[发明专利]垂直式铁电薄膜储存晶体管和资料写入及读出方法

说明书

本发明实施例公开了一种垂直式铁电薄膜储存晶体管及应用其上的资料写入方法与资料读出方法，该垂直式铁电薄膜储存晶体管包括：一基底，具有一第一表面；一第一导线结构，位于该第一表面上方；一第一绝缘层，位于该第一导线结构上方；一第二导线结构，位于该第一绝缘层的表面上；一第二绝缘层，位于该第二导线结构上方；一垂直孔，以与该第一表面垂直的方向穿过该第二绝缘层、该第二导线结构、该第一绝缘层、该第一导线结构及该基底；一通道层，位于该垂直孔的孔壁表面，并与该第一导线结构及该第二导线结构完成电性接触；一内介电层；一铁电层；一栅极结构；以及一第三导线结构，位于该第二绝缘层上方或该基底中，与该栅极结构完成电性接触。

技术领域

本发明是有关于一种铁电薄膜储存晶体管及应用其上的资料写入方法与资料读出方法，尤其是有关于一种垂直式铁电薄膜储存晶体管及应用其上的资料写入方法与资料读出方法。

背景技术

铁电薄膜储存晶体管是一种正在发展中的非挥发性内存，而铁电薄膜储存晶体管的传统结构示意图如图1所示，其包括栅极12、铁电层14、源极16以及漏极18的晶体管结构。在特定的电压条件下，源极16和漏极18之间会形成一个半导体通道19。此外，为了防止半导体通道19中的电荷扩散到铁电层14之中，一般还可以在铁电层14与半导体通道19之间设置一层介电层15。

通过对栅极12、源极16以及漏极18上所施加电压的控制，便可以在铁电层14上形成预定的极化方向，藉此写入资料”1”或”0”。但是，由图式中可以清楚看出，由于电流经过的通道方向与基底表面呈现平行，而源极16以及漏极18与第一导线结构111及第二导线结构112的接触面也是与基底10表面平行，为能降低电路的电阻，通常接触面、栅极12与铁电层14都必须维持足够的面积，因此占用不少的芯片面积，使得传统结构所完成的水平式铁电薄膜储存晶体管无法在有限面积的芯片中完成足够的内存单元，改善现有技术的缺失为本发明实施例的主要目的之一。

发明内容

因上述需求，本发明实施例除了提供垂直式铁电薄膜储存晶体管及制作方法之外，还进一步揭露了可应用于本案垂直式铁电薄膜储存晶体管之上的资料写入方法与资料读出方法。

一方面，本发明实施例提供的一种垂直式铁电薄膜储存晶体管，包括：一基底，具有一第一表面；一第一导线结构，位于该基底的该第一表面上方；一第一绝缘层，位于该第一导线结构上方；一第二导线结构，位于该第一绝缘层的表面上；一第二绝缘层，位于该第二导线结构上方；一垂直孔，以与该第一表面垂直的方向穿过该第二绝缘层、该第二导线结构、该第一绝缘层、该第一导线结构及该基底；一通道层，位于该垂直孔的孔壁表面，并与该第一导线结构及该第二导线结构完成电性接触；一内介电层，位于该垂直孔中的该通道层的一侧；一铁电层，位于该垂直孔中的该内介电层的一侧；一栅极结构，位于该垂直孔中的该铁电层的一侧；以及一第三导线结构，位于该第二绝缘层上方或该基底中，且该第三导线结构与该栅极结构完成电性接触。

在本发明的一个实施例中，该基底为一半导体基底，该第一导线结构、该第二导线结构及该第三导线结构为金属导线结构，该第一绝缘层及该第二绝缘层为二氧化硅层，该通道层为多晶硅通道层，该内介电层为二氧化硅层或氮氧化硅层，该铁电层为含掺杂的HfO2铁电体层或含掺杂的HfZrOx铁电体层，其中掺杂剂包括：Si、Al、La、Y、Sr、Gd、Nb、Ni和Ta中之一或其组合，该栅极结构为氮化钛(TiN)。

在本发明的一个实施例中，在该第一导线结构上提供一”零”电位，该栅极结构上提供一导通电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管所储存的资料由该第二导线结构被读出。

在本发明的一个实施例中，在该第一导线结构及该第二导线结构上分别提供一第一电位，在该栅极结构上提供一第二电位，其中该第二电位大于该第一电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管被写入一第一资料。

在本发明的一个实施例中，在该第一导线结构及该第二导线结构上分别提供一第三电位，在该栅极结构上提供一第四电位，其中该第三电位大于该第四电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管被写入一第二资料。