专利名称：Mfms-fet和铁电体存储设备及其制造方法
技术领域：
本发明述及一种金属-铁电体-金属-基片(MFMS)的场效应晶体管(FET)和一 种铁电体存储设备，具有结构简单的特点和优良的数据保留特性。
背景技术：
目前，针对利用一种铁电体材料来获得一种晶体管和一种存储设备的广泛研究已 经持续地取得进展。图1是一个横断面图，显示利用一种铁电体材料的一个金属-铁电 体-半导体(MFS)铁电体存储设备的一个典型结构。如图1所示，源区和漏区2和3形成在一个硅基片1的预定的区域，一个铁电 体层5形成在源区和漏区2和3之间的一个沟道区4。在这种情况下，该铁电体层5包 含一种无机材料，该无机材料具有诸如pBZrXTiI-X03 (PZT)、SrBi2Ta209 (SBT)和(Bi， La) 4Τ 3012 (BLT)等等之类的特性。而且，一个源电极6、一个漏电极7和一个栅电极8布 置在源区和漏区2和3和铁电体层5的顶部。在具有上述结构的铁电体存储器中，铁电体层5具有符合通过栅电极8所施加的 电压的极化特性。因而，在源电极6和漏电极7之间有电流流动。尤其是在上述结构中，甚 至在通过栅电极8所施加的电压被切断的情况下，铁电体层5的极化特性被连续地保持。于 是，因上述结构即使不提供电容器也能够形成一个仅仅具有一个晶体管(IT)的一个稳定 的存储器，故引起了广泛的关注。然而，具有上述结构的铁电体存储器存在着下列问题。即当铁电体层5直接形成 在硅基片1上时，在铁电体层5形成期间，一个低品质的过渡层形成在铁电体层5和硅基片 之间的边界区域，铁电体层5中如Pb(铅)和Bi(铋)这样的化学元素扩散到硅基片1中， 因此难于形成一个高品质的铁电体层5。结果会发生一个问题，铁电体层5的极化特性恶化 了，即铁电体存储器的数据保留时间变得很短。考虑到上述问题，如图2所示，一个所谓的金属_铁电体_绝缘体_半导体(MFIS) 的结构的建议被提出来了。在这个结构中，于硅基片1和铁电体层5之间提供了主要由一 种氧化物构成的一个缓冲层20。但是，MFIS型式的铁电体存储器存在着某些问题。即由于形成在铁电体层5和硅 基片1之间的缓冲层20作为一个电容器，因缓冲层20所引起的一个退极化场，铁电体层5 的极化特性恶化了，因而使数据保留特性也恶化了。这就是说，图3为存MFIS结构中切断施加到栅电极8的栅电压的一种状态下表示 一个等效电路的图解。在图3中，一个电容器Cl相当于铁电体层5，而一个电容器C2相当 于缓冲层20。倘若一个电介层由一种电介质材料构成，如果外部施加的电压被切断，则内电 位被设置到0。可是，由于在切断外部电压的情况下一个自发极化，铁电体材料具有一个恒 定的极化值Q。即在图3的等效电路中，相当于铁电体层5的电容器Cl具有一个相当于极 化值Q的极化值。与此相应，在一个包括串联的电容器CI和C2的闭合回路中，在电容器C2中产生一个反向的极化场，一般通过补偿电容器Cl的极化值Q使得闭合回路的电位成为0。因为 反向极化场的方向与电容器Cl引起的极化场的方向相反，电容器Cl的极化值Q可能会连 续地恶化。在如图2所示的MFIS铁电体存储设备中，铁电体层5的极化特性由于缓冲层20 引起的退极化场而恶化并且由此造成了数据保留特性的降低。因而，即使是在一个实验室 制造的优质产品的情况下，数据保留时间也不能够多于30天。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属-铁电体-金属-基片(MFMS)的场效应晶体管 (FET)，结构简单而且数据保留特性优良，和一种铁电体存储设备及其制造方法。本发明的第一个方面是一种金属-铁电体-金属-基片(MFMS)铁电体存储设备， 其特征在于其构成一个包含源区和漏区的基片；一个在源区和漏区之间形成的通道区； 一个形成在基片的通道区的顶部上的缓冲层；一个形成在缓冲层上的铁电体层；一个形成 在铁电体层之上的栅电极，其中，缓冲层构成一种导电材料。本发明的第二个方面是一种金属_铁电体-金属-基片(MFMS)的场效应晶体管 (FET)，其特征在于其构成一个包含源区和漏区的基片；一个在源区和漏区之间形成的通 道区；一个形成在基片的通道区顶部的铁电体层；一个形成在铁电体层之上的栅电极，其 中，缓冲层构成一种导电材料。导电材料可以包含一块金属。导电材料可以包含从组成一种导电的金属氧化物、一种合金或其化合物的族群中 选择出来的一种。导电材料可以包含一种导电的有机材料。导电的有机材料可以包含一种硅化物。缓冲层可以包含一种多层结构。铁电体层可以至少包含从组成一种铁电体的氧化物、一种聚合铁电体、一种铁电 体的氟化物、一种铁电体的半导体和它们的一种溶液的族群中选择出来的一种。缓冲层包含氧化钛(TiN)，铁电体层包含(Bi，La) 4Τ 3012 (BLT)。MFMS铁电体存储设备可以进一步包括一种用于屏蔽源区和漏区以及缓冲层的绝缘层。绝缘层可以包含一种铁电体材料。根据本发明的第三个方面，提供了一种制造金属_铁电体-金属-基片(MFMS)的 铁电体存储设备的制造方法，该方法包括形成源区、漏区和通道区；在相当于基片的通道 区的区域内形成一个导电材料的缓冲层；在缓冲层的顶部形成一个铁电体层；在铁电体层 的顶部形成一个栅电极。根据本发明的第四个方面，提供了一种制造金属_铁电体-金属-基片(MFMS)的 场效应晶体管(FET)的制造方法，该方法包括形成源区、漏区和通道区；在相当于基片的 通道区的区域内形成一个导电材料的缓冲层；在缓冲层的顶部形成一个铁电体层；在铁电 体层的顶部形成一个栅电极。该方法可以进一步包括形成一种用于屏蔽源区和漏区以及缓冲层的绝缘层的步骤。
在形成铁电体层的步骤中，铁电体层可以在整个缓冲层的表面上进行覆盖。本发明的工业实用性体现在能够实现一种铁电体存储设备，该设备结构简单，具 有优良的数据保留特性并能够形成一个具有一个单晶体管结构的稳定的存储单元。
图1为表示一种传统的金属_铁电体_半导体(MFS)的铁电体存储设备的一个结 构的横断面图；图2为表示一种传统的金属_铁电体_绝缘体_半导体(MFIS)的铁电体存储设 备的横断面图；图3为一个解释如图2所示的传统结构的图解；图4为一个横断面图，表示根据本发明的第一个具体装置而具有一种金属-铁电 体-金属-基片(MFMS)结构的一个场效应晶体管或一个铁电体存储设备；图5为一个表示根据本发明的MFMS结构的铁电体特性的曲线图；图6为一个横断面图，表示根据本发明的第二个具体装置而具有一种MFMS结构的 一个场效应晶体管；图7为一个横断面图，表示根据本发明的第三个具体装置具有一种MFMS结构的一 个场效应晶体管或一个铁电体存储设备的一种结构；图8为一个过程图，解释根据本发明来制造一种场效应晶体管或一种铁电体存储 设备的一套过程。
具体实施例方式在下文中，根据附图对本发明的首选的具体装置进行描述。所提供的首选的具体 装置技术能够使得那些技术娴熟的人员能够充分地了解本发明，但在各种形式上能够作出 改进，并且本发明的范围不限于首选的具体装置。图4为一个横断面图，表示根据本发明的第一个具体装置的一种场效应晶体管或 一种铁电体存储设备的一种结构。根据本发明的铁电体存储设备具有一种金属-铁电体一金属一基片(MFMS)的结 构，不同于一种传统的金属_铁电体_金属-半导体(MFS)的结构和一种传统的金属-铁 电体-绝缘体-半导体(MFIS)的结构。如图4所示，源区和漏区2和3形成在一个硅基片1的预定的区域，一个缓冲层30 由源区和漏区2和3之间的一个通道区上的一种导电材料来形成。在这种情况下，缓冲层30可以至少包含从由以下所列的组成的族群中选择出来 的一种由导电金属如金(Au)、铝(Al)、钼(Pt)等；导电金属的氧化物如Ruo2、Ruo2/TiN、 SrRu03、YBCO, Pt/Ti02、Pt/IrOx、IrOx、TiN、ITO、SrTi03 等和它们的合金或化合物；导电 的有机物；具有一种导电聚合物作为一个基片的有机物、混合物或化合物如聚苯胺、聚(3， 4-亚乙二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)(PED0T/PSS)等；硅化物如TaSi、TiSi、Wsi、 NiWSi、PtSi、CoSi、ErSi和它们的混合物或化合物。此外，缓冲层30可以包含一种由上述导电材料形成的导电层的多层结构。一个铁电体层31形成在缓冲层30上。铁电体层31可以至少包含从由具有铁电体特性的一种铁电体氧化物、一种聚合的铁电体材料、一种如BaMgF4 (BMF)的铁电体氟化 物和一种铁电体半导体所组成的族群中选择出来的一种。铁电体氧化物可以至少包含从由下列所组成的族群中选择出来的一种钙钛矿 铁电体材料如Pb&xTil-x03 (PZT)、BaTi03和PbTi03 ；假钛铁矿铁电体材料如LiNb03和 LiTa03 ；钨青铜(TB)铁电体材料如PbNb306和Ba2NaNb3015 ；具有一个铋层结构的铁电 体材料如 SrBi2Ta209(SBT)、(Bi, La) 4Ti 3012 (BLT)和 Bi4Ti3012 ；烧綠石铁电体材料如 La2Ti207及其固溶体和铁电体材料如Rmn03、Pb3Ge3011 (PGO)和BiFe03 (BFO)，包括一种稀 土元素(R)如 Y、Er、Ho、Tm、Yb 和 Lu。此外，聚合铁电体材料可以至少包含从由聚乙二烯氟化物(PVDF)、PVDF聚合物、 PVDF共聚物、PVDF三元共聚物还有奇数尼龙、氰基聚合物和它们的聚合物或共聚物组成的 族群中选择出来的一种。更可取的是，铁电体层31包含具有一种β相的晶体结构的聚乙 二烯氟化物(PVDF)。而且，铁电体半导体至少包含一种从由2-6化合物如CdZnTe、CdZnS、CdZnSe、 CdMnS, CdFeS, CdMnSe和CdFeSe的族群中选择出来的一种。另外，铁电体层31可以包含一种铁电体材料的混合物。例如，可以使用一种无机 铁电体材料和一种有机铁电体材料的一种混合物、一种无机铁电体材料和一种有机材料的 一种混合物或一种无机铁电体材料和一种金属的一种混合物。其次，一个栅电极32作为极化铁电体层31的一个电极层形成在铁电体层31上。 栅电极32可以至少包含从由下列组成的族群中选择出来的一种导电金属包括金(Au)、银 (Ag)、铝(Al)和钼(Pt)等；导电金属氧化物如铟锡的氧化物(ITO)和钛酸锶(SrTi03)等 及其合金或化合物；导电的有机物；具有一种导电的聚合物作为一个基片的混合物或化合 物如聚苯胺、聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)(PED0T/PSS)。在上述的结构中，极化发生在铁电体层31中，通过栅电极32施加一个预定的电 压，其方式与如图1和图2所示的传统的铁电体存储设备相同。图5为一个特性图，表示根据栅电压铁电体层31的电容值的变化。在TiN层后测 量的变化形成一个80nm的厚度作为如图4所示的缓冲层，一个BLT层形成一个300nm的厚 度作为铁电体层31。从图5中可见，根据图4所示的结构的栅电压的变化，铁电体层31的电容值表示 滞后特性。如此，当极化发生在铁电体层31中时，依据极化特性，一个通道形成或者不形成 在源区2和漏区3之间的通道区4。因而，它作为一个晶体管工作。在该晶体管中，根据是 否形成通道在源区2和漏区3之间产生或切断电流。在使用上述的晶体管形成一个存储单元或一个存储单元阵列的一种情况下，一个 预定的电压被施加到一个漏电极，并且同时，在一个源电极6接地的状态下，储存在相应的 存储单元中的数据依据晶体管是否处于导电状态来确定是“ 1，，还是“0”。与此相应，利用上述的单晶体管(IT)结构，能够形成一个存储单元。在上述结构中，铁电体层31不直接与硅基片31接触，但通过缓冲层30与之连接。 与此相应，能够在形成铁电体层5期间防止一个低品质的过渡层形成在铁电体层5和硅基 片1之间的边界区域。
此外，缓冲层30由一种导电材料形成。相应地，由于消除了在如图2所示的传统 结构中由缓冲层20所引起的退极化场，能够防止数据保留特性由于退极化场所引起的极 化特性的恶化而降低。另外，根据本发明的存储设备或晶体管的结构能够以各种方式进行改进，只要维 持MFMS结构。图6为一个横断面图，表示根据本发明的第二个具体装置的一种场效应晶体管或 一种铁电体存储设备。在图6所示的结构中，像图4的第一个具体装置一样，源区和漏区2和3形成在一 个硅基片1上，在源区和漏区2和3之间的一个通道区4上由一种导电材料形成一个缓冲 层30。在本具体装置中，在缓冲层30的两端周围形成一个绝缘层60。该绝缘层60由一 种如La&03、Zr02、Si02等的一种绝缘材料形成。该绝缘层60防止电流通路形成在一种导 电材料构成的缓冲层30和源区及漏区2和3之间。一个铁电体层31形成在缓冲层30上，一个栅电极32覆盖在铁电体层32的整个 表面上。并且由于其它元素实质上与图4所示的结构中的元素相同，与图4相同的元素通 过相同的索引号来表示，其详细说明将予以省略。图7为一个横断面图，表示根据本发明的第三个具体装置的一种场效应晶体管或 一种铁电体存储设备的一个结构。在图7中，当一个铁电体层31形成在一个缓冲层30之上时，铁电体层31覆盖在 缓冲层30的整个表面上，以便缓冲层30和源区和漏区2和3被铁电体层31屏蔽。而且， 由于其它元素实质上与图6所示的构型中的元素相同，与图6相同的元素通过相同的索引 号来表示，其详细说明将予以省略。与此同时，图8表示根据本发明的一种场效应晶体管或一种铁电体存储设备的一 个制造过程，特别表示制造图6所示的结构的过程。首先，一种光致抗蚀剂81沉积在一个基片1上，源区和漏区2和3采取利用光致 抗蚀剂81作为一个面罩(图.8A到8C)的离子注入法形成在基片上。其次，通过溅射或真 空沉积(图8D)在源区和漏区2和3之间的一个通道区的顶部上的一种导电材料形成一个 缓冲层30。在图8D (图8E)所示的结构的顶部的整个表面上的Si02形成一个绝缘材料层82， 使用一种光致抗蚀剂83进行蚀刻，然后进行极化，因此形成一个缓冲层60 (图8F)。随后通过如溅射或真空沉积的一种普通方法在缓冲层30的顶部形成一个铁电体 层31。一个绝缘层84覆盖在图8G (图8F)所示的结构的整个顶部表面上，一些穿透孔形 成在源区和漏区2和3和铁电体层31的顶部(图81)，然后形成一个源电极6、一个漏电极 7和一个栅电极32 (图8J)，从而获得一种场效应晶体管或一种铁电体存储设备。如上所述，本发明的示范性的具体装置已经被描述过了，然而，本发明不限于这些 具体装置，而是能够在本发明的范围之内进行各种改进。例如，虽然硅基片用作上述具体装置中的基片1，但也能够使用任何材料和结构作 为基片1，这些材料和结构能够通过外部电场在源区2和漏区3之间形成一个通道。
权利要求
一种金属 铁电体 金属 基片MFMS铁电体存储设备，其特征在于结构组成如下一个包括源区和漏区的基片和一个形成在源区和漏区之间的通道区；一个缓冲层，形成在基片的通道区的顶部之上；一个形成在缓冲层上的铁电体层；一个栅电极，形成在铁电体层之上，在其中的缓冲层包含一种导电材料。
2.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，导电材料包含一块金属。
3.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，导电材料包含从由一种导电的金属氧化物、一种合金或其化 合物组成的族群中选择出来的一种。
4.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，导电材料包含一种导电的有机材料。
5.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，导电材料包含一种硅化物。
6.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，缓冲层包含一种多层结构。
7.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，铁电体层至少包含从由下列所组成的族群中选择出来的一 种一种铁电体氧化物；一种聚合铁电体；一种铁电体氟化物；一种铁电体半导体和一种它 们的固溶体。
8.根据权利要求1所述的金属-铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其 特征在于在MFMS铁电体存储设备中，缓冲层包含氮化钛(TiN)，铁电体层包含(Bi， La)4Τ 03012(BLT)。
9.根据权利要求1所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征在 于在MFMS铁电体存储设备中，还包含一个用于屏蔽源区和漏区及缓冲层的绝缘层。
10.根据权利要求9所述的金属-铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备，其特征 在于在MFMS铁电体存储设备中，绝缘层包含一种铁电体材料。
11.一种金属_铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET，其特征在于结构组成如下一个包括源区和漏区的基片和一个形成在源区和漏区之间的通道区；一个缓冲层，形成在基片的通道区的顶部之上；一个形成在缓冲层上的铁电体层；一个栅电极，形成在铁电体层之上，在其中的缓冲层包含一种导电材料。
12.根据权利要求11所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET，其特 征在于在MFMS-FET中，缓冲层包含一个多层结构。
13.根据权利要求11所述的金属_铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET，其特 征在于在MFMS-FET中，还包含一个用于屏蔽源区和漏区和缓冲层的绝缘层。
14.根据权利要求13所述的金属-铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET，其特 征在于MFMS-FET装置中，绝缘层包含一种铁电体材料。
15.根据权利要求11所述的金属-铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET，其特征 在于在MFMS-FET装置中，缓冲层包含氮化钛(TiN)，铁电体层包含(Bi，La) 4 3012 (BLT)。
16.一种制造金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备的方法，其特征在于该 方法包括在一个基片上形成源区、漏区和通道区；在相当于基片的通道区的一个区域形成一种导电材料的一个缓冲层；在缓冲层的顶部上形成一个铁电体层；在铁电体层的顶部上形成一个栅电极。
17.根据权利要求16所述的制造金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备的 方法，其特征在于在该方法中，还包含一个用于屏蔽源区和漏区和缓冲层的一个绝缘层。
18.根据权利要求16所述的制造金属_铁电体-金属-基片MFMS铁电体存储设备的 方法，其特征在于在该方法中，当形成铁电体层时，铁电体层覆盖在缓冲层的整个表面上。
19.一种制造金属_铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET的方法，其特征在于 该方法包括在一个基片上形成源区、漏区和通道区；在相当于基片的通道区的一个区域形成一种导电材料的一个缓冲层；在缓冲层的顶部上形成一个铁电体层；在铁电体层的顶部上形成一个栅电极。
20.根据权利要求19所述的制造金属_铁电体-金属-基片MFMS场效应晶体管FET 的方法，其特征在于的方法中还包括一个用于屏蔽源区和漏区和缓冲层的绝缘层。
全文摘要
MFMS-FET和铁电体存储装置及其制造方法，其特征在于MFMS-FET和铁电体存储装置结构包括源和排放区的基片，在其间形成的频道区；在基片的频道区顶端形成的缓冲层；在缓冲层上形成的铁电层，和在铁电体层上形成的门电板，其中的缓冲是由导电材料形成的。MFMS的铁电体存储设备的制造方法，包括形成源区、漏区和通道区；在相当于基片的通道区的区域内形成一个导电材料的缓冲层；在缓冲层的顶部形成一个铁电体层；在铁电体层的顶部形成一个栅电极。本发明的工业实用性体现在能够实现一种铁电体存储设备，该设备结构简单，具有优良的数据保留特性并能够形成一个具有一个单晶体管结构的稳定的存储单元。
文档编号H01L27/105GK101919055SQ200880114434
公开日2010年12月15日 申请日期2008年10月27日 优先权日2007年10月26日
发明者林炳垠 申请人:首尔市立大学教产学协力团