面上形成小于7%的含氧量。舉例而言，該氮含量可以在該沉積制程130中被改變以使得想要的氧含量分布和想要的氧梯度可以被建立在整個(gè)TiN層132。在一明確的范例中，在該上表面132u的含氧量可以是在約2-5%的范圍內(nèi)的且在該接口的含氧量可以低于5%。
[0044]在另一特定例示范例中，包含PVD制程的沉積制程130是在氮?dú)庵袑?shí)行。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解特定的鈦/氮比例可以在該沉積制程130中被調(diào)整。在形成該TiN層132之后，可以在含氧的氣體中實(shí)行熱退火制程，用以形成在該TiN層132中想要的含氧量分布。舉例而言，可以形成上述的含氧量分布。在一特定的例示方法中，可以在該TiN層132中提供氧梯度。該氧梯度可以如上所述的設(shè)置。
[0045]圖1c繪示依據(jù)的一些例示實(shí)施例的在制程中更進(jìn)一步的階段中的該半導(dǎo)體裝置100。熱退火制程140被實(shí)行來(lái)至少部分地在該未摻雜的非晶HfOJi 122中造成鐵電相。在一些例示范例中，該TiN層132可以完全覆蓋該未摻雜的非晶HfOJl 122，以便在該熱退火制程140中獲得該HfO2層晶體的完全保持的成核(fully kept nucleat1n)。
[0046]在本揭露的一些例示實(shí)施例中，該熱退火制程可以是快速熱退火制程，其將該半導(dǎo)體裝置100在該熱退火制程140中暴露在約400-1100°C的溫度中，且為了最佳結(jié)果，暴露在約800°C中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解該退火溫度可依據(jù)該未摻雜的非晶HfOJl 122的厚度而定且可以對(duì)應(yīng)地選擇。
[0047]圖2繪示鐵電性的未摻雜氧化鉿材料，譬如未摻雜的HfOJl 122，在實(shí)行熱退火制程140之后的磁滯曲線(xiàn)H。
[0048]繪示在圖2中的圖示具有代表極化狀態(tài)P(以μ C/cm2為單位)的縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)代表施加電壓U(任意單位，例如在1-5V的范圍內(nèi)且不以此限制本揭露)的橫坐標(biāo)。圖2的圖示的原點(diǎn)O代表零極化狀態(tài)和零施加電壓U，如圖2中的虛線(xiàn)所示。
[0049]如圖2中可見(jiàn)的，鐵電性的特質(zhì)藉由通過(guò)兩個(gè)飽和極化狀態(tài)Psat和-P sat之間的磁滯的材料極化狀態(tài)來(lái)描述。舉例而言，當(dāng)從其上具有最小的極化狀態(tài)-Psat的U#曾加電壓U到最大電壓U2,該材料的極化狀態(tài)沿著該磁滯曲線(xiàn)H的部分曲線(xiàn)Hl變化并變?yōu)轱柡偷?P假設(shè)該飽和極化狀態(tài)Psat)。當(dāng)再次降低該施加電壓U從最大極化狀態(tài)Psat的U 2到U i，該極化狀態(tài)如該磁滯曲線(xiàn)H的部分曲線(xiàn)H2所示地變化，直到極化狀態(tài)在仏變?yōu)轱柡?負(fù)的飽和極化狀態(tài)-Psat)。注意到在該電壓U2/UA后進(jìn)一步增加/減少該電壓U不會(huì)確實(shí)改變?cè)摌O化狀態(tài)，因?yàn)樵撹F電材料的全部偶極子在由該施加電壓所實(shí)行的電場(chǎng)中對(duì)齊了，且因此預(yù)期是飽和狀態(tài)。
[0050]在從U2/U^始減少/增加該電壓U到零的過(guò)程中，該極化狀態(tài)減少/增加(沿著H2/H1)到在U = O時(shí)不會(huì)消失的極化狀態(tài)值Pr/-Pr，通常稱(chēng)為”永久極化狀態(tài)”。依據(jù)由先前施加電壓所造成的先前引起的飽和極化狀態(tài)，可因此保持鐵電材料的特定永久極化狀態(tài)，即使將該鐵電材料從電源斷接之后。以這個(gè)方法，鐵電材料可以被”程序化”成永久極化狀態(tài)，其允許用來(lái)識(shí)別先前施加的電壓水平，亦即，大于或小于零。
[0051]發(fā)明人觀(guān)察到約2 μ C/cm2的永久極化狀態(tài)，在依據(jù)一些例示實(shí)施例(其關(guān)于圖1a到Ic以及圖2在以上討論)的上述由TiN層覆蓋的鐵電性的未摻雜HfO2層中。在包含具有6nm厚度的未摻雜HfOJl的其他實(shí)驗(yàn)中，觀(guān)察到約10 μ C/cm2的永久極化狀態(tài)。
[0052]本揭露的一些例示應(yīng)用將參考圖3a和3b進(jìn)一步地討論。在圖3a中，顯示半導(dǎo)體裝置300a。該半導(dǎo)體裝置300a可以形成在基板302a中及上。該基板302a可類(lèi)似于以上參考圖1a所述的基板102。如圖3a所示，該半導(dǎo)體裝置300a包含柵極電極結(jié)構(gòu)310a形成在該基板302a的表面部分上方。在一明確的范例中，該柵極電極結(jié)構(gòu)310a可包含可選S1N層312a、未摻雜的鐵電HfOJl 314a、TiN層316a以及柵極材料層318，譬如多晶硅材料層。在該柵極電極結(jié)構(gòu)310a的相反端，源極區(qū)域322和漏極區(qū)域324形成在該基板302a中。該S1N層312a是選擇性的，如虛線(xiàn)所示。這并不對(duì)本揭露做出任何限制且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解S12層可以形成來(lái)取代該S1N層312a，或替代地，該未摻雜的鐵電HfOJl314a可以直接沉積在該基板302a上。
[0053]在本揭露的一些例示實(shí)施例中，該半導(dǎo)體裝置300a可以被作為FeFET來(lái)運(yùn)作。在此，該源極區(qū)域322和漏極區(qū)域324可以耦合成源極/漏極接觸(未圖示)，且該柵極電極318可以耦合成柵極接觸(未圖示)。可理解該源極區(qū)域322可耦接至源極電位Vs、該漏極區(qū)域324可耦接至漏極電位Vd且該柵極結(jié)構(gòu)310a可耦接至柵極電位Vg。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解靜止?fàn)顟B(tài)可以是Vg = 0V, Vd = 0V, Vs = 0V。
[0054]在以下用于該半導(dǎo)體裝置300a的例示運(yùn)作模式的討論中，假設(shè)該半導(dǎo)體裝置300a示N通道FeFET配置。在此，舉例而言，該基板302a可以至少部分地鄰接到該半導(dǎo)體裝置300a設(shè)置為P型阱，且由內(nèi)嵌在該基板302a中的N型摻雜區(qū)域來(lái)設(shè)置該源極區(qū)域322和漏極區(qū)域324。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解到，在一些例示范例中，該源極電位Vd可以由第一位線(xiàn)(未圖示)供應(yīng)、該源極電位Vs可以由第二位線(xiàn)(未圖示)供應(yīng)，且該柵極電位Vg可以由字線(xiàn)(未圖示)供應(yīng)。
[0055]在N通道FeFET中，可藉由提供電壓脈沖到該柵極電極結(jié)構(gòu)310a，其中，該電壓脈沖具有振福Vp，來(lái)達(dá)成將該鐵電未摻雜HfOJl 314a轉(zhuǎn)換到第一極化狀態(tài)來(lái)程序化該半導(dǎo)體裝置300a。在本文的一些例示范例中，該第一極化狀態(tài)可以關(guān)聯(lián)于訊息狀態(tài)”0”。因此，當(dāng)設(shè)定該電壓脈沖的振幅為_(kāi)Vp，可以在該鐵電未摻雜HfOJl 314a中定義第二極化狀態(tài)。該第二極化狀態(tài)可以，舉例而言，識(shí)別為訊息狀態(tài)”1”。這并不會(huì)對(duì)本揭露做出任何限制，且替代地，可以反轉(zhuǎn)該訊息狀態(tài)到極化狀態(tài)的指派。
[0056]參考以上圖2的討論，該振幅Vp可以實(shí)質(zhì)上等于以上參考圖2討論的U2。另一方面，該振幅-Vp可以實(shí)質(zhì)上等于以上參考圖2討論的U10然而，這并不對(duì)本揭露做出任何限制，且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解可以選擇不會(huì)完全引起該未摻雜的鐵電HfOJl 314a的飽和極化狀態(tài)的振幅Vp和-Vp。應(yīng)理解到，在程序化中，電位Vd和Vs是設(shè)為OV以得到最佳結(jié)果。
[0057]在關(guān)閉供應(yīng)給該柵極電極結(jié)構(gòu)310a的程序化電位之后，永久極化狀態(tài)(請(qǐng)見(jiàn)圖2中的Pr或-Pr)將保留在該未摻雜的鐵電HfOJl 314a中。因此，對(duì)應(yīng)由Vp所引起的第一極化狀態(tài)的永久極化狀態(tài)可以關(guān)聯(lián)于訊息狀態(tài)”0”而對(duì)應(yīng)-Vp的永久極化狀態(tài)可以關(guān)聯(lián)于該半導(dǎo)體裝置300a的訊息狀態(tài)” I”。
[0058]該未摻雜的鐵電HfOJl 314a的非消失性永久極化狀態(tài)造成該半導(dǎo)體裝置300a的臨界電壓的偏移。因?yàn)樵撐磽诫s的鐵電HfOJl 314a的不同永久極化狀態(tài)關(guān)聯(lián)于不同的訊息狀態(tài)”O(jiān)這些不同的永久極化狀態(tài)在程序化之后造成該半導(dǎo)體裝置300a不同的臨界電壓。當(dāng)施加預(yù)定的柵極電位到該柵極電極結(jié)構(gòu)310a時(shí)，依據(jù)判定在該源極區(qū)域322和該漏極區(qū)域324之間的電流，可以判定不同的臨界電壓，且因此，可以判定不同的訊息狀態(tài)，，0，，、，，1”。
[0059]在本文的一特殊例示范例中，可以藉由施加?xùn)艠O電位Vg = Vr到該柵極電極結(jié)構(gòu)310a以及漏極電位Vd = Vdr到該漏極322來(lái)實(shí)施從該半導(dǎo)體裝置300a進(jìn)行讀取。在本文的明確范例中，該源極322可以耦接至源極電位Vs = 0V。要理解到當(dāng)從該半導(dǎo)體裝置300a讀取信息時(shí)，藉由程序化電位”+Vp”的程序化造成的訊息狀態(tài)” O”會(huì)造成比以程序化電位” -Vp”的程序化造成的訊息狀態(tài)” I”更大的源極/漏極電流。因此，藉由在施加預(yù)設(shè)的讀取電位Vr到該柵極電極結(jié)構(gòu)310a和讀取電位Vdr到該漏極322下，流經(jīng)該源極區(qū)域322和該漏極區(qū)域324之間的電流量可以辨別該訊息狀態(tài)”0”、”1”。此外，如上述的讀取程序可以是非破壞性的，亦即，可以保留由在該鐵電未摻雜HfOJl 314a中引起的特定極化狀態(tài)所施加在該柵極電極結(jié)構(gòu)310a上的訊息狀態(tài)，特別是當(dāng)選擇讀取電壓具有一絕對(duì)值，其小于所施加的程序化電位的絕對(duì)值時(shí)。
[0060]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解由本揭露所提供的用于形成半導(dǎo)體裝置的方法非常輕易能被包含到現(xiàn)有的復(fù)雜半導(dǎo)體裝置的制造流程中。平行地制造大量的半導(dǎo)體裝置是可能的，其中，在半導(dǎo)體裝置的HfO2層中的鐵電特性可以選擇性地被調(diào)整或被「啟動(dòng)」而不需要摻雜物，且因此，不需要增加額外的摻雜程序到現(xiàn)有的制程中。
[0061]在本揭露的一些例示實(shí)施例中，可以達(dá)成只在所選擇的半導(dǎo)體裝置上選擇性地形成TiN層，譬如參考圖1a-1c所討論的該TiN層132或是以上參考圖3a所述的該TiN層316a，舉例而言，藉由屏蔽該基板302a (半導(dǎo)體裝置將被制造于該基板302a中)上的部分，在這些部分不應(yīng)具有任何鐵電特性。
[0062]在本文的一些明確范例中，第一和第二半導(dǎo)體裝置可以設(shè)置在基板的第一和第二主動(dòng)區(qū)域中，譬如，舉例而言，如以上參考圖1a和3a所述的基板。該第一和第二主動(dòng)區(qū)域可以由隔離結(jié)構(gòu)來(lái)分開(kāi)，譬如STI結(jié)構(gòu)及/或在其間形成的一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)區(qū)域。
[0063]可以在該第一和第二主動(dòng)區(qū)域之上形成非摻雜的非晶HfOJl，使得第一非摻雜的非晶HfO2層可以形成在該第一主動(dòng)區(qū)域之上且第二非摻雜的非晶HfO2層可以形成在該第二主動(dòng)區(qū)域之上。因此，在這個(gè)制造階段，該第一半導(dǎo)體裝置可包含第一非摻雜的非晶HfO2層，且在這個(gè)制造階段，該第二半導(dǎo)體裝