本發(fā)明涉及包含鐵電材料的凹陷晶體管。

背景技術(shù)：

存儲器是一種類型的集成電路，且用于計算機系統(tǒng)中以存儲數(shù)據(jù)?？蓪⒋鎯ζ髦圃斐梢换蚨鄠€個別存儲器單元陣列?？墒褂脭?shù)字線(其也可稱為位線、數(shù)據(jù)線、感測線或數(shù)據(jù)/感測線)及訪問線(其也可稱為字線)而使存儲器單元被寫入或被讀取。數(shù)字線可沿著陣列的列導(dǎo)電性地互連存儲器單元，且訪問線可沿著陣列的行導(dǎo)電性地互連存儲器單元?？赏高^數(shù)字線與訪問線的組合唯一地尋址每一存儲器單元。

存儲器單元可為易失性或非易失性。非易失性存儲器單元可長期(含括計算機斷電時)存儲數(shù)據(jù)。易失性存儲器具耗散性且因此需要被刷新/重新寫入，在許多例項中，每秒刷新/重新寫入多次。然而，存儲器單元經(jīng)配置以在至少兩種不同可選狀態(tài)中保存或存儲記憶。在二進制系統(tǒng)中，將所述狀態(tài)視為“0”或“1”。在其它系統(tǒng)中，至少一些個別存儲器單元可經(jīng)配置以存儲信息的多于兩種層次或狀態(tài)。

場效晶體管是一種可用于存儲器單元中的類型的電子組件。這些晶體管包括其間具有半導(dǎo)體溝道區(qū)域的一對導(dǎo)電源極/漏極區(qū)域。導(dǎo)電柵極相鄰于溝道區(qū)域且通過薄柵極絕緣體與溝道區(qū)域分離。將合適電壓施加于柵極允許電流從源極/漏極區(qū)域中的一者流動通過溝道區(qū)域到另一者。當(dāng)從柵極移除電壓時，大大防止電流流動通過溝道區(qū)域。場效晶體管還可含括額外結(jié)構(gòu)(例如可逆可編程電荷存儲區(qū)域)作為柵極構(gòu)造的部分。另外或替代地，除場效晶體管外的晶體管(例如雙極晶體管)可用于存儲器單元中。晶體管可用于許多類型的存儲器中。此外，晶體管可用于及形成于除存儲器外的陣列中。

一種類型的晶體管是鐵電場效晶體管(FeFET)，其中柵極構(gòu)造的至少某個部分包括鐵電材料。此材料以兩個穩(wěn)定極化狀態(tài)為特征。場效晶體管中的這些不同狀態(tài)可以晶體管的不同閾值電壓(Vt)為特征或以選定操作電壓的不同溝道導(dǎo)電性為特征?？赏ㄟ^施加合適編程電壓而改變鐵電材料的極化狀態(tài)，且其導(dǎo)致高溝道電導(dǎo)或低溝道電導(dǎo)中的一者。在移除編程柵極電壓之后(至少一段時間)，由鐵電極化狀態(tài)引起的高電導(dǎo)及低電導(dǎo)保持不變?？赏ㄟ^施加不干擾鐵電極化的小漏極電壓而讀取溝道的狀態(tài)。

附圖說明

圖式是實例性實施例的凹陷FeFET的圖解橫截面視圖。

具體實施方式

常規(guī)FeFET可發(fā)生的問題是：在完全切換鐵電材料的極化狀態(tài)之前，界面氧化物可遭遇分解。此可導(dǎo)致難以使鐵電材料循環(huán)及/或可導(dǎo)致難以完全切換鐵電材料。在本文所呈現(xiàn)的一些實施例中，提出凹陷FeFET。這些凹陷裝置可減輕或防止與常規(guī)FeFET相關(guān)聯(lián)的界面氧化物分解問題。

參考圖式，實例性實施例的晶體管構(gòu)造10展示為并入到基底12中。

基底12可包括半導(dǎo)體材料，且在一些實施例中可包括單晶硅，主要由單晶硅組成，或由單晶硅組成。在一些實施例中，基底12可被視為包括半導(dǎo)體襯底。術(shù)語“半導(dǎo)體襯底”意指包括半導(dǎo)體材料(其含括(但不限于)塊狀半導(dǎo)體材料，例如半導(dǎo)體晶片)(單獨或組合地包括其它材料)及半導(dǎo)體材料層(單獨地或組合地包括其它材料)的任何構(gòu)造。術(shù)語“襯底”指代任何支撐結(jié)構(gòu)，其含括(但不限于)上文所描述的半導(dǎo)體襯底。在一些實施例中，基底12可對應(yīng)于包含與集成電路制造相關(guān)聯(lián)的一或多種材料的半導(dǎo)體襯底。一些材料可位于基底12的所展示區(qū)域下方及/或可橫向地相鄰于基底12的所展示區(qū)域；且可對應(yīng)于(例如)耐火金屬材料、防蝕材料、擴散材料、絕緣體材料等中的一或多者。

半導(dǎo)體基底展示為包括p型摻雜區(qū)域及n型摻雜區(qū)域(其中n型摻雜區(qū)域特別展示為重摻雜“n+”區(qū)域)。

凹槽14延伸到基底12中。所述凹槽延伸到深度“D”。此深度可為任何合適尺寸；且在一些實施例中可在從約到約的范圍內(nèi)。所述凹槽具有寬度“W₁”。此寬度可為任何合適尺寸；且在一些實施例中可在從約14nm到約20nm的范圍內(nèi)。

絕緣材料16內(nèi)襯在凹槽中。所述絕緣材料經(jīng)配置為具有開口向上容器形狀的結(jié)構(gòu)17。絕緣材料16可稱為第一絕緣材料以區(qū)分其與構(gòu)造10的其它絕緣材料，且結(jié)構(gòu)17可稱為第一絕緣結(jié)構(gòu)。絕緣結(jié)構(gòu)17可為同質(zhì)的(如所展示)或可包括多種離散材料(例如，層板)。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)17可包括一或多種氧化物，主要由一或多種氧化物組成，或由一或多種氧化物組成。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)17可包括二氧化硅及氮化硅中的一或兩者，主要由二氧化硅及氮化硅中的一或兩者組成，或由二氧化硅及氮化硅中的一或兩者組成。

絕緣材料16具有厚度“T₁”。此厚度可為任何合適尺寸；且在一些實施例中可在從約到約的范圍內(nèi)。

導(dǎo)電材料18內(nèi)襯在絕緣結(jié)構(gòu)17的內(nèi)部中，且經(jīng)配置為具有開口向上容器形狀的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19。在所展示實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19嵌套在容器形狀的絕緣結(jié)構(gòu)17的下部區(qū)域30內(nèi)，且未沿著絕緣結(jié)構(gòu)17的上部區(qū)域32。

導(dǎo)電材料18可稱為第一導(dǎo)電材料以區(qū)分其與構(gòu)造10的其它導(dǎo)電材料，且結(jié)構(gòu)19可稱為第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19可為同質(zhì)的(如所展示)或可包括多種離散材料。在一些實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19可包括以下一或多者，主要由以下一或多者組成，或由以下一或多者組成：各種金屬(例如，鎢、鈦等)、包含金屬的組合物(例如，金屬氮化物、金屬碳化物、金屬硅化物等)及導(dǎo)電性摻雜半導(dǎo)體材料(例如，導(dǎo)電性摻雜硅、導(dǎo)電性摻雜鍺等)。例如，在一些實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19可包括氮化鈦及氮化鉭中的一或兩者，主要由氮化鈦及氮化鉭中的一或兩者組成，或由氮化鈦及氮化鉭中的一或兩者組成。

導(dǎo)電材料18具有厚度“T₂”。此厚度可為任何合適尺寸；且在一些實施例中可在從約到約的范圍內(nèi)。

鐵電材料20位于容器形狀的結(jié)構(gòu)17及19內(nèi)。所述鐵電材料經(jīng)配置為開口向上的容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)21。在所展示實施例中，鐵電結(jié)構(gòu)21具有在絕緣結(jié)構(gòu)17的下部區(qū)域30內(nèi)的下部區(qū)域34，且具有在所述絕緣結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域32內(nèi)的上部區(qū)域36。鐵電結(jié)構(gòu)21的上部區(qū)域36位于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19上方且直接抵靠絕緣材料16。所述鐵電結(jié)構(gòu)的下部區(qū)域34嵌套在容器形狀的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19內(nèi)。

鐵電結(jié)構(gòu)21可為同質(zhì)的(如所展示)或可包括多種離散材料。在一些實施例中，鐵電結(jié)構(gòu)21可包括一或多種金屬氧化物，主要由一或多種金屬氧化物組成，或由一或多種金屬氧化物組成。例如，在一些實施例中，鐵電結(jié)構(gòu)21可包括以下一或多者，主要由以下一或多者組成，或由以下一或多者組成：鋁、氧化鋁、鈮、氧化鈮、鋯、氧化鋯、鉿、氧化鉿、鈦酸鉛鋯及鈦酸鋇鍶。在一些實施例中，鐵電材料20可在其內(nèi)具有摻雜物，包括硅、鋁、鑭、釔、鉺、鈣、鎂、鍶及稀土元素中的一或多者。在一些實施例中可利用的鐵電材料的兩個特定實例是Hf_xSi_yO_z及Hf_xZr_yO_z。

鐵電材料20具有厚度“T₃”。此厚度可為任何合適尺寸；且在一些實施例中可在從約到約的范圍內(nèi)。

導(dǎo)電材料22位于容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)21的下部區(qū)域34內(nèi)。導(dǎo)電材料22經(jīng)配置為部分填充鐵電結(jié)構(gòu)21的容器形狀的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23。材料22可稱為第二導(dǎo)電材料，且結(jié)構(gòu)23可稱為第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23可為同質(zhì)的(如所展示)或可包括多種離散材料。在一些實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23可包括以下一或多者，主要由以下一或多者組成，或由以下一或多者組成：各種金屬(例如，鎢、鈦等)、包含金屬的組合物(例如，金屬氮化物、金屬碳化物、金屬硅化物等)及導(dǎo)電性摻雜半導(dǎo)體材料(例如，導(dǎo)電性摻雜硅、導(dǎo)電性摻雜鍺等)。例如，在一些實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23可包括氮化鈦及鎢中的一或兩者，主要由氮化鈦及鎢中的一或兩者組成，或由氮化鈦及鎢中的一或兩者組成。

第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23具有最上表面50，其位于第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19的最上表面52下方。

第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23具有橫跨最上表面50的寬度“W₂”。此寬度可為任何合適尺寸；且在一些實施例中，可在從約到約的范圍內(nèi)。

絕緣材料24位于容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)21內(nèi)且位于導(dǎo)電材料22上方。絕緣材料24經(jīng)配置為絕緣結(jié)構(gòu)25。在一些實施例中，絕緣材料24可稱為第二絕緣材料，且結(jié)構(gòu)25可稱為第二絕緣結(jié)構(gòu)。

絕緣結(jié)構(gòu)25可為同質(zhì)的(如所展示)或可包括多種離散材料。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)25可包括二氧化硅及氮化硅中的一或兩者，主要由二氧化硅及氮化硅中的一或兩者組成，或由二氧化硅及氮化硅中的一或兩者組成。

基底12的n型摻雜區(qū)域形成一對源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62，其位于第一絕緣結(jié)構(gòu)17的彼此對置側(cè)上。溝道區(qū)域63位于基底12的p型摻雜部分內(nèi)，且從源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62中的一者延伸到另一者。溝道區(qū)域沿著絕緣結(jié)構(gòu)17的外圍。

盡管源極/漏極區(qū)域展示為n型摻雜區(qū)域且溝道區(qū)域展示為p型摻雜區(qū)域，但在其它實施例中，可利用其它摻雜方案。此外，盡管溝道區(qū)域展示為包括與基底12的其余部分相同的半導(dǎo)體材料，但在其它實施例中，至少一些溝道區(qū)域可包括不同于基底的其它區(qū)域的組合物。在一些實施例中，構(gòu)成溝道區(qū)域63的材料可稱為溝道材料。此溝道材料在一些實施例中可包括基底12的單晶硅，或在其它實施例中可包括其它半導(dǎo)體材料。所述溝道材料可以不同于基底12的其它區(qū)域的方式被摻雜，且可(例如)具有提供在其內(nèi)的閾值電壓摻雜物。

在所展示實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19的最上表面52位于大致相同于源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62的最下表面的層級處，且據(jù)此，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19與源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62存在少量(如果存在)垂直重疊。在其它實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19可至少部分沿著絕緣結(jié)構(gòu)17的所說明上部區(qū)域32延伸，使得導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19與源極/漏極區(qū)域存在垂直重疊。

晶體管構(gòu)造10可用作MFMIS(金屬-鐵電-金屬-絕緣體-襯底)裝置。具體來說，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)23可對應(yīng)于所述裝置的控制柵極，且導(dǎo)電結(jié)構(gòu)19可對應(yīng)于所述裝置的浮動?xùn)艠O。晶體管構(gòu)造10的配置的優(yōu)點是：浮動?xùn)艠O的面積大于控制柵極的面積，因為控制柵極位于容器形狀的浮動?xùn)艠O內(nèi)，且凹陷在浮動?xùn)艠O的最上表面52下方。此可實現(xiàn)相對于常規(guī)裝置改良橫跨鐵電材料20及絕緣材料16的電場分布。在一些實施例中，可橫跨鐵電材料20而產(chǎn)生足夠電場以能夠在即使橫跨絕緣材料16的電場保持低于分解電壓時切換鐵電材料的極性。

所說明晶體管構(gòu)造可為用于集成電路(例如，存儲器陣列)中的多個基本上相同構(gòu)造中的一者。控制柵極可為從相對于圖式的橫截面的頁面向內(nèi)及向外延伸的導(dǎo)電字線的部分，其中此字線表示可橫跨晶體管構(gòu)造陣列延伸的多個字線。位線(未展示)可基本上正交于字線延伸。可通過沿著字線將晶體管構(gòu)造的各種材料(例如，導(dǎo)電材料18、導(dǎo)電性摻雜源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62及(也可能)鐵電材料20)分割成離散片段而沿著字線的方向使晶體管構(gòu)造彼此電隔離。

源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62可電連接到集成電路的其它組件。例如，源極/漏極區(qū)域中的一者可電耦合到位線(未展示)且另一者可電耦合到電荷存儲裝置(例如，電容器)或存儲器單元(例如，相變存儲器單元、導(dǎo)電橋接RAM單元、另一類型的RRAM單元、磁性RAM單元等)。

可利用任何合適制造序列來形成圖式中所展示的構(gòu)造。實例性制造序列可使用屏蔽、蝕刻、植入及沉積的各種組合來形成構(gòu)造的各種材料及結(jié)構(gòu)。例如，可利用基底12上方的圖案化屏蔽及到基底中的合適蝕刻來形成凹槽14。隨后，可利用沉積、蝕刻及(可能)屏蔽的各種組合來使各種材料16、18、20、22及24形成在凹槽內(nèi)。可在形成凹槽之后提供閾值電壓植入物(如果需要)。源極區(qū)域60/漏極區(qū)域62的n型摻雜在一些實施例中可在形成凹槽之前導(dǎo)通，及/或在其它實施例中可在形成凹槽之后導(dǎo)通。

可將上文所討論的電子裝置并入到電子系統(tǒng)中。這些電子系統(tǒng)可用于(例如)存儲器模塊、裝置驅(qū)動器、電力模塊、通信調(diào)制解調(diào)器、處理器模塊及專用模塊中，且可含括多層多芯片模塊。電子系統(tǒng)可為廣范圍的系統(tǒng)中的任何一者，例如時鐘、電視機、蜂窩電話、個人計算機、汽車、工業(yè)控制系統(tǒng)、飛機等。

除非另外指定，否則可使用現(xiàn)已知或待開發(fā)的任何合適方法(含括(例如)原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)等)來形成本文所描述的各種材料、物質(zhì)、組合物等。

術(shù)語“介電”及“電絕緣”中的任一者可用來描述具有電絕緣性質(zhì)的材料。在本發(fā)明中，兩個術(shù)語被視為同義。在一些例項中利用術(shù)語“介電”及在其它例項中利用術(shù)語“電絕緣”可提供語言變動以簡化權(quán)利要求書內(nèi)的先行基礎(chǔ)，且不用來指示任何顯著化學(xué)或電性差異。

圖式中的各種實施例的特定定向僅用于說明目的，且在一些應(yīng)用中，可使實施例相對于所展示定向旋轉(zhuǎn)。本文所提供的具體實施方式及權(quán)利要求書涉及具有各種特征之間的所描述關(guān)系的任何結(jié)構(gòu)，不論所述結(jié)構(gòu)是否處于圖式的特定定向或相對于此定向旋轉(zhuǎn)。

隨附插圖的橫截面視圖僅展示橫截面的平面內(nèi)的特征，且未展示橫截面的平面后方的材料以簡化圖式。

當(dāng)上文提及結(jié)構(gòu)“位于另一結(jié)構(gòu)上”或“抵靠另一結(jié)構(gòu)”時，所述結(jié)構(gòu)可直接位于所述另一結(jié)構(gòu)上或還可存在介入結(jié)構(gòu)。相比之下，當(dāng)提及結(jié)構(gòu)“直接位于另一結(jié)構(gòu)上”或“直接抵靠另一結(jié)構(gòu)”時，不存在介入結(jié)構(gòu)。當(dāng)提及結(jié)構(gòu)“連接”或“耦合”到另一結(jié)構(gòu)時，所述結(jié)構(gòu)可直接連接或耦合到所述另一結(jié)構(gòu)，或可存在介入結(jié)構(gòu)。相比之下，當(dāng)提及結(jié)構(gòu)“直接連接”或“直接耦合”到另一結(jié)構(gòu)時，不存在介入結(jié)構(gòu)。

在實例性實施例中，一種晶體管構(gòu)造含括內(nèi)襯在基底內(nèi)的凹槽中的第一絕緣結(jié)構(gòu)。第一絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)襯在所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中，且鐵電結(jié)構(gòu)內(nèi)襯在所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)位于所述鐵電結(jié)構(gòu)的下部區(qū)域內(nèi)，且所述第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有在所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的最上表面下方的最上表面。第二絕緣結(jié)構(gòu)位于所述第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方且位于所述鐵電結(jié)構(gòu)內(nèi)。一對源極/漏極區(qū)域相鄰于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域且位于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的彼此對置側(cè)上。

在實例性實施例中，一種晶體管構(gòu)造含括基底內(nèi)的開口向上的容器形狀的第一絕緣結(jié)構(gòu)。開口向上的容器形狀的第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)嵌套在所述容器形狀的第一絕緣結(jié)構(gòu)的下部區(qū)域內(nèi)。開口向上的容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)位于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)且位于所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)位于所述容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)的下部區(qū)域內(nèi)。所述第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有在所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的最上表面下方的最上表面。第二絕緣結(jié)構(gòu)位于所述第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方且位于所述容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)內(nèi)。一對源極/漏極區(qū)域相鄰于所述容器形狀的第一絕緣結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域且位于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的彼此對置側(cè)上。溝道材料沿著所述容器形狀的第一絕緣結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域且從所述源極/漏極區(qū)域中的一者延伸到另一者。

在實施性實施例中，一種晶體管構(gòu)造含括半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底具有在其內(nèi)延伸的凹槽。第一絕緣材料內(nèi)襯在所述凹槽中且經(jīng)配置為具有開口向上容器形狀的第一絕緣結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)電材料位于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)。所述第一導(dǎo)電材料沿著所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀的下部區(qū)域且未沿著所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀的上部區(qū)域。所述第一導(dǎo)電材料經(jīng)配置為具有開口向上容器形狀的第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)且嵌套在所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀的所述下部區(qū)域內(nèi)。鐵電材料位于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)及所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)內(nèi)。所述鐵電材料經(jīng)配置為具有開口向上容器形狀的鐵電結(jié)構(gòu)。所述鐵電結(jié)構(gòu)容器形狀的上部區(qū)域位于所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方且直接抵靠所述第一絕緣結(jié)構(gòu)，且所述鐵電結(jié)構(gòu)的下部區(qū)域嵌套在所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀內(nèi)。第二導(dǎo)電材料位于所述鐵電結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀的下部區(qū)域內(nèi)。所述第二導(dǎo)電材料經(jīng)配置為具有在所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的最上表面下方的最上表面的第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。第二絕緣材料位于所述第二導(dǎo)電材料上方且位于所述鐵電結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀內(nèi)。一對源極/漏極區(qū)域相鄰于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的所述開口向上容器形狀的所述上部區(qū)域且位于所述第一絕緣結(jié)構(gòu)的彼此對置側(cè)上。