[发明专利]半导体强电介质存储元件的制造方法和半导体强电介质存储晶体管

说明书

本发明提供FeFET及其制造方法，该FeFET在不损害以往开发的FeFET具有的10⁵秒以上的数据保持特性和10⁸次以上的耐数据改写性特性的情况下，将强电介质的膜厚(d_f)减小至59nmd_f150nm的范围以适于微细化，可进行写入电压的绝对值为3.3V以下的数据的写入。半导体强电介质存储元件的制造方法的特征在于，其是在半导体基体上按以下顺序形成了绝缘体、由铋层状钙钛矿结晶的强电介质的构成元素构成的膜、和金属后进行强电介质结晶化退火而制造的由半导体基体和绝缘体和强电介质和金属构成的元件的制造方法，上述膜由Ca和Sr和Bi和Ta和氧原子构成，上述金属由Ir或Pt或Ir和Pt的合金或Ru构成，上述强电介质结晶化退火在氮中加入了氧的混合气体中或者在氩中加入了氧的混合气体中进行。

技术领域

本发明涉及半导体强电介质存储元件的制造方法和半导体强电介质存储晶体管，更详细地说，涉及低电压动作型的半导体强电介质存储晶体管和半导体强电介质存储元件的制造方法。

背景技术

在栅极绝缘体中包含强电介质的强电介质栅极场效应晶体管(Ferroelectric-gate field effect transistor，FeFET)作为具有存储功能的晶体管受到了关注。多年来，存在数据保持时间短的问题，但是，专利文献1中公开了如下的实施例：在电极导体/强电介质/绝缘体/半导体的栅极层叠由金属Pt和作为Bi层状钙钛矿结构的结晶的1种的SBT(SrBi₂Ta₂O₉)和高介电常数的绝缘体Hf-Al-O和半导体Si(Pt/SrBi₂Ta₂O₉/Hf-Al-O/Si)构成的FeFET中，对漏极电流的开状态和关状态分别进行了长期测定，其结果是，两状态极其稳定地持续，1周后的开状态与关状态的漏极电流之比为10⁵以上。同样在专利文献1中，公开了即使是由Pt/SrBi₂Ta₂O₉/HfO₂/Si构成的FeFET也具有优异的数据保持特性。这样由专利文献1证实了FeFET作为真正保持数据的储存晶体管发挥作用。在专利文献1中，评价数据的耐改写性，即使在10¹²次的改写后读出的开状态和关状态也能够被充分地识别出。这样的优异的数据的耐改写性的理由尚未明确地获知，但认为是因为强电介质由Bi层状钙钛矿结构结晶构成。Bi层状钙钛矿结构中强电介质性(即，原子根据施加的电场的方向而变形、将电场去除后其变形也残留、电极化没有回到零的性质)主要在钙钛矿的部分产生。由于位于钙钛矿间的Bi的层状氧化物如缓冲层那样发挥作用，因此即使反复进行用于数据的改写即写入的电场的反转，在与Pt等其他层的界面处也难以产生不利情形，认为这关系到FeFET的优异的耐改写性。

专利文献2中公开了使用了Bi层状钙钛矿即(Bi,Nd)₄Ti₃O₁₂作为强电介质的FeFET。非专利文献1中公开了使用了Bi层状钙钛矿即(Bi,La)₄Ti₃O₁₂作为强电介质的FeFET。

专利文献3中公开了使用CSBT(Ca_xSr_1-xBi₂Ta₂O₉)作为Bi层状钙钛矿的强电介质、由Pt/Ca_xSr_1-xBi₂Ta₂O₉/Hf-Al-O/Si构成的FeFET具有优异的数据保持特性和优异的耐数据改写性。