[发明专利]包括集成栅极选择器的三维铁电存储器阵列及其形成方法

说明书

本发明公开了一种铁电场效应晶体管(FeFET)，该FeFET包括：半导体沟道；源极区，该源极区接触该半导体沟道的一个端部；漏极区，该漏极区接触该半导体沟道的第二端部；栅极电极；铁电栅极介电层，该铁电栅极介电层位于该半导体沟道和该栅极电极之间；和双向选择器材料层，该双向选择器材料层位于该栅极电极和该铁电栅极介电层之间。

相关申请

本申请要求提交于2019年11月25日的美国非临时专利申请序列号16/694340的优先权的权益，该美国非临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开整体涉及半导体器件领域，并且具体地涉及包括集成栅极选择器的三维铁电存储器阵列及其制造方法。

背景技术

铁电材料是指在不存在所施加电场的情况下显示电荷的自发极化的材料。在最小能量状态下，铁电材料内电荷的净极化P为非零。因此，材料发生自发铁电极化，并且铁电材料在两个相对表面上积聚相反极性类型的表面电荷。铁电材料的极化P随跨铁电材料所施加的电压V的变化而显示出滞后。铁电材料的剩余极化和矫顽场的乘积是用于表征铁电材料的有效性的度量。

铁电存储器器件是包含用于存储信息的铁电材料的存储器器件。铁电材料充当存储器器件的存储器材料。根据施加到铁电材料的电场的极性，对铁电材料的偶极矩以两个不同取向(例如，“上”或“下”极化位置，基于晶格中的原子位置，诸如氧原子位置和/或金属原子位置)进行编程，以存储铁电材料中的信息。可通过由铁电材料的偶极矩生成的电场来检测铁电材料的偶极矩的不同取向。例如，可通过测量流过在场效应晶体管铁电存储器器件中邻近铁电材料设置的半导体沟道的电流来检测偶极矩的取向。

发明内容

根据本公开的一个方面，一种铁电场效应晶体管(FeFET)包括：半导体沟道；源极区，该源极区接触半导体沟道的一个端部；漏极区，该漏极区接触半导体沟道的第二端部；栅极电极；铁电栅极介电层，该铁电栅极介电层位于半导体沟道和栅极电极之间；和双向选择器材料层，该双向选择器材料层位于栅极电极和铁电栅极介电层之间。

根据本公开的另一方面，提供了一种形成半导体器件的方法，该方法包括：在衬底上方形成沟道层级绝缘层；在沟道层级绝缘层的层级处形成半导体沟道的竖直堆叠；直接在半导体沟道的竖直堆叠上形成堆叠，该堆叠从一侧到另一侧包括铁电栅极介电层、双向选择器材料层和栅极电极；以及在半导体沟道中的每个半导体沟道的一个端部上提供源极区并且在半导体沟道中的每个半导体沟道的另一端部上提供漏极区，其中半导体沟道、源极区和漏极区中的每一者接触铁电栅极介电层，并且沟道层级绝缘层中的每个沟道层绝缘层接触源极区中的相应一个源极区和漏极区中的相应一个漏极区。

附图说明

图1为根据本公开的第一实施方案的在形成至少一个外围器件和半导体材料层之后的第一示例性结构的示意性竖直剖面图。

图2为根据本公开的第一实施方案的在形成绝缘层和牺牲材料层的交替堆叠之后的第一示例性结构的示意性竖直剖面图。

图3是根据本公开的第一实施方案的在形成阶梯式平台和后向阶梯式介电材料部分之后的第一示例性结构的示意性竖直剖面图。

图4A为根据本公开的第一实施方案的在形成存储器开口和支撑开口之后的第一示例性结构的示意性竖直剖面图。

图4B为图4A的第一示例性结构的俯视图。竖直平面A-A’为图4A的剖面的平面。

图5为根据本公开的第一实施方案的在使沟道层级绝缘层对于晶体管间层级绝缘层和牺牲材料层选择性地横向凹陷之后的第一示例性结构的示意性竖直剖面图。

图6为根据本公开的第一实施方案的在形成具有管状构型的半导体沟道之后的第一示例性结构的示意性竖直剖面图。