专利名称：适用于非易失性存储器的隧道晶体管的制作方法
本申请基于在日本提交的编号为H11-299679的申请，其内容在此作为参考。
本发明涉及一种适用于非易失性存储器的隧道晶体管。
在MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中，在半导体基片上淀积一层薄的氧化绝缘膜，在该绝缘膜上设置栅极，其作为晶体管的操作是基于这样的原理，即流经位于栅极下面的源极和漏极之间的一个半导体沟道的电流受到施加给栅极的一个电压(“栅电压”)的调制。然而，由于晶体管的小型化，当沟道的长度接近10nm时，变会引起称为“短沟道效应”的问题，这使得不可由栅电压控制流经沟道的电流为了在缩短沟道长度的同时克服这个问题，已设计了一种隧道晶体管，它具有由例如提供一个隧道阻挡层的绝缘体形成的一个沟道，通过改变绝缘体的阻挡层电势来控制流经沟道的电流量(见E.S.Snow等人的Applied Physics Letter，第72卷，第3071-3073页(1998))。
但这种隧道晶体管并不具有存储器功能，因此并不适用于具有存储器电路的半导体集成电路的小型化。
本发明的目的是提供一种能促进具有非易失性存储器的半导体集成电路的小型化的有效的装置。
此目的可通过一种具有一个源极、一个漏极和一个栅极的隧道晶体管来实现，它包括一个隧道阻挡层，它在源极和漏极之间构成一个隧道阻挡层；和一个铁电层，它显示自发极化，其中当铁电层在一个预定的方向极化时，该极化导致源极的在与隧道阻挡层相邻的一个区域中的一个损耗区。
采用这种结构，由于利用因铁电层的自发极化而使流经如同提供源极和漏极之间的沟道的隧道阻挡层的隧道电流变化的现象，可以进行数据的存储。因为隧道阻挡层一般是由例如一个超薄绝缘体制成，所以沟道的长度可以缩短，这有利于具有非易失性存储器的半导体集成电路的小型化。
从以下结合示出本发明的一个具体的实施例的附图的说明，本发明的这些和其它目的、优点和特征会变得明显。附图中
图1是示出根据本发明的第一实施例的隧道晶体管的结构的示意剖面图；图2A和2B是当隧道晶体管的源极和漏极中无损耗区时的能带示意图；图3说明铁电体的极化和由于施加栅偏置而引起的损耗区的形成；图4A和4B是当隧道晶体管的源极和漏极中有损耗区时的能带示意图；图5是示出根据本发明的第二实施例的隧道晶体管的结构的示意剖面图；图6是示出根据本发明的第三实施例的隧道晶体管的结构的示意剖面图；图7是示出第三实施例的隧道晶体管的结构的一种变形的示意剖面图。
以下参照附图对本发明的实施例进行说明。
第一实施例图1是示出根据本发明的第一实施例的隧道晶体管的结构的示意剖面图。附图中，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个第一绝缘层2形成在一个硅基片1上。由n-型硅制成的一个源极3和由n-型硅制成的一个漏极4形成在第一绝缘层2上，一个绝缘体5提供置于源极3和漏极4之间的一个隧道阻挡层。此绝缘体5由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成。一个铁电层6形成在源极3、绝缘体5和漏极4的顶上。一个栅极7设置在铁电层6上。
在本实施例中，铁电层6紧位于源极3和漏极4上面。为了防止构成源极3和漏极4的n-型硅被氧化并且由此变为绝缘体，采用低氧化能力的铁电材料例如BaF4作为铁电层6。或者，如果采用MOCVD(金属-有机化学汽相淀积)，即将铁电材料溶解在一种有机溶剂中并且扩散并且使溶解物质燃烧，则例如SrBi2Ta2O9或PZT(Pb(Zr1-xTix)O3)(注册商标为Kabushiki KaishaToshiba)的材料可用作铁电层6。栅极由铂(Pt)、铱(Ir)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)、多晶硅或类似材料制成。
虽然在本实施例中源极3和漏极4由n-型硅制成，但它们也可以由p-型硅和非硅的半导体材料制成。类似第，第一绝缘层2和绝缘体5可由非SiO2的各种绝缘材料中选出的一种材料制成。
以上构成的隧道晶体管按下述原理运作。
只要源极3和漏极4被接地，源极3、漏极4和绝缘体5就假设为一种热平衡状态。图2示出当隧道晶体管的源极3和漏极4中无损耗区时的能带的状态。图2A是隧道晶体管处于热平衡时的能带示意图。该图中，标号35表示源极3的导通带边缘处的电势，标号45表示漏极4的导通带边缘处的电势，标号55表示绝缘体5的阻挡层电势。其形成过程是，当向漏极4施加正偏置时，一个大的电场指向绝缘体5，它使得漏极4的导通带边缘处的电势45降低，如图2B所示。此电势45的降低导致绝缘体5的阻挡层电势55的下降，由此使得电子300从源极3至漏极4以隧道方式通过绝缘体5。
这里，如果在向漏极4施加偏置之前，通过一个直流电源201向栅电极施加一个相对于源极3的负偏置，以便铁电体6的向上极化，如图3所示，则源极3和漏极4的受此极化影响的部分就正电离，结果形成损耗区31和41。注意，这里损耗区31和41示出图3中的所谓“完全损耗”。
这就是说，受到由于施加负的栅偏置而引起的铁电体6的极化100的端部处的负电荷的激励，分别在铁电层6下面的源极3和漏极4中建立一个正损耗区31和一个正损耗区41。即使在断开开关202而移去栅偏置之后，其情况是极化100将保持，因为铁电层6是由显示自发极化的材料制成的。所以，损耗区31和41也将保持。
图4A是这种状态下的隧道晶体管的能带图。如图所示，在绝缘体5的阻挡层电势55的附近的电势35和45被提高。
其形成过程是，当向漏极4施加一个偏置时，一个大的电场指向绝缘体5。但是，由于损耗区31的存在而使绝缘体5附近的电势35被提高，隧道阻挡层的有效厚度便增加。因此，电子300从源极3至漏极4以隧道方式通过绝缘体5的可能性就降低。
于是，从源极3流向漏极4的隧道电流在铁电层6向上极化之处和在铁电层6不向上极化之处两者之间是不同的。也就是，当铁电层6极化时，隧道电流量小，而当铁电层6不极化时，隧道电流量大。因此，通过检测源极3和漏极4之间的隧道电流量，可判断铁电层6是否保持极化。由于铁电层6由显示自发极化的材料制成，即使在栅偏置移去之后，极化状态仍保持。这种现象可用来实现非易失性存储器的功能，其中对隧道电流量的检测类似于从存储器读取数据。
相反地，向存储器写数据类似于极化铁电层6，使得通过如上所述的向栅电极7施加一个预定的偏置量便可实现之。而且，从存储器擦除数据可以通过施加一个与向栅电极7写的时候所施加的相反的偏置来实现，由此清除或反转铁电层6中的极化状态。
在实际地将这种隧道晶体管用作非易失性存储器时，通过采用一个感应放大器或类似器件可以将流经源极3和漏极4之间的隧道电流放大。通过这样的做法，隧道晶体管可以非易失性存储器同样的方式用于例如传统的EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。
在上述实施例中，铁电层6形成在源极3、绝缘体5和漏极4的顶上。但如果本发明的隧道晶体管用于改变从源极3发出的隧道电流量，则铁电层6的形成可以修改，只要它能引起电势35的这样一种改变，使得在邻近绝缘体5的源极3的一个区域中的一个可检测的范围内改变隧道电流量。
还有，在上述实施例中，当构成源极3的n-型硅在邻近绝缘体5的源极3的区域内完全损耗时，这种损耗并不是必需的，只要它能引起电势35的这样一种改变，使得允许由于铁电层6的极化而导致的隧道电流量的改变可被检测到。
在上述实施例中，并没有提及例如棚偏置的参数的数值。这是因为这些参数可根据何种材料被选用于源极3、漏极4、绝缘体5、铁电层6等等而被理想化。类似地，这些参数可根据由于使用所选材料而产生的隧道电流量的改变以及用于检测这种改变的电路结构而被理想化。无论如何，采用上述实施例，通过调整栅偏置，可根据用于检测隧道电流的改变的电路结构来控制隧道电流量，因为绝缘体5的阻挡层电势的高度可通过控制栅偏置而被控制。
第二实施例图5是示出根据本发明的第二实施例的隧道晶体管的结构的示意剖面图。如图所示，此隧道晶体管与第一实施例的不同之处在于，在位于一侧的源极3、绝缘体5和漏极4与位于另一侧的铁电层6之间设置一个第二绝缘层8和一个悬浮电极9。以下说明集中在与第一实施例的不同之处。
提供悬浮电极9是为了使铁电层6不与源极3和漏极4直接接触。如前所述，当铁电层6由氧化物制成时，源极3和漏极4的与铁电层6接触的部分表面可被氧化，由此形成一个薄的绝缘体。此外，在晶体生长过程中，铁电体6的成分发生改变，造成铁电晶体的不稳定生长。虽然在第一实施例中已经说明，如果使用MOCVD，则采用氧化物是可能的，但在第二实施例中引入悬浮电极9以助铁电晶体材料的稳定生长。至于第二绝缘层8，可采用例如SiO2、SrTa2O6、SeO2或SrTiO3的材料。
铁电层6和第二绝缘层8等效于两个串联的电容。因此，如果第二绝缘层8的介电常数远低于铁电层6的介电常数的话，施加给铁电层6的电压就减小，其结果是不可能使铁电层6的极化状态清除或反转。因此，最好是选择一种高介电常数的材料用于第二绝缘层8，例如SrTa2O6或SrTiO3或非氧化材料例如SiN。
至于悬浮电极9，可采用例如铂(Pt)、铱(Ir)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)或多晶硅的材料。
第三实施例在第一和第二实施例中，隧道晶体管构造为绝缘体5的厚度为几个纳米，通过它可形成源极3和漏极4之间的隧道电流的流动。虽然这种结构在制造少量的半导体器件时是适用的，但并不适用于在一个集成电路中制造大量的相同的半导体器件。有鉴于此，第三实施例提出一种结构，使其可用于在一个单一的基片上制造相当大量的半导体器件。
图6是示出根据本发明的第三实施例的隧道晶体管的结构的示意剖面图。如图所示，由n-型硅制成的漏极4形成在硅基片1上，由二氧化硅(SiO2)制成的绝缘体5淀积在硅基片1和漏极4上。由n-型硅制成的源极3形成在绝缘体5上，并且铁电层6和栅极7顺序地形成在源极3上。
这种隧道晶体管的运作基于与第一实施例相同的原理。更具体地，只要源极3和漏极4被接地，源极3、漏极4和绝缘体5就假设为一种热平衡状态。此点的能带的状态如图2所示。
其形成过程是，当向漏极4施加正偏置时，一个电场指向绝缘体5，其结果是电子300从源极3发出至漏极4。
这里，如果在向漏极4施加偏置之前，向栅电极施加一个相对于源极3的负偏置，以便铁电体6的向上极化，则直接处于铁电层6下面的源极3的部分就正电离，由此形成一个损耗区。即使在移去栅偏置之后，源极3的损耗区也将保持，因为铁电层6是由显示自发极化的材料制成的。
接着，当在源极3的损耗区保持的同时向漏极4施加一个正偏置时，一个大的电场指向绝缘体5，但是，因为由于源极3的损耗区产生的电势而使隧道阻挡层的有效厚度便增加，电子300从源极3至漏极4以隧道方式通过绝缘体5的可能性就降低。因此，通过检测从源极3流向漏极4的隧道电流量，可判断铁电层6是否在一个预定的方向保持极化，如同第一实施例中那样。这种现象可用来实现非易失性存储器的功能。
注意，虽然并无必要使处于铁电层6下面的源极3的整个部分被完全损耗，但期望的是由于铁电层6的自发极化而引起的损耗区的某部分可与绝缘体5相接触。
再有，第二实施例中提出的第二绝缘层8和悬浮电极9可结合在第三实施例的隧道晶体管中，如图7所示。
修改虽然已基于上述实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于此。例如，下述修改是可行的。
在上述实施例中，一个绝缘材料的二氧化硅(SiO2)薄膜用作绝缘体5。然而，如果绝缘体5的作用是隧道阻挡层，则不仅绝缘材料而且其它材料也适于用作绝缘体5，只要隧道电流可从源极3流向漏极4并且由于源极3的导通带边缘的电势的增加所导致的隧道电流的改变可被检测得到。
虽然已结合附图对本发明进行了充分的描述，但需注意，对于本领域的普通技术人员来说，各种改变和修改都是可能的。因此，除了这种改变和修改背离本发明的范畴之外，它们都应被包括在本发明之中。
权利要求
1．一种隧道晶体管，具有一个源极、一个漏极和一个栅极，包括一个隧道阻挡层，它在源极和漏极之间构成一个隧道阻挡层；和一个铁电层，它显示自发极化，其中当所述铁电层在一个预定的方向极化时，该极化导致在所述源极的与所述隧道阻挡层相邻的一个区域中的一个损耗区。
2．按照权利要求1所述的隧道晶体管，其特征在于，所述铁电层插入在所述栅极和所述隧道阻挡层之间，并且，所述铁电层的极化是由于向所述栅极施加一个预定的偏置所导致。
3．按照权利要求2所述的隧道晶体管，其特征在于，所述铁电层的极化导致所述源极在与所述隧道阻挡层相邻的区域中的完全损耗。
4．按照权利要求1所述的隧道晶体管，其特征在于，所述隧道阻挡层由在所述源极和所述漏极之间插入一个绝缘材料而形成。
5．按照权利要求4所述的隧道晶体管，其特征在于，所述源极和所述漏极由选自n-型硅和p-型硅所组成的组中的一种材料所制成。
6．按照权利要求2所述的隧道晶体管，其特征在于，所述源极和所述漏极相互相接地淀积在一个单一的基片上，所述隧道阻挡层插入在所述源极和所述漏极之间，并且所述铁电层和所述栅极按所述顺序淀积在所述源极、所述隧道阻挡层和所述漏极上。
7．按照权利要求2所述的隧道晶体管，其特征在于，所述漏极淀积在一个基片上，所述隧道阻挡层和所述源极按所述顺序淀积在所述漏极上，并且所述铁电层和所述棚极按所述顺序淀积在所述源极的与和所述漏极相接触的所述隧道阻挡层的部分下表面相对应的部分上表面上。
8．按照权利要求2所述的隧道晶体管，其特征在于，它还包括一个悬浮电极，它相接地淀积在与所述铁电层的向所述隧道阻挡层一侧的表面上；和一个绝缘层，它相接地淀积在与所述悬浮电极的向所述隧道阻挡层一侧的表面上。
9．按照权利要求8所述的隧道晶体管，其特征在于，所述绝缘层具有的介电常数使得当向所述栅极施加所述预定的偏置时向所述铁电层施加一个预定的电压。
10．按照权利要求9所述的隧道晶体管，其特征在于，所述铁电层由选自SrBi2Ta2O9和PZT(Pb(Zr1-xTix)O3)所组成的组中的至少一种材料所制成，并且所述绝缘层由选自SrTa2O6和SrTiO3所组成的组中的一种材料所制成。
11．按照权利要求10所述的隧道晶体管，其特征在于，所述铁电层通过在所述悬浮电极上生长晶体而形成。
12．按照权利要求8所述的隧道晶体管，其特征在于，所述漏极淀积在一个单一的基片上，所述隧道阻挡层和所述源极按所述顺序淀积在所述漏极上，并且所述绝缘层、所述悬浮电极、所述铁电层和所述棚极按所述顺序淀积在所述源极的与和所述漏极相接触的所述隧道阻挡层的部分下表面相对应的部分上表面上。
13．按照权利要求2所述的隧道晶体管，其特征在于，所述隧道阻挡层的阻挡层电势由施加给所述栅极的一个偏置水平所控制。
全文摘要
提供一种隧道晶体管作为用于具有非易失性存储器的半导体集成电路的小型化的有效装置。一个绝缘层淀积在一个硅基片上。一个源极和一个漏极淀积在该绝缘层上,一个提供隧道阻挡层的厚度为几个纳米的绝缘体插入源极和漏极之间。显示自发极化的一个铁电层直接淀积在源极的与绝缘体相邻的一个区域之上。采用这种结构,当铁电层在一个预定的方向极化时,至少源极的与绝缘体相邻的区域的一部分形成一个损耗区,据此有可能根据铁电层是否被极化而改变以隧道方式通过绝缘体的电流量。
文档编号H01L21/28GK1305230SQ0013177
公开日2001年7月25日 申请日期2000年10月20日 优先权日1999年10月21日
发明者嶋田恭博, 林慎一郎, 内山洁, 田中圭介 申请人:松下电子工业株式会社