專利名稱：適用于非易失性存儲器的隧道晶體管的制作方法
本申請基于在日本提交的編號為H11-299679的申請，其內容在此作為參考。
本發明涉及一種適用于非易失性存儲器的隧道晶體管。
在MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)中，在半導體基片上淀積一層薄的氧化絕緣膜，在該絕緣膜上設置柵極，其作為晶體管的操作是基于這樣的原理，即流經位于柵極下面的源極和漏極之間的一個半導體溝道的電流受到施加給柵極的一個電壓(“柵電壓”)的調制。然而，由于晶體管的小型化，當溝道的長度接近10nm時，變會引起稱為“短溝道效應”的問題，這使得不可由柵電壓控制流經溝道的電流為了在縮短溝道長度的同時克服這個問題，已設計了一種隧道晶體管，它具有由例如提供一個隧道阻擋層的絕緣體形成的一個溝道，通過改變絕緣體的阻擋層電勢來控制流經溝道的電流量(見E.S.Snow等人的Applied Physics Letter，第72卷，第3071-3073頁(1998))。
但這種隧道晶體管并不具有存儲器功能，因此并不適用于具有存儲器電路的半導體集成電路的小型化。
本發明的目的是提供一種能促進具有非易失性存儲器的半導體集成電路的小型化的有效的裝置。
此目的可通過一種具有一個源極、一個漏極和一個柵極的隧道晶體管來實現，它包括一個隧道阻擋層，它在源極和漏極之間構成一個隧道阻擋層；和一個鐵電層，它顯示自發極化，其中當鐵電層在一個預定的方向極化時，該極化導致源極的在與隧道阻擋層相鄰的一個區域中的一個損耗區。
采用這種結構，由于利用因鐵電層的自發極化而使流經如同提供源極和漏極之間的溝道的隧道阻擋層的隧道電流變化的現象，可以進行數據的存儲。因為隧道阻擋層一般是由例如一個超薄絕緣體制成，所以溝道的長度可以縮短，這有利于具有非易失性存儲器的半導體集成電路的小型化。
從以下結合示出本發明的一個具體的實施例的附圖的說明，本發明的這些和其它目的、優點和特征會變得明顯。附圖中
圖1是示出根據本發明的第一實施例的隧道晶體管的結構的示意剖面圖；圖2A和2B是當隧道晶體管的源極和漏極中無損耗區時的能帶示意圖；圖3說明鐵電體的極化和由于施加柵偏置而引起的損耗區的形成；圖4A和4B是當隧道晶體管的源極和漏極中有損耗區時的能帶示意圖；圖5是示出根據本發明的第二實施例的隧道晶體管的結構的示意剖面圖；圖6是示出根據本發明的第三實施例的隧道晶體管的結構的示意剖面圖；圖7是示出第三實施例的隧道晶體管的結構的一種變形的示意剖面圖。
以下參照附圖對本發明的實施例進行說明。
第一實施例圖1是示出根據本發明的第一實施例的隧道晶體管的結構的示意剖面圖。附圖中，由二氧化硅(SiO2)或類似材料制成的一個第一絕緣層2形成在一個硅基片1上。由n-型硅制成的一個源極3和由n-型硅制成的一個漏極4形成在第一絕緣層2上，一個絕緣體5提供置于源極3和漏極4之間的一個隧道阻擋層。此絕緣體5由二氧化硅(SiO2)或類似材料制成。一個鐵電層6形成在源極3、絕緣體5和漏極4的頂上。一個柵極7設置在鐵電層6上。
在本實施例中，鐵電層6緊位于源極3和漏極4上面。為了防止構成源極3和漏極4的n-型硅被氧化并且由此變為絕緣體，采用低氧化能力的鐵電材料例如BaF4作為鐵電層6。或者，如果采用MOCVD(金屬-有機化學汽相淀積)，即將鐵電材料溶解在一種有機溶劑中并且擴散并且使溶解物質燃燒，則例如SrBi2Ta2O9或PZT(Pb(Zr1-xTix)O3)(注冊商標為Kabushiki KaishaToshiba)的材料可用作鐵電層6。柵極由鉑(Pt)、銥(Ir)、二氧化銥(IrO2)、二氧化釕(RuO2)、多晶硅或類似材料制成。
雖然在本實施例中源極3和漏極4由n-型硅制成，但它們也可以由p-型硅和非硅的半導體材料制成。類似第，第一絕緣層2和絕緣體5可由非SiO2的各種絕緣材料中選出的一種材料制成。
以上構成的隧道晶體管按下述原理運作。
只要源極3和漏極4被接地，源極3、漏極4和絕緣體5就假設為一種熱平衡狀態。圖2示出當隧道晶體管的源極3和漏極4中無損耗區時的能帶的狀態。圖2A是隧道晶體管處于熱平衡時的能帶示意圖。該圖中，標號35表示源極3的導通帶邊緣處的電勢，標號45表示漏極4的導通帶邊緣處的電勢，標號55表示絕緣體5的阻擋層電勢。其形成過程是，當向漏極4施加正偏置時，一個大的電場指向絕緣體5，它使得漏極4的導通帶邊緣處的電勢45降低，如圖2B所示。此電勢45的降低導致絕緣體5的阻擋層電勢55的下降，由此使得電子300從源極3至漏極4以隧道方式通過絕緣體5。
這里，如果在向漏極4施加偏置之前，通過一個直流電源201向柵電極施加一個相對于源極3的負偏置，以便鐵電體6的向上極化，如圖3所示，則源極3和漏極4的受此極化影響的部分就正電離，結果形成損耗區31和41。注意，這里損耗區31和41示出圖3中的所謂“完全損耗”。
這就是說，受到由于施加負的柵偏置而引起的鐵電體6的極化100的端部處的負電荷的激勵，分別在鐵電層6下面的源極3和漏極4中建立一個正損耗區31和一個正損耗區41。即使在斷開開關202而移去柵偏置之后，其情況是極化100將保持，因為鐵電層6是由顯示自發極化的材料制成的。所以，損耗區31和41也將保持。
圖4A是這種狀態下的隧道晶體管的能帶圖。如圖所示，在絕緣體5的阻擋層電勢55的附近的電勢35和45被提高。
其形成過程是，當向漏極4施加一個偏置時，一個大的電場指向絕緣體5。但是，由于損耗區31的存在而使絕緣體5附近的電勢35被提高，隧道阻擋層的有效厚度便增加。因此，電子300從源極3至漏極4以隧道方式通過絕緣體5的可能性就降低。
于是，從源極3流向漏極4的隧道電流在鐵電層6向上極化之處和在鐵電層6不向上極化之處兩者之間是不同的。也就是，當鐵電層6極化時，隧道電流量小，而當鐵電層6不極化時，隧道電流量大。因此，通過檢測源極3和漏極4之間的隧道電流量，可判斷鐵電層6是否保持極化。由于鐵電層6由顯示自發極化的材料制成，即使在柵偏置移去之后，極化狀態仍保持。這種現象可用來實現非易失性存儲器的功能，其中對隧道電流量的檢測類似于從存儲器讀取數據。
相反地，向存儲器寫數據類似于極化鐵電層6，使得通過如上所述的向柵電極7施加一個預定的偏置量便可實現之。而且，從存儲器擦除數據可以通過施加一個與向柵電極7寫的時候所施加的相反的偏置來實現，由此清除或反轉鐵電層6中的極化狀態。
在實際地將這種隧道晶體管用作非易失性存儲器時，通過采用一個感應放大器或類似器件可以將流經源極3和漏極4之間的隧道電流放大。通過這樣的做法，隧道晶體管可以非易失性存儲器同樣的方式用于例如傳統的EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)。
在上述實施例中，鐵電層6形成在源極3、絕緣體5和漏極4的頂上。但如果本發明的隧道晶體管用于改變從源極3發出的隧道電流量，則鐵電層6的形成可以修改，只要它能引起電勢35的這樣一種改變，使得在鄰近絕緣體5的源極3的一個區域中的一個可檢測的范圍內改變隧道電流量。
還有，在上述實施例中，當構成源極3的n-型硅在鄰近絕緣體5的源極3的區域內完全損耗時，這種損耗并不是必需的，只要它能引起電勢35的這樣一種改變，使得允許由于鐵電層6的極化而導致的隧道電流量的改變可被檢測到。
在上述實施例中，并沒有提及例如棚偏置的參數的數值。這是因為這些參數可根據何種材料被選用于源極3、漏極4、絕緣體5、鐵電層6等等而被理想化。類似地，這些參數可根據由于使用所選材料而產生的隧道電流量的改變以及用于檢測這種改變的電路結構而被理想化。無論如何，采用上述實施例，通過調整柵偏置，可根據用于檢測隧道電流的改變的電路結構來控制隧道電流量，因為絕緣體5的阻擋層電勢的高度可通過控制柵偏置而被控制。
第二實施例圖5是示出根據本發明的第二實施例的隧道晶體管的結構的示意剖面圖。如圖所示，此隧道晶體管與第一實施例的不同之處在于，在位于一側的源極3、絕緣體5和漏極4與位于另一側的鐵電層6之間設置一個第二絕緣層8和一個懸浮電極9。以下說明集中在與第一實施例的不同之處。
提供懸浮電極9是為了使鐵電層6不與源極3和漏極4直接接觸。如前所述，當鐵電層6由氧化物制成時，源極3和漏極4的與鐵電層6接觸的部分表面可被氧化，由此形成一個薄的絕緣體。此外，在晶體生長過程中，鐵電體6的成分發生改變，造成鐵電晶體的不穩定生長。雖然在第一實施例中已經說明，如果使用MOCVD，則采用氧化物是可能的，但在第二實施例中引入懸浮電極9以助鐵電晶體材料的穩定生長。至于第二絕緣層8，可采用例如SiO2、SrTa2O6、SeO2或SrTiO3的材料。
鐵電層6和第二絕緣層8等效于兩個串聯的電容。因此，如果第二絕緣層8的介電常數遠低于鐵電層6的介電常數的話，施加給鐵電層6的電壓就減小，其結果是不可能使鐵電層6的極化狀態清除或反轉。因此，最好是選擇一種高介電常數的材料用于第二絕緣層8，例如SrTa2O6或SrTiO3或非氧化材料例如SiN。
至于懸浮電極9，可采用例如鉑(Pt)、銥(Ir)、二氧化銥(IrO2)、二氧化釕(RuO2)或多晶硅的材料。
第三實施例在第一和第二實施例中，隧道晶體管構造為絕緣體5的厚度為幾個納米，通過它可形成源極3和漏極4之間的隧道電流的流動。雖然這種結構在制造少量的半導體器件時是適用的，但并不適用于在一個集成電路中制造大量的相同的半導體器件。有鑒于此，第三實施例提出一種結構，使其可用于在一個單一的基片上制造相當大量的半導體器件。
圖6是示出根據本發明的第三實施例的隧道晶體管的結構的示意剖面圖。如圖所示，由n-型硅制成的漏極4形成在硅基片1上，由二氧化硅(SiO2)制成的絕緣體5淀積在硅基片1和漏極4上。由n-型硅制成的源極3形成在絕緣體5上，并且鐵電層6和柵極7順序地形成在源極3上。
這種隧道晶體管的運作基于與第一實施例相同的原理。更具體地，只要源極3和漏極4被接地，源極3、漏極4和絕緣體5就假設為一種熱平衡狀態。此點的能帶的狀態如圖2所示。
其形成過程是，當向漏極4施加正偏置時，一個電場指向絕緣體5，其結果是電子300從源極3發出至漏極4。
這里，如果在向漏極4施加偏置之前，向柵電極施加一個相對于源極3的負偏置，以便鐵電體6的向上極化，則直接處于鐵電層6下面的源極3的部分就正電離，由此形成一個損耗區。即使在移去柵偏置之后，源極3的損耗區也將保持，因為鐵電層6是由顯示自發極化的材料制成的。
接著，當在源極3的損耗區保持的同時向漏極4施加一個正偏置時，一個大的電場指向絕緣體5，但是，因為由于源極3的損耗區產生的電勢而使隧道阻擋層的有效厚度便增加，電子300從源極3至漏極4以隧道方式通過絕緣體5的可能性就降低。因此，通過檢測從源極3流向漏極4的隧道電流量，可判斷鐵電層6是否在一個預定的方向保持極化，如同第一實施例中那樣。這種現象可用來實現非易失性存儲器的功能。
注意，雖然并無必要使處于鐵電層6下面的源極3的整個部分被完全損耗，但期望的是由于鐵電層6的自發極化而引起的損耗區的某部分可與絕緣體5相接觸。
再有，第二實施例中提出的第二絕緣層8和懸浮電極9可結合在第三實施例的隧道晶體管中，如圖7所示。
修改雖然已基于上述實施例對本發明進行了描述，但本發明并不局限于此。例如，下述修改是可行的。
在上述實施例中，一個絕緣材料的二氧化硅(SiO2)薄膜用作絕緣體5。然而，如果絕緣體5的作用是隧道阻擋層，則不僅絕緣材料而且其它材料也適于用作絕緣體5，只要隧道電流可從源極3流向漏極4并且由于源極3的導通帶邊緣的電勢的增加所導致的隧道電流的改變可被檢測得到。
雖然已結合附圖對本發明進行了充分的描述，但需注意，對于本領域的普通技術人員來說，各種改變和修改都是可能的。因此，除了這種改變和修改背離本發明的范疇之外，它們都應被包括在本發明之中。
權利要求
1．一種隧道晶體管，具有一個源極、一個漏極和一個柵極，包括一個隧道阻擋層，它在源極和漏極之間構成一個隧道阻擋層；和一個鐵電層，它顯示自發極化，其中當所述鐵電層在一個預定的方向極化時，該極化導致在所述源極的與所述隧道阻擋層相鄰的一個區域中的一個損耗區。
2．按照權利要求1所述的隧道晶體管，其特征在于，所述鐵電層插入在所述柵極和所述隧道阻擋層之間，并且，所述鐵電層的極化是由于向所述柵極施加一個預定的偏置所導致。
3．按照權利要求2所述的隧道晶體管，其特征在于，所述鐵電層的極化導致所述源極在與所述隧道阻擋層相鄰的區域中的完全損耗。
4．按照權利要求1所述的隧道晶體管，其特征在于，所述隧道阻擋層由在所述源極和所述漏極之間插入一個絕緣材料而形成。
5．按照權利要求4所述的隧道晶體管，其特征在于，所述源極和所述漏極由選自n-型硅和p-型硅所組成的組中的一種材料所制成。
6．按照權利要求2所述的隧道晶體管，其特征在于，所述源極和所述漏極相互相接地淀積在一個單一的基片上，所述隧道阻擋層插入在所述源極和所述漏極之間，并且所述鐵電層和所述柵極按所述順序淀積在所述源極、所述隧道阻擋層和所述漏極上。
7．按照權利要求2所述的隧道晶體管，其特征在于，所述漏極淀積在一個基片上，所述隧道阻擋層和所述源極按所述順序淀積在所述漏極上，并且所述鐵電層和所述棚極按所述順序淀積在所述源極的與和所述漏極相接觸的所述隧道阻擋層的部分下表面相對應的部分上表面上。
8．按照權利要求2所述的隧道晶體管，其特征在于，它還包括一個懸浮電極，它相接地淀積在與所述鐵電層的向所述隧道阻擋層一側的表面上；和一個絕緣層，它相接地淀積在與所述懸浮電極的向所述隧道阻擋層一側的表面上。
9．按照權利要求8所述的隧道晶體管，其特征在于，所述絕緣層具有的介電常數使得當向所述柵極施加所述預定的偏置時向所述鐵電層施加一個預定的電壓。
10．按照權利要求9所述的隧道晶體管，其特征在于，所述鐵電層由選自SrBi2Ta2O9和PZT(Pb(Zr1-xTix)O3)所組成的組中的至少一種材料所制成，并且所述絕緣層由選自SrTa2O6和SrTiO3所組成的組中的一種材料所制成。
11．按照權利要求10所述的隧道晶體管，其特征在于，所述鐵電層通過在所述懸浮電極上生長晶體而形成。
12．按照權利要求8所述的隧道晶體管，其特征在于，所述漏極淀積在一個單一的基片上，所述隧道阻擋層和所述源極按所述順序淀積在所述漏極上，并且所述絕緣層、所述懸浮電極、所述鐵電層和所述棚極按所述順序淀積在所述源極的與和所述漏極相接觸的所述隧道阻擋層的部分下表面相對應的部分上表面上。
13．按照權利要求2所述的隧道晶體管，其特征在于，所述隧道阻擋層的阻擋層電勢由施加給所述柵極的一個偏置水平所控制。
全文摘要
提供一種隧道晶體管作為用于具有非易失性存儲器的半導體集成電路的小型化的有效裝置。一個絕緣層淀積在一個硅基片上。一個源極和一個漏極淀積在該絕緣層上,一個提供隧道阻擋層的厚度為幾個納米的絕緣體插入源極和漏極之間。顯示自發極化的一個鐵電層直接淀積在源極的與絕緣體相鄰的一個區域之上。采用這種結構,當鐵電層在一個預定的方向極化時,至少源極的與絕緣體相鄰的區域的一部分形成一個損耗區,據此有可能根據鐵電層是否被極化而改變以隧道方式通過絕緣體的電流量。
文檔編號H01L21/28GK1305230SQ0013177
公開日2001年7月25日 申請日期2000年10月20日 優先權日1999年10月21日
發明者嶋田恭博, 林慎一郎, 內山潔, 田中圭介 申請人:松下電子工業株式會社