[发明专利]具有成分分级的铁电材料的铁电场效应晶体管及其制造方法

说明书

发明背景

本发明涉及一种铁电场效应晶体管，尤其涉及利用这种晶体管的铁电存储器及制造这种晶体管和存储器的方法。

问题陈述

已知自从20世纪50年代以来，只要能制造出实际应用的铁电存储器，它将提供快速、致密的非易失性存储器，该存储器能在相对低的电压下工作。请参看Orlando Auciello等人的文章，该文章题目为“铁电存储器的物理性质”，登载在杂志“今日物理”1992年7月号的第22到27页上。今天研究的主要类型的铁电存储器是非易失性铁电随机存取存储器或NVFRAM。NVFRAM的一个缺点是在读出它的过程中，它持有的信息被破坏，从而读出功能必须跟随有再写入功能。跟随有再写入的破坏性读出通常要求以两个晶体管和两个电容器(“2T-2C”)来操作存储器，这降低整个电路的密度和效率，也导致制造成本增加。

但是至少40年前已经提出假设，即可能设计一种非易失性非破坏性读出(“NDRO”)存储器，其中存储器元件是单一的铁电场效应晶体管(“FET”)，从而降低传统2T-2C操作的至少一部分的复杂性，请参考Shu-Yau Wu的题目为“新型铁电存储器器件、金属一铁电一半导体晶体管”的文章，该文章登载在1974年8月出版的IEEETransaction On Electron Device的第499到504页；还参考S.Y.Wu的题目为“金属一铁电一半导体晶体管的存储记忆和切换行为”的文章，该文章登载在1976年出版的“Ferroelectrics”的第11卷第379到383页；参考J.R.Scott,C.A.Paz de Araujo和L.D.McMillan的题目为“集成铁电体”的文章，该文章登载在1992年出版的“CondensedMatter News”的第1卷第3期第15到20页。由于在Wu的早先的器件中测量的铁电存储效应仅是暂时的单一态效应而不是长期的双态效应，现在相信这个效应是电荷注入效应而不是由于铁电切换引起的效应。

已有技术中熟知的结构是所谓的金属-铁电-半导体FET(“MFS-FET”)，其中铁电氧化物被形成在半导体衬底上，金属栅电极被放置于铁电氧化物上。当铁电薄膜如PZT直接被形成于半导体衬底如硅上时，高泄漏电流、低记忆次数和疲劳是常见的问题。技术上通常相信其中一些是铁电氧化物与硅之间的较差的界面产生的结果。较差的界面可能是晶体铁电氧化物与硅的晶格和热系数之间的不兼容带来的结果。

而且，在铁电氧化物薄膜直接电连接于晶体管栅电极的栅电极氧化物层时，难以对铁电薄膜施加足够的电压来转换它的极性。铁电薄膜和栅电极氧化物可被视为串联的两个电容器。铁电薄膜的介电常数(通常是100-1000)远高于常规的栅电极氧化物的介电常数(通常是大约3-5)。结果，大部分的压降发生在低介电常数材料两端，需要超高工作电压来切换铁电薄膜的极性。这会导致电路中的栅电极氧化物和其它材料的电击穿。而且，超出3-5V的高工作电压将使器件与传统的集成电路技术不兼容。