化
物/P-Si結(jié)構(gòu)為例來說明編程機理。金屬柵上加正向偏壓(所需大小取決于反鐵
電薄膜和金屬氧化物層的厚度)，反鐵電薄膜部分電疇發(fā)生反轉(zhuǎn)，極化強度變大， 同時金屬氧化物層導(dǎo)通，電子穿過金屬氧化物層從p型硅襯底注入到反鐵電薄膜 /金屬氧化物界面，并能被界面中的陷阱俘獲從而貯存在反鐵電薄膜/金屬氧化物
界面。電子通過金屬氧化物層形成的電流是Fowler-Nordheim隧穿電流。
金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與FLASH中電荷俘獲型器件MN0S (金屬/氮化硅/氧化硅/硅)的寫操作類似，都是用Fowler-Nordheim隧穿電流 機制來俘獲電荷，但前者要比后者的寫入速度快很多，原因如下 Fowler-Nordheim隧穿電流的公式為
〗
(1)
其中E為金屬氧化物上的電場，d、 C2為常數(shù)(數(shù)值與襯底、反鐵電薄膜、金屬 氧化物層的厚度、材料有關(guān))。在MN0S結(jié)構(gòu)中，假設(shè)加在金屬柵上的電場為E 柵，氮化硅與氧化硅可以看作兩個串聯(lián)的電容，設(shè)氮化硅上的電場為Eh氧化硅 上的電場為E" E柵:E,+E2， E,和E2的值與d和C2的值成反比，即與相應(yīng)材料的 介電常數(shù)成反比，氮化硅的介電常數(shù)為7.8，氧化硅的介電常數(shù)為3.9，于是可 得E2=2Et=2/3E柵，由此可見有1/3的柵壓加在了氮化硅上，這部分電場對隧穿 電流沒有貢獻(隧穿電流大小只和氧化硅上電場有關(guān))。再看金屬/反鐵電薄膜/ 金屬氧化物/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，同樣的假設(shè)金屬柵上加的電場為E柵，由于反鐵電材 料的特殊性質(zhì)，在電疇反轉(zhuǎn)的同時，極化強度會變的很大，根據(jù)電介質(zhì)物理學(xué)的 知識Z)=幼￡ +尸=￡D￡T￡ (2)
其中D為電位移，P極化強度，幼為真空介電常數(shù)，fr為相對介電常數(shù)。當(dāng)極 化強度變大時，反鐵電薄膜的電介質(zhì)系數(shù)就會變大(大約從幾十變大到幾千甚至 上萬)，從而使反鐵電薄膜的電容顯著變大，因為金屬氧化物的介電常數(shù)一般只 有幾到幾十，所以這時反鐵電薄膜的電容要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬氧化物層的電容，此時 E柵幾乎全部加在金屬氧化物層上，在相同的柵壓下，金屬氧化物層上的電場為 氧化硅上的1.5倍，由(1)式可知隧穿電流會有顯著的增大。隧穿電流大就意 味著在較短時間里就能注入同等數(shù)量的電荷即寫入速度變快。
檫除過程如圖2所示，檫除的機理與編程機理類似，只是注入相反極性的 電荷，以前例來說就是往反鐵電薄膜/金屬氧化物層界面注入空穴，空穴和界面 陷阱中的電子復(fù)合達到檫除的目的?？昭ù┻^金屬氧化物層的機理與電子一樣是 Fowler-Nordheim隧穿，所以同理可知，金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)比FLASH器件的擦除過程更快。
讀取過程如圖3所示，設(shè)存儲在反鐵電薄膜/金屬氧化物層界面中的電荷 為Q，其值等于注入電流的積分，根據(jù)半導(dǎo)體器件物理的理論，存儲的電荷Q會 引起器件閾值電壓的移動，移動量為
A^—且 (3)
其中c。為柵電場撤除后反鐵電薄膜的電容值。此闞值電壓的移動量可以由
iD-ve曲線直接測量，也可用漏電導(dǎo)進行測量。閾值電壓的變化會引起溝道電導(dǎo)
的變化，當(dāng)存儲電荷為Q (此例為負(fù)電荷)后，gD域lD)—Ve曲線向右移動」VT。
讀取數(shù)據(jù)時在金屬柵上加一介于兩閾值電壓區(qū)間內(nèi)的電壓，若此時沒有存儲
電荷("0"態(tài))，則器件處于截止區(qū)，導(dǎo)電溝道沒有形成，源漏間的電流為零；
若此時有存儲電荷("r'態(tài))，則硅表面處于強反型區(qū)，導(dǎo)電溝道形成，源漏間
的電流為iD a值與柵壓以及閾值電壓有關(guān))。通過區(qū)分源漏間電流的大小來判 斷邏輯值，在前例中，源漏間有電流的是邏輯"o"態(tài)，電流值為零(或很小的)
為邏輯"1"態(tài)。對于存儲器件而言，數(shù)據(jù)保持特性是很重要的一項指標(biāo)。電荷保持特性與器 件所用的阻擋層的介電常數(shù)和厚度有關(guān)(介電常數(shù)越大、厚度越厚則越不容易漏 電，保持特性就越好)?，F(xiàn)在隨著器件尺寸的縮小，使用高介電常數(shù)材料代替氧 化硅己是一種趨勢。而金屬氧化物層就是高介電常數(shù)材料，在介電常數(shù)相同的情 況下，由于反鐵電薄膜/金屬氧化物層的電壓都降在金屬氧化物層上，所以同 FLASH器件比較，在需要相同電壓的情況下，阻擋層的厚度就可以更厚，保持特 性就會更好。
綜合上述實施例，作為存儲器件，與FLASH器件相比，金屬/反鐵電薄膜/ 金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的編程(寫)、檫除速度有顯著提高，保持特性 會比FLASH器件更好，而FLASH器件的優(yōu)點，金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半 導(dǎo)體場效應(yīng)管器件同樣具備，所以金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng) 管器件會在存儲器件領(lǐng)域會有很大的潛力。
權(quán)利要求
1、基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，包括襯底；金屬氧化物層，反鐵電薄膜，柵電極；所述金屬氧化物層置于襯底表面；所述反鐵電薄膜置于金屬氧化物層遠(yuǎn)離襯底的表面；所述柵電極置于反鐵電薄膜遠(yuǎn)離金屬氧化物層的表面。
2、 按利要求1所述的基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，所述襯底選自于P型硅、N型硅、鍺、砷化鎵中的一種。
3、 按利要求1所述的基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，所述金屬氧化物選自于氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦和氧化鈮中的一種。
4、 按利要求1所述的基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，所述金屬氧化物厚度為2 30nm。
5、 按利要求1所述的基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，所述反鐵電薄膜材料選自于鋯酸鉛、鉿酸鉛、鈮酸鈉、磷酸二氫銨、碘酸銨及三氧化鎢中的一種。
6、 按利要求1所述的基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，所述反鐵電薄膜厚度為20 300rnn。
7、 按利要求1所述的基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，其特征在于，所述柵電極材料選自于多晶硅、鉑、金、鋁、銥、金屬硅化物中的一種。
全文摘要
本發(fā)明屬半導(dǎo)體存儲器件領(lǐng)域，涉及基于場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的非破壞性讀取的非揮發(fā)存儲器件。尤其涉及一種基于金屬/反鐵電薄膜/金屬氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的存儲器單元，包括襯底；金屬氧化物層，反鐵電薄膜，柵電極；所述金屬氧化物層置于半襯底表面；反鐵電薄膜置于金屬氧化物層遠(yuǎn)離襯底的表面；柵電極置于反鐵電薄膜遠(yuǎn)離金屬氧化物層的表面；源、漏，置于半導(dǎo)體表面兩端。本發(fā)明采用反鐵電薄膜代替了傳統(tǒng)非揮發(fā)存儲器的氧化硅、氧化氮層，在擁有快閃存儲器優(yōu)點的同時，大幅提高了編程、檫除速度，改善了保持特性，更好地滿足了存儲器工業(yè)化應(yīng)用的需要，完全有潛力替代快閃存儲器件而得到廣泛的應(yīng)用。
文檔編號H01L27/115GK101593755SQ20091005320
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者江安全, 翁旭東 申請人:復(fù)旦大學(xué)