[发明专利]铁电场效晶体管装置

说明书

铁电场效晶体管装置，包括使用原子层沉积(ALD)沉积的铁电材料层。借由控制ALD沉积序列的参数，可以设计铁电层的晶体结构和铁电特性。包括相对较短前驱物脉冲持续时间和连续前驱物脉冲之间的清洗持续时间的ALD沉积序列可提供具有相对均匀晶粒尺寸和小平均晶粒尺寸的铁电层，这可以提供有效的铁电效能。包括相对较长前驱物脉冲持续时间和连续前驱物脉冲之间的清洗持续时间的ALD沉积序列可提供具有较不均匀晶粒尺寸和较大平均晶粒尺寸的铁电层。具有较大平均晶粒尺寸的铁电层可表现增强的结晶度和稳定的正交晶相，特别是在相对较薄的层中。

技术领域

本公开是关于一种铁电场效晶体管装置，特别是具有改进的铁电特性的铁电场效晶体管装置。

背景技术

铁电(ferroelectric；FE)存储器由于其快速的写入/读取速度、低功耗和小尺寸而成为下一代非易失性存储器优势的候选者。然而，可能难以将FE材料与常用的半导体装置材料和结构整合，同时保持合适的铁电特性和装置效能。

发明内容

本公开提供一种铁电场效晶体管装置。铁电场效晶体管装置包括栅极电极、半导体通道层、栅极介电材料、源极电极、以及漏极电极。栅极介电材料包括位在栅极电极和半导体通道层之间的铁电材料层。铁电材料层包括7nm或更大的平均晶粒尺寸。源极电极接触半导体通道层。漏极电极接触半导体通道层。

本公开提供一种铁电随机存取存储器装置。铁电随机存取存储器装置包括晶体管和电容。晶体管包括栅极电极、半导体通道层、栅极介电材料、源极电极、以及漏极电极。栅极介电材料位在栅极电极和半导体通道层之间。源极电极接触半导体通道层。漏极电极接触半导体通道层。电容包括第一电极板、第二电极板、以及铁电材料层。第一电极板耦接至晶体管的源极电极或漏极电极中之一者。铁电材料层位在第一电极板和第二电极板之间。铁电材料层包括7nm或更大的平均晶粒尺寸。

本公开提供一种铁电装置结构的制造方法。铁电装置结构的制造方法包括使用原子层沉积制程形成铁电材料层；以及在300℃和900℃之间的温度下退火铁电材料层。当铁电材料层的厚度大于阈值厚度时，多个原子层沉积前驱物脉冲的每一者的脉冲持续时间为1秒或更短，并且多个连续原子层沉积前驱物脉冲之间的清洗持续时间为3秒或更短。当铁电材料层的上厚度小于阈值厚度时，原子层沉积前驱物脉冲的每一者的脉冲持续时间大于1秒，并且连续原子层沉积前驱物脉冲之间的清洗持续时间大于3秒。

附图说明

公开实施例可通过阅读以下的详细说明以及范例并配合相应的图式以更详细地了解。需要注意的是，依照业界的标准操作，各种特征部件并未依照比例绘制。事实上，为了清楚论述，各种特征部件的尺寸可以任意地增加或减少。

图1A是根据各种实施例的显示了可用于形成铁电(FE)材料层的原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)系统的前驱物脉冲序列(precursor pulse sequence)的曲线图。

图1B是根据各种实施例的显示了可用于形成FE材料层的ALD系统的替代前驱物脉冲序列的曲线图。

图2A是在退火制程之前和之后借由如图1A所示的ALD前驱物脉冲序列所沉积的FE材料层的结构的示意图。

图2B是在退火制程之前和之后借由如图1B所示的ALD前驱物脉冲序列所沉积的FE材料层的结构的示意图。

图3显示了借由如图1A和图1B所示的ALD前驱物脉冲序列个别沉积的两个样品氧化铪锆FE材料层的X光绕射(X-ray diffraction；XRD)图案。

图4A是根据本公开实施例的在形成铁电(FE)装置结构的阵列之前的第一示例性结构的垂直剖面图。

图4B是根据本公开实施例的在形成铁电(FE)装置结构的阵列期间的第一示例性结构的垂直剖面图。