[发明专利]场效晶体管单元、存储器元件及电荷储存结构的制造方法

说明书

本发明公开一种场效晶体管单元、存储器元件及电荷储存结构的制造方法。存储器元件包括多个场效晶体管单元，且每一个场效晶体管单元包括基板、源极区、漏极区、栅导电层以及电荷储存结构。基板具有一上表面，源极区与漏极区位于基板内并连接上表面，且源极区与漏极区彼此分离以定义出一通道区。栅导电层设置于基板的上表面上，并覆盖位于源极区与漏极区之间的通道区。电荷储存结构位于通道区与栅导电层之间，其中，构成电荷储存结构的材料包括一铁电材料以及一顺电材料。电荷储存结构包括铁电材料与顺电材料，可具有较佳的电荷捕捉能力并兼具较快的切换速度。

技术领域

本发明涉及一种场效晶体管单元、存储器元件及电荷储存结构的制造方法，特别是涉及一种应用顺电材料及铁电材料的场效晶体管单元、存储器元件及电荷储存结构的制造方法。

背景技术

现有的铁电场效晶体管(ferroelectric field effect transistor,FeFET)可应用于非挥发性随机存取存储器阵列中，用以储存数据。具体而言，铁电场效晶体管包括一具有漏极和源极的半导体基板、一位于半导体基板上的栅极以及一位于栅极和半导体基板之间的铁电层。

铁电场效晶体管的操作原理是对栅极施加正偏压或负偏压，来切换铁电层的极化方向，而铁电层的极化方向会决定漏极和源极之间的通道的导电度(conductance)。因此，可通过对栅极施加改变铁电层的极化方向的临限电压(threshold voltage)，从而改变铁电场效晶体管的电阻率，再通过读取铁电场效晶体管的电阻率，来判断写入铁电场效晶体管的状态(如，1或0)。

现有的铁电层通常是由具有钙钛矿结构的材料所形成，如：锆钛酸铅(PZT)或钽酸锶铋(SBT)。然而，将这两种材料形成于半导体基板上的工艺难度与耗费的成本较高，且与现有的硅工艺并不兼容，因此在成本上仍难以和现有的动态随机存取存储器(DRAM)或与非栅快闪存储器(NAND)竞争。另外，由这两种材料构成的铁电层的厚度需大于200奈米，才能表现出铁电特性，从而使铁电场效晶体管的尺寸难以进一步缩小。

因此，开发另一种制备容易、成本低且厚度较薄的材料，来取代锆钛酸铅(PZT)或钽酸锶铋(SBT)，以应用于存储器阵列中的场效晶体管中，仍为本领域技术人员努力研发的课题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种存储器元件及电荷储存结构的制造方法，其通过利用顺电材料与铁电材料混合而形成的“顺铁电材料”或者是顺电材料层与介电层的叠层结构，来取代原本应用在铁电场效晶体管中的铁电层。

本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种场效晶体管单元，场效晶体管单元包括基板、源极区、漏极区、栅导电层以及电荷储存结构。基板具有一上表面，源极区与漏极区位于基板内并连接上表面，且源极区与漏极区彼此分离以定义出一通道区。栅导电层设置于基板的上表面上，并覆盖位于源极区与漏极区之间的通道区。电荷储存结构位于通道区与栅导电层之间，其中，构成电荷储存结构的材料包括一铁电材料以及一顺电材料。

在本发明的一实施例中，电荷储存结构是由一铁电材料层及一顺电材料层相互堆叠而形成的叠层结构，顺电材料层的能带结构为一量子井结构。

在本发明的一实施例中，顺电材料层包括相互堆叠的一基底材料与一介电材料，基底材料的通式为Hf_(1-x)Si_xO₂，x介于0.02至0.65之间，且介电材料选自氧化铪、氧化锆、氧化钛、氮化钛、氮化钽、氧化铝、氧化钽及其组合所组成的群组中的至少一种。

在本发明的一实施例中，电荷储存结构还包括一阻隔层，且阻隔层直接连接铁电材料层以及顺电材料层两者之中的至少一层。

在本发明的一实施例中，阻隔层位于铁电材料层与顺电材料层之间。

在本发明的一实施例中，阻隔层位于顺电材料层与栅导电层之间，且铁电材料层位于顺电材料层与基板之间。