[发明专利]具有铁电氧化铪的半导体装置及形成该半导体装置的方法

说明书

技术领域

本发明关一般关于半导体装置，且尤其是关于具有铁电氧化铪的复杂半导体装置，以及用于形成相应的半导体装置的方法。

背景技术

集成电路典型地包含非常大量的电路组件形成在给定的芯片面积上，其中，半导体装置代表电路组件的重要实现。举例而言，目前的先进IC(集成电路,integrated circuit,IC)是由数百万个场效晶体管所形成，该场效晶体管又称为MOS晶体管或MOSFET，且一般来说MOSFET可以视为在现代IC中的主要半导体装置。因此，迈向增进的效能和较低的积集体积的努力已经主要导向减少基本晶体管结构的尺寸。持续增进半导体装置效能的驱动力是由微缩的摩尔定律(Moore’s law of scaling)所提出，其要求在IC中的半导体装置的数量指数级地增加，例如，每二到三年变为两倍。结果，晶体管的最小尺寸约每一年指数级的缩小。

尽管多种尺寸微缩制程技术已经被发展并实现来满足摩尔定律，其无法永远持续下去是显而易见的，特别是当由材料所附加的限制在先进微缩节点中变得更加重要时。举例而言，在先进晶体管结构的栅极电极中的栅极介电层厚度变得如此薄(在2nm以下)，使得从该栅极电极到通道区域(通常位于该栅极电极下方)的直接电子穿隧所造成的栅极漏电流随着减低的厚度而增加，结果，基于这种晶体管的任何集成电路的功耗变得无法接受。

在使用高k介电材料时，该栅极漏电的问题可以由设置用高k介电材料(譬如氧化铪基的材料)的栅极介电质来解决，其允许增加该栅极电极到该通道的电容耦合而不需要降低该栅极介电质的厚度。因此，利用高k介电材料实现栅极介电质不仅允许增加个别晶体管组件的效能，也可以降低半导体装置的尺寸并因此在给定的芯片面积中结合了增多的功能性。

为了增加建立在给定芯片面积中的功能性的进一步努力导致了消除第二级储存系统的方法。这些方法是基于非易失性存储装置的发展，其在没有供电时不会失去所储存的信息。在此，努力被导向铁电性RAM或FeRAM的发展，其使用具有铁电性质的介电层。相较于传统的闪存装置，目前的FeRAM显示，在较高的写入效能时有较低的功率使用以及较多的写入-消除循环次数。因此，大量的研究投入在铁电材料上，以提供非易失性存储装置。

因此，铁电材料已经被考虑用于形成高效的电容器。在此使用铁电材料的效果是基于施加在该铁电材料上的适当电场来调整该铁电材料的极化状态的可能性。因为铁电材料的极化状态是会保持的，除非暴露在高的关于该极化状态反向电场或高温下，可能可以“程序化”由铁电材料所形成的电容器，使得所引发的极化状态反应一信息单元。因为所引发的极化状态可以被保持，即使将电源供应从“已程序化”的电容器移除。相对于习知闪存设计的传统储存电容器，该电容器的状态更新(refreshment)是不需要的。铁电材料的另一优点是铁电材料相对高的介电常数(k大于4)，其可以使其能够制造相较于传统半导体装置具有优越效能的半导体装置。