面上形成小于7%的含氧量。举例而言，该氮含量可以在该沉积制程130中被改变以使得想要的氧含量分布和想要的氧梯度可以被建立在整个TiN层132。在一明确的范例中，在该上表面132u的含氧量可以是在约2-5%的范围内的且在该接口的含氧量可以低于5%。
[0044]在另一特定例示范例中，包含PVD制程的沉积制程130是在氮气中实行。本领域的技术人员将了解特定的钛/氮比例可以在该沉积制程130中被调整。在形成该TiN层132之后，可以在含氧的气体中实行热退火制程，用以形成在该TiN层132中想要的含氧量分布。举例而言，可以形成上述的含氧量分布。在一特定的例示方法中，可以在该TiN层132中提供氧梯度。该氧梯度可以如上所述的设置。
[0045]图1c绘示依据的一些例示实施例的在制程中更进一步的阶段中的该半导体装置100。热退火制程140被实行来至少部分地在该未掺杂的非晶HfOJi 122中造成铁电相。在一些例示范例中，该TiN层132可以完全覆盖该未掺杂的非晶HfOJl 122，以便在该热退火制程140中获得该HfO2层晶体的完全保持的成核(fully kept nucleat1n)。
[0046]在本揭露的一些例示实施例中，该热退火制程可以是快速热退火制程，其将该半导体装置100在该热退火制程140中暴露在约400-1100°C的温度中，且为了最佳结果，暴露在约800°C中。本领域的技术人员将了解该退火温度可依据该未掺杂的非晶HfOJl 122的厚度而定且可以对应地选择。
[0047]图2绘示铁电性的未掺杂氧化铪材料，譬如未掺杂的HfOJl 122，在实行热退火制程140之后的磁滞曲线H。
[0048]绘示在图2中的图示具有代表极化状态P(以μ C/cm2为单位)的纵坐标对应代表施加电压U(任意单位，例如在1-5V的范围内且不以此限制本揭露)的横坐标。图2的图示的原点O代表零极化状态和零施加电压U，如图2中的虚线所示。
[0049]如图2中可见的，铁电性的特质藉由通过两个饱和极化状态Psat和-P sat之间的磁滞的材料极化状态来描述。举例而言，当从其上具有最小的极化状态-Psat的U#曾加电压U到最大电压U2,该材料的极化状态沿着该磁滞曲线H的部分曲线Hl变化并变为饱和的(P假设该饱和极化状态Psat)。当再次降低该施加电压U从最大极化状态Psat的U 2到U i，该极化状态如该磁滞曲线H的部分曲线H2所示地变化，直到极化状态在仏变为饱和(负的饱和极化状态-Psat)。注意到在该电压U2/UA后进一步增加/减少该电压U不会确实改变该极化状态，因为该铁电材料的全部偶极子在由该施加电压所实行的电场中对齐了，且因此预期是饱和状态。
[0050]在从U2/U^始减少/增加该电压U到零的过程中，该极化状态减少/增加(沿着H2/H1)到在U = O时不会消失的极化状态值Pr/-Pr，通常称为”永久极化状态”。依据由先前施加电压所造成的先前引起的饱和极化状态，可因此保持铁电材料的特定永久极化状态，即使将该铁电材料从电源断接之后。以这个方法，铁电材料可以被”程序化”成永久极化状态，其允许用来识别先前施加的电压水平，亦即，大于或小于零。
[0051]发明人观察到约2 μ C/cm2的永久极化状态，在依据一些例示实施例(其关于图1a到Ic以及图2在以上讨论)的上述由TiN层覆盖的铁电性的未掺杂HfO2层中。在包含具有6nm厚度的未掺杂HfOJl的其他实验中，观察到约10 μ C/cm2的永久极化状态。
[0052]本揭露的一些例示应用将参考图3a和3b进一步地讨论。在图3a中，显示半导体装置300a。该半导体装置300a可以形成在基板302a中及上。该基板302a可类似于以上参考图1a所述的基板102。如图3a所示，该半导体装置300a包含栅极电极结构310a形成在该基板302a的表面部分上方。在一明确的范例中，该栅极电极结构310a可包含可选S1N层312a、未掺杂的铁电HfOJl 314a、TiN层316a以及栅极材料层318，譬如多晶硅材料层。在该栅极电极结构310a的相反端，源极区域322和漏极区域324形成在该基板302a中。该S1N层312a是选择性的，如虚线所示。这并不对本揭露做出任何限制且本领域的技术人员将了解S12层可以形成来取代该S1N层312a，或替代地，该未掺杂的铁电HfOJl314a可以直接沉积在该基板302a上。
[0053]在本揭露的一些例示实施例中，该半导体装置300a可以被作为FeFET来运作。在此，该源极区域322和漏极区域324可以耦合成源极/漏极接触(未图示)，且该栅极电极318可以耦合成栅极接触(未图示)。可理解该源极区域322可耦接至源极电位Vs、该漏极区域324可耦接至漏极电位Vd且该栅极结构310a可耦接至栅极电位Vg。本领域的技术人员将了解静止状态可以是Vg = 0V, Vd = 0V, Vs = 0V。
[0054]在以下用于该半导体装置300a的例示运作模式的讨论中，假设该半导体装置300a示N通道FeFET配置。在此，举例而言，该基板302a可以至少部分地邻接到该半导体装置300a设置为P型阱，且由内嵌在该基板302a中的N型掺杂区域来设置该源极区域322和漏极区域324。本领域的技术人员将了解到，在一些例示范例中，该源极电位Vd可以由第一位线(未图示)供应、该源极电位Vs可以由第二位线(未图示)供应，且该栅极电位Vg可以由字线(未图示)供应。
[0055]在N通道FeFET中，可藉由提供电压脉冲到该栅极电极结构310a，其中，该电压脉冲具有振福Vp，来达成将该铁电未掺杂HfOJl 314a转换到第一极化状态来程序化该半导体装置300a。在本文的一些例示范例中，该第一极化状态可以关联于讯息状态”0”。因此，当设定该电压脉冲的振幅为_Vp，可以在该铁电未掺杂HfOJl 314a中定义第二极化状态。该第二极化状态可以，举例而言，识别为讯息状态”1”。这并不会对本揭露做出任何限制，且替代地，可以反转该讯息状态到极化状态的指派。
[0056]参考以上图2的讨论，该振幅Vp可以实质上等于以上参考图2讨论的U2。另一方面，该振幅-Vp可以实质上等于以上参考图2讨论的U10然而，这并不对本揭露做出任何限制，且本领域的技术人员将了解可以选择不会完全引起该未掺杂的铁电HfOJl 314a的饱和极化状态的振幅Vp和-Vp。应理解到，在程序化中，电位Vd和Vs是设为OV以得到最佳结果。
[0057]在关闭供应给该栅极电极结构310a的程序化电位之后，永久极化状态(请见图2中的Pr或-Pr)将保留在该未掺杂的铁电HfOJl 314a中。因此，对应由Vp所引起的第一极化状态的永久极化状态可以关联于讯息状态”0”而对应-Vp的永久极化状态可以关联于该半导体装置300a的讯息状态” I”。
[0058]该未掺杂的铁电HfOJl 314a的非消失性永久极化状态造成该半导体装置300a的临界电压的偏移。因为该未掺杂的铁电HfOJl 314a的不同永久极化状态关联于不同的讯息状态”O这些不同的永久极化状态在程序化之后造成该半导体装置300a不同的临界电压。当施加预定的栅极电位到该栅极电极结构310a时，依据判定在该源极区域322和该漏极区域324之间的电流，可以判定不同的临界电压，且因此，可以判定不同的讯息状态，，0，，、，，1”。
[0059]在本文的一特殊例示范例中，可以藉由施加栅极电位Vg = Vr到该栅极电极结构310a以及漏极电位Vd = Vdr到该漏极322来实施从该半导体装置300a进行读取。在本文的明确范例中，该源极322可以耦接至源极电位Vs = 0V。要理解到当从该半导体装置300a读取信息时，藉由程序化电位”+Vp”的程序化造成的讯息状态” O”会造成比以程序化电位” -Vp”的程序化造成的讯息状态” I”更大的源极/漏极电流。因此，藉由在施加预设的读取电位Vr到该栅极电极结构310a和读取电位Vdr到该漏极322下，流经该源极区域322和该漏极区域324之间的电流量可以辨别该讯息状态”0”、”1”。此外，如上述的读取程序可以是非破坏性的，亦即，可以保留由在该铁电未掺杂HfOJl 314a中引起的特定极化状态所施加在该栅极电极结构310a上的讯息状态，特别是当选择读取电压具有一绝对值，其小于所施加的程序化电位的绝对值时。
[0060]本领域的技术人员将了解由本揭露所提供的用于形成半导体装置的方法非常轻易能被包含到现有的复杂半导体装置的制造流程中。平行地制造大量的半导体装置是可能的，其中，在半导体装置的HfO2层中的铁电特性可以选择性地被调整或被「启动」而不需要掺杂物，且因此，不需要增加额外的掺杂程序到现有的制程中。
[0061]在本揭露的一些例示实施例中，可以达成只在所选择的半导体装置上选择性地形成TiN层，譬如参考图1a-1c所讨论的该TiN层132或是以上参考图3a所述的该TiN层316a，举例而言，藉由屏蔽该基板302a (半导体装置将被制造于该基板302a中)上的部分，在这些部分不应具有任何铁电特性。
[0062]在本文的一些明确范例中，第一和第二半导体装置可以设置在基板的第一和第二主动区域中，譬如，举例而言，如以上参考图1a和3a所述的基板。该第一和第二主动区域可以由隔离结构来分开，譬如STI结构及/或在其间形成的一个或多个主动区域。
[0063]可以在该第一和第二主动区域之上形成非掺杂的非晶HfOJl，使得第一非掺杂的非晶HfO2层可以形成在该第一主动区域之上且第二非掺杂的非晶HfO2层可以形成在该第二主动区域之上。因此，在这个制造阶段，该第一半导体装置可包含第一非掺杂的非晶HfO2层，且在这个制造阶段，该第二半导体装