铁电存储器件的制作方法

本申请要求于2017年7月14日提交的申请号为10-2017-0089922的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

本公开的各种实施例总体上涉及一种半导体器件，并且更具体地涉及一种铁电存储器件。

背景技术：

通常，铁电材料是指在没有施加外部电场的状态下具有自发极化的材料。另外，可以通过外部施加的电场来控制铁电材料以在铁电滞回曲线上保持两个稳定的剩余极化状态中的一个。这种性质可以用来以非易失性方式储存“0”或“1”的逻辑信息。

近来，研究了以场效应晶体管形式的铁电存储器件，其中，铁电材料用于栅电介质层中。可以通过将预定的写入电压施加到栅电极层并且将不同的剩余极化状态记录在栅电介质层中作为逻辑信息来执行所述存储器件的写入操作。可以通过读取通过场效应晶体管的沟道层的操作电流来执行所述存储器件的读取操作。场效应晶体管的沟道电阻根据记录在栅电介质层中的不同剩余极化状态而变化。

技术实现要素：

公开了根据本公开的一个方面的一种铁电存储器件。所述铁电存储器件包括衬底、顺序地堆叠在所述衬底上的铁电层和栅电极层以及氧空位阻挡层。所述氧空位阻挡层可以至少设置在所述衬底与所述铁电层之间或所述铁电层与所述栅电极层之间。所述氧空位阻挡层包括具有满足化学计量比的化学式单元组分的金属氧化物。

公开了根据本公开的另一方面的一种铁电存储器件。所述铁电存储器件包括衬底、顺序地堆叠在所述衬底上的铁电金属氧化物和栅电极层以及铁电氧空位阻挡层。所述铁电氧空位阻挡层可以至少设置在所述衬底与所述铁电金属氧化物之间或所述铁电金属氧化物与所述栅电极层之间。

附图说明

图1是示意性示出了根据本公开的一个实施例的铁电存储器件的截面图。

图2至图4是示意性示出了根据本公开的一个实施例的铁电存储器件的操作方法的视图。

图5是示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的铁电存储器件的截面图。

图6是示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的铁电存储器件的截面图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中描述各种实施例。在附图中，为了说明清楚起见，层和区域的尺寸可能被夸大。将关于观察者的视角来描述附图。如果元件被称为位于另一元件上，则可以理解的是，该元件直接位于另一元件上，或者可以将附加元件插入在该元件和另一元件之间。整个说明书中相同的附图标记指代相同的元件。

另外，单词的单数形式的表达应该被理解为包括该单词的复数形式，除非在上下文中另有清楚地使用。将理解的是，术语“包括”或“具有”旨在指定存在特征、数量、步骤、操作、元素、部分或其组合，但不用于排除存在或添加一个或更多个其它特征、数量、步骤、操作、部件、部分或其组合的可能性。此外，在执行方法或制造方法时，构成该方法的每个过程可以与规定的顺序不同地发生，除非在上下文中明确描述了特定的顺序。换言之，每个过程可以以与所述顺序相同的方式执行，可以基本上同时执行，或者可以以相反的顺序执行。

图1是示意性示出了根据本公开的一个实施例的铁电存储器件1的截面图。参考图1，铁电存储器件1可以包括衬底101、第一氧空位阻挡层110、铁电层120、第二氧空位阻挡层130和栅电极层140。铁电存储器件1可以是晶体管型器件，该晶体管型器件取决于储存在铁电层120中的极化取向而具有不同的沟道电阻。

本实施例中描述的铁电存储器件1可以将存储器操作执行如下。关于写入操作，当通过栅电极层140施加预定的或已知的写入电压时，可以在铁电层120中产生具有特定大小和方向的极化取向。在写入电压被去除之后，具有相同取向的剩余极化保留在铁电层120中。保留的剩余极化对应于储存的逻辑信息。作为非限制性示例，具有从栅电极层140朝向衬底101的取向的剩余极化可以储存逻辑信息“0”，而具有从衬底101朝向栅电极层140的取向的剩余极化可以储存逻辑信息“1”。

同时，铁电层120中的剩余极化可以诱导诸如电子或空穴的电荷移入或移出衬底101中的沟道区105。关于读取操作，当将读取电压施加到栅电极层140时，源极区102和漏极区103之间的沟道电阻可以根据沟道区105中的电荷的类型、数量等变化，沟道区105中的电荷包括在铁电层120中的剩余极化的影响下存在的电荷。例如，当储存信息“0”时，通过相应的剩余极化将电子诱导到沟道区105中，使得在读取操作中沟道电阻可以相对减小，并且可以测量到较大的电流。在一个对比的示例中，当储存信息“1”时，由于相应的剩余极化，电子从沟道区105被排出或排斥，使得在读取操作中沟道电阻相对增大，并且测得的电流较低。因此，储存在铁电存储器件1中的逻辑信息也可以通过测量沟道电阻的变化来确定。取决于铁电层120中的剩余极化的强度，可能为不同的沟道电阻。

例如，衬底101可以包括半导体材料。作为非限制性示例，例如，衬底101可以是硅(si)衬底、砷化镓(gaas)衬底、磷化铟(inp)衬底、锗(ge)衬底或硅锗(sige)衬底。在一个实施例中，衬底101可以被掺杂，以具有导电性。作为示例，衬底101可以掺杂有p型掺杂剂。作为另一个示例，衬底101可以在铁电结构10下方具有p型掺杂区。

源极区102和漏极区103可以在衬底101中设置为彼此间隔开。源极区102和漏极区103可以设置在栅电极层140的相对端部处或沟道区105的相对端部处。在一个实施例中，源极区102和漏极区103中的每一个可以是n型掺杂区。

铁电层120可以设置在衬底101上。铁电层120可以包括其中具有剩余极化的铁电材料。在一个实施例中，剩余极化可以将电子吸引到衬底101的沟道区105中。当执行读取操作时，源极区102和漏极区103之间的沟道电阻由沟道区105的包括诱导电子的电子的密度来控制。例如，铁电层120可以具有约5nm至15nm的厚度。

在一个实施例中，铁电层120可以包括结晶金属氧化物。铁电层120可以包括二元金属氧化物。例如，铁电层120可以包括氧化铪、氧化锆或其组合。在另一个实施例中，铁电层可以包括三元或更多元金属氧化物。例如，铁电层120可以包括pb(zr,ti)o3、srbi2ta2o9、(bi,la)4ti3o12、bifeo3或其两种或更多种的组合。

在一个实施例中，铁电层120可以包括至少一种掺杂剂。当铁电层120包括二元金属氧化物时，铁电层120可以包括一种掺杂剂(即，具有2至4化合价的掺杂剂)，该种掺杂剂包括具有2至4个价电子的元素。作为实例，铁电层120可以包括碳(c)、硅(si)、镁(mg)、铝(al)、钇(y)、锗(ge)、锡(sn)、锶(sr)、铅(pb)、钙(ca)、钡(ba)、钛(ti)、锆(zr)、钆(gd)、镧(la)或其两种或更多种的组合。

分布在铁电层120中的掺杂剂可以稳定铁电层120的铁电性。在一些实施例中，当铁电层120包括金属氧化物时，掺杂剂可以将应变或应力诱导向金属氧化物的晶体结构中，使得掺杂剂可以帮助金属氧化物在铁电层120中具有铁电晶体结构。然而，掺杂剂可以与金属氧化物中的氧反应，并且在掺杂剂和氧之间形成不完整的键。该反应导致形成具有总体正电荷的氧空位。作为示例，掺杂剂可以具有与金属氧化物中的金属的化合价不同的化合价，导致非化学计量的金属氧化物和氧空位。具有正电荷的氧空位可以在铁电层120中流动，与由施加到栅电极层140的电压形成的电场一致。

在所产生的电场的影响下，取决于外部施加的电压的性质，氧空位可以朝向铁电层120与衬底101之间的界面移动，或者朝向铁电层120与栅电极层140之间的界面移动。迁移到与衬底101或与栅电极层140的界面的氧空位充当缺陷，例如用于电荷的陷阱位点等。因此，氧空位可以增强从衬底101或栅电极层140进入铁电层120的泄漏电流。泄漏电流在数据保持稳定性的减损中促使剩余极化的恶化。另外，当在多个写入和复位周期中重复地向铁电存储器件1施加具有相反极性或偏置并且大小变化的外部电压时，衬底101和栅电极层140之间的铁电层120中的氧空位迁移可以通过疲劳而降低铁电存储器件的工作寿命。因此，在铁电层120中产生氧空位可以导致铁电存储器件1的操作可靠性减弱。

栅电极层140可以设置在铁电层120上。栅电极层140可以包括导电材料。例如，栅电极层140可以包括钨(w)、钛(ti)、铜(cu)、铝(al)、铂(pt)、铱(ir)、钌(ru)、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽或其两种或更多种的组合。

再次参考图1，第一氧空位阻挡层110可以设置在衬底101和铁电层120之间。第一氧空位阻挡层110可以包括具有满足化学计量比的化学式单元的结晶金属氧化物(即，化学式组成以整数表示的中性化合物)。因此，与包括非化学计量金属氧化物的层相比，降低或有效地消除了第一氧空位阻挡层110内部的晶体缺陷的产生。作为示例，第一氧空位阻挡层110中的氧空位浓度可以低于铁电层120中的氧空位浓度。

如上所述，第一氧空位阻挡层110充当铁电层120中的氧空位与衬底101之间的迁移阻挡，而不管在铁电存储器件1的操作期间由于施加到栅电极层140的电压而在铁电层120中的氧空位的任意迁移。氧空位可以沿着材料层中的不完整缺陷位置移动，并且因为第一氧空位阻挡层110由于使用了满足化学计量比的金属氧化物而具有更少的缺陷，所以氧空位不会继续迁移穿过阻挡层110。因此，第一氧空位阻挡层110倾向于阻止氧空位在与衬底101的界面处聚集并且阻止氧空位增大可能使数据保持恶化的任意泄漏电流。此外，通过防止氧空位的重复周期迁移，当在多个周期中重复施加具有不同极性的外部电压时，利用第一氧空位阻挡层110减少了铁电存储器件1的磨损。

在一个实施例中，第一氧空位阻挡层110可以包括二元金属氧化物。例如，第一氧空位阻挡层110可以包括氧化铪、氧化锆、氧化钛或其两种或更多种的组合。

在一个实施例中，第一氧空位阻挡层110可以具有未掺杂的状态，其中，掺杂剂未被有意地注入层中。结果，因为第一氧空位阻挡层110没有掺杂剂，避免了第一氧空位阻挡层110内的任意掺杂剂与氧之间的不完整化学键合。即，可以在第一氧空位阻挡层110中抑制由掺杂剂产生的氧空位。第一氧空位阻挡层110可以具有大约1nm至2nm的厚度。

在另一个实施例中，第一氧空位阻挡层110包括掺杂剂，该掺杂剂具有与二元金属氧化物中所含金属的化合价相同的化合价。例如，当第一氧空位阻挡层110包括诸如氧化铪、氧化锆、氧化钛等的四价金属氧化物时，第一氧空位阻挡层110可以包括掺杂到金属氧化物中的四价掺杂剂。作为示例，第一氧空位阻挡层110可以包括硅(si)、锆(zr)、锗(ge)、锡(sn)、铅(pb)、钛(ti)或其两种或更多种的组合作为掺杂剂。掺杂剂可以位于二元金属氧化物中的金属位置处或附近。因为掺杂剂和金属氧化物的金属具有相同的化合价，所以相对于具有不同化合价的掺杂剂和金属的材料层，抑制或降低金属氧化物中金属与氧之间的不完整化学键。

在一个实施例中，第一氧空位阻挡层110和铁电层120可以包括相同的金属氧化物，该相同的金属氧化物具有相同金属-氧键。作为示例，第一氧空位阻挡层110和铁电层120可以包括相同的化学组成。作为另一个示例，第一氧空位阻挡层110和铁电层120可以包括具有相同化学计量比的相同化学组成。当第一氧空位阻挡层110包括与在铁电层120中使用的金属氧化物相同的金属氧化物时，与使用不同金属氧化物的层之间的界面处的去极化电场相比，在铁电层120与第一氧空位阻挡层110之间的界面处产生的任意去极化电场的大小可以被减小。去极化电场是在具有铁电性质的铁电层120与具有不同介电性质(例如，非铁电性质)的层之间的界面处的电场，其取消或反向铁电层120中的极化。因此，选择在铁电存储器件1的层中所使用的金属氧化物通过控制或减少铁电层120中的去极化的可能性来支持其中的数据保持的可靠性。

另外，当第一氧空位阻挡层110由与铁电层120具有相同金属-氧键的相同材料形成时，可以使在铁电层120和第一氧空位阻挡层110之间的界面处产生的结晶氧化物缺陷的浓度或数量适中或减少。较少的缺陷倾向于减少或阻止使铁电层120中剩余极化不稳定的泄漏电流。

在一个实施例中，第一氧空位阻挡层110可以具有铁电性。此时，第一氧空位阻挡层110可以在其中具有掺杂剂或者可以不具有掺杂剂。作为示例，第一氧空位阻挡层110可以具有有助于层的铁电性质的二元金属氧化物。当第一氧空位阻挡层110具有铁电性时，它也可以具有高介电常数。高介电常数可以指的是高于氧化硅层的介电常数的介电常数，氧化硅层通常用作衬底和铁电层之间的界面绝缘层。当第一氧空位阻挡层110具有高介电常数时，在衬底101与第一氧空位阻挡层110之间的界面处形成更少的电荷陷阱，这减少了泄漏电流的产生或大小。

再次参考图1，第二氧空位阻挡层130可以设置在铁电层120和栅电极层140之间。第二氧空位阻挡层130可以包括具有满足化学计量比的分子单元的结晶金属氧化物(即，化学组成以整数表示的中性化学式单元)。因此，与包括非化学计量的金属氧化物的层相比，降低或有效地消除了第二氧空位阻挡层130中的晶体缺陷的产生。

第二氧空位阻挡层130充当铁电层120中的氧空位与栅电极层140之间的迁移阻挡，而不管在铁电存储器件1的操作期间由施加到栅电极层140的电压引起的铁电层120中的氧空位的任意迁移。因此，可以防止氧空位在与栅电极层140的界面处或其附近聚集，并且防止氧空位有助于使数据保持或储存恶化的泄漏电流。另外，当在多个周期中重复施加具有不同极性的外部电压时，通过抑制氧空位的重复周期迁移也限制了由于(因界面处的氧空位引起的)铁电存储器件1削弱的耐久性而造成的工作寿命的减少。

第二氧空位阻挡层130的配置可以与第一氧空位阻挡层110的配置基本相同。即，第二氧空位阻挡层130可以包括二元金属氧化物。在一个实施例中，第二氧空位阻挡层130可以具有未掺杂状态。在另一个实施例中，第二氧空位阻挡层130可以具有掺杂剂，该掺杂剂具有与二元金属氧化物中的金属的化合价相同的化合价值。

如上所述，根据本公开的一个实施例的铁电存储器件1包括氧空位阻挡层110和氧空位阻挡层130，因而可以在数据保持、操作和工作寿命方面提高器件的可靠性。

图2至图4是示意性示出了根据本公开的一个实施例的铁电存储器件1的操作方法的视图。图2至图4所示的铁电存储器件1的操作方法可以使用上面且参考图1描述的铁电存储器件1来执行。为了便于描述，在图2至图4中省略了图1的衬底101中的源极区102和漏极区103。

参考图2，在制造铁电存储器件1之后的初始状态下，氧空位10可以以预定的或指定的浓度或分布分布在铁电层120中。如上所述，氧空位10可以由不满足金属和氧之间的化学计量比的分子单元内的不完整键产生，这可以在铁电层120中产生完美的晶格结构。当铁电层120掺杂有掺杂剂时，掺杂剂可以通过与金属氧化物中的氧键合而进一步增加氧空位10的浓度。氧空位10可以具有正电荷，并且可以沿着由施加到栅电极层140的电压产生的电场在铁电层120中流动。

参考图3，具有正极性的第一写入电压+v可以被施加到栅电极层140。此时，衬底101可以电接地或连接到具有相对负偏置的电源。

当将第一写入电压+v施加到栅电极层140时，可以在铁电层120中形成以从栅电极层140朝向衬底101的方向取向的极化取向p1。可以通过极化取向p1在衬底101中的沟道区105中诱导电子。

同时，响应于由第一写入电压+v形成的电场，具有正电荷的氧空位10可以迁移到与第一氧阻挡层110的界面。然而，可以禁止或阻挡氧空位10通过具有低晶体缺陷浓度的第一氧空位阻挡层110。因此，例如通过设置用于电子迁移到铁电层120中的缺陷驱动路径，可以禁止氧空位10与在沟道区105中诱导的电子反应。结果，可以防止或减少泄漏电流的发生，并且防止或减少在铁电存储器件1的工作期间数据保持的随后恶化。也可以通过限制铁电层120中氧空位的周期迁移而提高铁电存储器件1的工作寿命。

参考图4，具有负极性的第二写入电压-v可以被施加到栅电极层140。此时，衬底101可以被电接地或者被连接到具有相对正偏置的电源。

当将第二写入电压-v施加到栅电极层140时，可以在铁电层120中形成以从衬底101朝向栅电极层140的方向取向的极化取向p2。可以通过极化取向p2将电子从衬底101的沟道区105排出和/或将空穴诱导到沟道区105中。

同时，在由第二写入电压-v产生的电场的影响下，具有正极性或正电荷的氧空位10可以朝向与第二氧阻挡层130的界面移动。然而，禁止或阻挡氧空位10穿过具有低晶体缺陷浓度的第二氧空位阻挡层130。因此，氧空位10不能到达与栅电极层140的界面。结果，可以防止或减少泄漏电流的产生，并且抑制或消除由于在铁电存储器件1的操作期间氧空位迁移而导致的数据保持或储存的恶化。也可以通过限制铁电层120中的氧空位的周期迁移来提高铁电存储器件1的工作寿命。

图5是示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的铁电存储器件2的截面图。在图5的铁电存储器件2中，与上面且参考图1描述的铁电存储器件1相比，省略了图1的第一氧空位阻挡层110。

参考图5，铁电存储器件2可以包括顺序地堆叠在衬底101上的界面绝缘层115、铁电层120、氧空位阻挡层135和栅电极层140。

界面绝缘层115可以包括非晶绝缘材料。作为示例，界面绝缘层115可以包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。在该实施例中，在铁电存储器件2的操作期间，界面绝缘层115可以用于抑制或限制从衬底101到铁电层120的电子传导或隧穿。另外，界面绝缘层115可以防止或减少当衬底101和铁电层120彼此直接接触时可能出现的界面缺陷。这种界面缺陷可能会促进泄漏电流。

此外，当具有负偏置的电压施加到栅电极层140时，氧空位阻挡层135可以抑制或阻止氧空位从铁电层120内部移动到栅电极层140。具体地，氧空位阻挡层135可以防止铁电层120中的氧空位到达铁电层120与栅电极层140之间的界面。因此，可以防止聚集在铁电层120和栅电极层140之间的界面处的氧空位使铁电存储器件2中的泄漏电流便于数据保持或储存的减损。也可以通过限制铁电层120中氧空位的重复的重新分布来提高铁电存储器件2的工作寿命。

图6是示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的铁电存储器件3的截面图。在图6的铁电存储器件3中，与上面参考图1描述的铁电存储器件1相比，省略了图1的第二氧空位阻挡层130。

参考图6，铁电存储器件3可以包括顺序地堆叠在衬底101上的氧空位阻挡层111、铁电层120和栅电极层140。

如上所述，氧空位阻挡层111可以响应于施加的电压而阻止或减少铁电层120中的氧空位移动到与衬底101的界面。尽管如此，通过邻近于衬底定位的氧空位，例如通过设置用于电子迁移到铁电层120的缺陷驱动路径，可以阻止或限制泄漏电流增加或者使其成为可能。因此，可以避免或最小化数据保持特征的恶化。

如上所述，本公开的一个实施例公开了具有铁电层的铁电存储器件。在铁电存储器件中，通过管理铁电层中的掺杂剂可以实现不同大小的矫顽电场ecoercive或剩余极化pr。然而，作为一种晶体缺陷的氧空位可以通过掺杂反应来产生，并且当施加外部电场时，氧空位可以移动到铁电层和与铁电层交界的材料层之间的界面。此时，材料层在组成上与铁电层不同。

在本公开的一个实施例中，铁电存储器件具有至少一个氧空位阻挡层，使得在铁电存储器件的操作期间可以阻止铁电层中的氧空位移动至与衬底的界面或与栅电极层的界面。因此，可以防止由分布在界面处或界面附近的氧空位产生的泄漏电流的增加，并且防止信息保留或储存的质量的下降。此外，可以限制分布在这种界面处的氧空位对铁电存储器件的工作寿命的影响。结果，可以提高铁电存储器件的操作可靠性。

为了说明的目的，上面已经公开了本发明构思的实施例。本领域技术人员将认识到的是，在不脱离所附权利要求所公开的发明构思的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。