[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

在制造负电容结构的方法中，在衬底上方形成介电层。在介电层上方形成第一金属层。在形成第一金属层之后，执行退火操作，随后执行冷却操作。形成第二金属层。在冷却操作之后，介电层变为包括正交晶相的铁电介电层。第一金属层包括(111)取向的晶体层。本发明实施例涉及半导体器件及其制造方法。

技术领域

本发明实施例涉及半导体集成电路，并且更具体地，涉及包括负电容场效应晶体管(NC FET)的半导体器件及其制造方法。

背景技术

亚阈值摆幅是晶体管的电流-电压特性的一个特征。在亚阈值区域中，漏极电流行为类似于正向偏压二极管的指数型增长的电流。在金属氧化物半导体(MOS)FET工作区域中，在漏极、源极和体(bulk)电压均固定的条件下，漏极电流相对于栅极电压的对数曲线将显现出近似的对数线性特性。为了改善亚阈值性能，已经提出了使用铁电材料的负电容场效应晶体管(NC FET)。

发明内容

根据本发明的一些实施例，提供了一种制造负电容结构的方法，所述方法包括：在衬底上方形成介电层；在所述介电层上方形成第一金属层；在形成所述第一金属层之后，执行退火操作，随后执行冷却操作；以及在所述介电层上方形成第二金属层，其中：在所述冷却操作之后，所述介电层变为包括正交晶相的铁电介电层，以及所述第一金属层包括(111)取向的晶体层。

根据本发明的另一些实施例，还提供了一种制造负电容结构的方法，所述方法包括：在衬底上方形成晶种介电层；在所述晶种介电层上方形成介电层；在所述介电层上方形成第一金属层；以及在形成所述第一金属层之后，执行退火操作，随后执行冷却操作，其中：在所述冷却操作之后，所述介电层变为包括正交晶相的铁电介电层，并且所述晶种介电层变为包括正交晶相的铁电介电层。

根据本发明的又一些实施例，还提供了一种负电容场效应晶体管(NCFET)，包括：沟道层，由半导体制成；铁电介电层，设置在所述沟道层上方；以及栅电极层，设置在所述铁电介电层上方，其中，所述铁电介电层包括(111)取向的正交晶体。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。

图1A示出了金属-绝缘体-半导体(MIS)FET型NC FET的截面图，和图1B示出了金属-绝缘体-金属-绝缘体半导体(MIMIS)FET型NC FET的截面图。

图2A、图2B、图2C和图2D示出了根据本发明的实施例的负电容结构的制造操作的各个阶段。

图3A、图3B、图3C和图3D示出了根据本发明的实施例的负电容结构的制造操作的各个阶段。图3E和图3F示出了根据本发明的另一个实施例的负电容结构的制造操作的各个阶段。

图4A、图4B、图4C和图4D示出了HfO₂的各种原子结构。图4E示出了X射线衍射(XRD)测量结果。

图5和图6示出了电子能量损失谱(EELS)测量结果。

图7A、图7B、图7C和图7D示出了根据本发明的实施例的NC FET的制造操作的各个阶段。

图8A、图8B、图8C和图8D示出了根据本发明的实施例的NC FET的制造操作的各个阶段。

图9A、图9B和图9C示出了根据本发明的实施例的NC FET的制造操作的各个阶段。

图10A、图10B和图10C示出了根据本发明的实施例的NC FET的制造操作的各个阶段。

图11A、图11B和图11C示出了根据本发明的实施例的NC FET的制造操作的各个阶段。