專利名稱：具有超順電性柵極絕緣體的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括具有高介電常數(shù)的柵極絕緣體的半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，場效應(yīng)晶體管(FET)使用通過薄柵極絕緣體與半導(dǎo)體溝道區(qū)隔開的柵極導(dǎo)體。施加到柵極的電壓控制經(jīng)過溝道區(qū)的傳導(dǎo)。
傳統(tǒng)上，已經(jīng)使用二氧化硅作為柵極電介質(zhì)，因為它可以簡單地通過對硅進(jìn)行氧化來生長在硅上。也已經(jīng)廣泛地使用其它材料，如氮化硅以及氧化硅和氮化硅的多層。
通常需要在單個襯底上集成越來越多這樣的FET，并進(jìn)一步提高速度。然而，當(dāng)將氧化硅和其它傳統(tǒng)柵極材料變薄到未來電路所要求的厚度時，這可能要求使柵極電介質(zhì)變薄，并且出現(xiàn)問題。
這已經(jīng)因而導(dǎo)致了對可以改善性能并減小尺寸的高介電常數(shù)柵極電介質(zhì)的要求。
過去已經(jīng)提出過很多材料。
很多候選電介質(zhì)材料是二元金屬氧化物，例如HfO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、Pr2O2、Gd2O3，硅酸鹽及其混合物。這樣的材料具有在10到30范圍內(nèi)的介電常數(shù)。這樣的材料允許使用較厚的柵極電介質(zhì)，減小了隧道泄漏電流。然而，仍然存在對30以上介電常數(shù)的柵極電介質(zhì)的需要。
US 6,005,274講授了多種材料，如鋯鈦酸鋇(Ba(Zr，Ti)O3)、鈦酸鍶(SrTiO3)、或者五氧化鉭(TaO5)。這些材料是具有非常高介電常數(shù)的鐵電材料。
不幸地是，鐵電材料通常不具有對溫度和頻率穩(wěn)定的電學(xué)特性。高極化、以及因此的高介電常數(shù)意味著存在高的偶極矩，以及所述偶極子可以翻轉(zhuǎn)。隨溫度和頻率在電學(xué)特性上的這種改變對于使用中的半導(dǎo)體器件的熱穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都是非常不希望的，并且對于在制造器件的工藝期間半導(dǎo)體器件承受熱處理的能力也是非常不希望的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體的溝道區(qū)；與所述溝道區(qū)相鄰的導(dǎo)電柵電極；以及導(dǎo)電柵電極和溝道區(qū)之間的柵極電介質(zhì)；其中，柵極電介質(zhì)是由在體材料中(in bulk)是鐵電性的材料形成的超順電性(superparaelectric)柵極電介質(zhì)。
通過使用超順電性狀態(tài)的材料，即使同樣的材料在體材料中可能是鐵電性，也可以實現(xiàn)高介電常數(shù)柵極電介質(zhì)，而沒有鐵電電介質(zhì)的缺點，即沒有電學(xué)特性對溫度和頻率的相同敏感度。
柵極電介質(zhì)可以是化學(xué)式為AXO3的、在體材料中是鈣鈦礦的材料，其中A是I或II族元素或稀土元素，而X是鈦、鈮、鋯和/或鉿。
柵極電介質(zhì)可以包括用于阻礙疇生長的摻雜劑，所述摻雜劑在柵極電介質(zhì)材料中沒有完全地形成固溶體。
摻雜劑可以是Si、Ca、Al、Nb、La、Zr、Pb、Sr、Mn、W或稀土的氧化物。
柵極電介質(zhì)的厚度可以小于100nm。
柵極電介質(zhì)的材料可以是化學(xué)計量的BaTiO3。
優(yōu)選地，柵極電介質(zhì)的介電常數(shù)在30到200范圍之內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選地在50到100之內(nèi)。
本發(fā)明還涉及一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括形成溝道區(qū)；沉積柵極電介質(zhì)；以及沉積柵極導(dǎo)體，將柵極電介質(zhì)夾在溝道區(qū)和柵極導(dǎo)體之間；其中在沉積柵極電介質(zhì)的步驟中，柵極電介質(zhì)是由在體材料中是鐵電性的材料形成的超順電性柵極電介質(zhì)。
柵極電介質(zhì)的材料可以是鈣鈦礦材料AXO3，其中A是I族或II族元素或稀土元素，而X是鈦、鈮、鋯和/或鉿，將柵極電介質(zhì)形成為沒有足夠的鐵電疇以便成為鐵電性的柵極電介質(zhì)，并且所具有的柵極電介質(zhì)厚度使得柵極電介質(zhì)作為超順電性柵極電介質(zhì)。優(yōu)選地，A是I族或II族元素。
通常，鐵電材料的沉積導(dǎo)致自身為鐵電性的薄膜。因此，本發(fā)明需要在沉積時避免柵極電介質(zhì)具有鐵電特性的技術(shù)。存在多于一種的方式，其中可以按照這樣的方式沉積鐵電材料，使得其不作為鐵電材料而是作為超順電性材料。
首先，可以使用低溫沉積工藝。在這個情況下，可以使用分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積(PLD)或原子層沉積(ALD)在不高于300℃的襯底溫度沉積柵極電介質(zhì)。優(yōu)選地，在生長期間將襯底保持在正常室溫下并且在生長期間不超過100℃。
其次，本方法可以包括在柵極電介質(zhì)中形成摻雜劑來阻礙疇生長。
摻雜劑可以是不與柵極電介質(zhì)形成固溶體的氧化物，如Nb、La、Zr、Pb、Sr、Mn、W或稀土的氧化物。
柵極電介質(zhì)的材料可以是BaTiO3。
使用摻雜劑，其它較高溫度沉積工藝可以是可使用的，例如，包括MOCVD和溶膠/凝膠工藝。
第三，可以使用這些技術(shù)的組合，即將使用MBE、ALD或PLD的低溫沉積與添加摻雜劑以避免疇生長相結(jié)合。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖僅通過示例的方式描述實施例，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體器件；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體器件；以及圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體器件。
具體實施例方式
參考圖1，半導(dǎo)體襯底2具有p型摻雜外延層4，以及在外延層中形成的n+摻雜源極6和漏極8擴散。
柵極電介質(zhì)10形成于源極和柵極擴散6、8之間的襯底上，而柵電極12形成于柵極電介質(zhì)10上。
源極14和漏極16接觸形成為分別與源極和柵極擴散6、8接觸。
在柵電極下的襯底區(qū)域限定了溝道18。
普通技術(shù)人員應(yīng)該了解如何制造這種類型的晶體管，因此這里就不必要考慮這些工藝的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
本發(fā)明依靠柵極電介質(zhì)10的選擇來與這種晶體管相區(qū)別。
在實施例中，柵極電介質(zhì)由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料形成，即化學(xué)式為AXO3，其中A是I族或II族元素或稀土元素，而X是鈦、鈮、鉿和/或鋯。這樣的材料通常是鐵電的。
然而，按照以下方式形成柵極電介質(zhì)柵極電介質(zhì)不表現(xiàn)出鐵電特性，而是代替地作為超順電性材料。
在實施例中，通過確保柵極電介質(zhì)的厚度足夠薄并且還通過確保不形成鐵電疇來實現(xiàn)此方式。
本發(fā)明第一實施例通過以下步驟來實現(xiàn)此方式在室溫下保持襯底，通過分子束外延(MBE)生成在該實施例中形成的化學(xué)計量的(stochiometric)BaTiO3柵極電介質(zhì)，并進(jìn)一步生長該柵極電介質(zhì)達(dá)到小于100nm的厚度。薄膜的尺寸效應(yīng)和缺少大的鐵電疇，以及化學(xué)計量鈦酸鋇的使用導(dǎo)致缺少鐵電疇。
優(yōu)選地，生長與襯底晶格匹配的鈦酸鋇。這可以使用摻雜或控制沉積來實現(xiàn)。
另外，在形成柵極電介質(zhì)之后，隨后的處理不使溫度增加到300℃以上。
按照這種方式，鐵電疇無法生長而柵極電介質(zhì)表現(xiàn)出具有介電常數(shù)30到200范圍內(nèi)的超順電性特性。
這與體鈦酸鋇約1000的介電常數(shù)相比，所述值依賴于精確的微結(jié)構(gòu)，并且因此依賴于處理。
通過形成超順電性薄膜代替體鐵電材料，薄膜在隨后的熱處理或器件操作期間的加熱中是穩(wěn)定的。這比使用鐵電材料確保了更好的可重復(fù)性，并仍然到實現(xiàn)了高數(shù)值的介電常數(shù)。
在圖2中表示了本發(fā)明第二實施例。
在該配置中，幾個分子層的偽鈣鈦礦，即類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，或者鈣鈦礦本身或者襯底上的超晶格提供了邊界層20。選擇該邊界層20以提供用于生長無應(yīng)變的柵極電介質(zhì)層12的良好基礎(chǔ)。
在該配置中，在生長期間將氧化鈮(Nb2O5)摻雜劑添加到柵極電介質(zhì)。該摻雜劑完全不會與柵極電介質(zhì)的鈦酸鋇形成固溶體。如果鐵電疇開始形成，摻雜劑在疇邊界處開始離析(segregated)，并且阻止進(jìn)一步的疇生長。因此，疇保持為對于鈦酸鋇太小而不能顯示鐵電特性。Nb2O5或其它摻雜劑可能和鈣鈦礦形成部分固溶體。換句話說，在鈣鈦礦中將包含少量的摻雜劑，但是它們的大部分將存在于疇邊界中。
第二實施例中的生長再次使用低溫分子束外延。
存在替代的生長可能性。代替使用分子束外延，脈沖激光沉積或原子層沉積也是合適的。
還可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)，如MOCVD或者溶膠-凝膠工藝。該工藝通常操作于會引起鐵電疇生長的溫度下。然而，通過包括如第二實施例中那樣的摻雜劑，也可以使用這些工藝來實現(xiàn)超順電性薄膜。
摻雜劑可以是不與柵極電介質(zhì)形成固溶體、并且阻止疇形成和生長的任意氧化物。因此，摻雜劑可以是Si、Ca、Al、Nb、La、Zr、Pb、Sr、Mn、W或稀土的氧化物或者是這些氧化物的組合。當(dāng)通過MBE生長電介質(zhì)時，可以向分子束的源添加摻雜劑的金屬，從而實現(xiàn)摻雜劑和所摻雜材料的混合物的生長。
在第三實施例中，晶體管不是橫向場效應(yīng)晶體管，而是縱向場效應(yīng)晶體管，如圖3所示。賦予類似元件以同樣的參考數(shù)字。應(yīng)該看出的是，在該器件中柵電極12和柵極電介質(zhì)10形成于溝槽22中。p型外延層24形成本體，外延層中的源極擴散6形成源極，而外延層4是n型摻雜的并且作為漏極。在該示例中漏極接觸16是背面接觸。
在該實施例中，柵極電介質(zhì)10通過MOCVD形成于溝槽22中，具有摻雜劑以防止疇形成。
本發(fā)明不局限于這些實施例，而是可以應(yīng)用于要求高介電常數(shù)薄膜材料的任何結(jié)構(gòu)中。
柵極電介質(zhì)不需要是鈦酸鋇，而是不必要為鈣鈦礦的任何薄膜，所述薄膜在體材料中正常地是鐵電性，并且利用尺寸效應(yīng)成為超順電性，沒有大的疇。
在任意實施例中，如果需要，n型及p型區(qū)的摻雜和類型可以變化，例如，以便按需要形成n型、p型晶體管或者形成增強型或耗盡型晶體管。
在實際器件中，普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，可以在單個電路上形成許多晶體管以提供集成電路。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體的溝道區(qū)(18)；與溝道區(qū)(18)相鄰的導(dǎo)電柵電極(12)；以及在導(dǎo)電柵電極(12)和溝道區(qū)(18)之間的柵極電介質(zhì)(10)；其中，柵極電介質(zhì)(10)是由在體材料中是鐵電性的材料形成的超順電性柵極電介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，柵極電介質(zhì)材料是分子式為AXO3的、在體材料中是鈣鈦礦的材料，其中A是I族元素、II族元素、或者稀土元素，而X是鈦、鈮、鋯和/或鉿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，柵極電介質(zhì)(10)包括用于阻止疇生長的摻雜劑，所述摻雜劑在柵極電介質(zhì)材料中不形成固溶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，摻雜劑是Nb、La、Zr、Pb、Sr、Mn、W或稀土元素的氧化物。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件，其中，柵極電介質(zhì)(10)的厚度小于100nm。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件，其中，柵極電介質(zhì)(10)的材料基本上是化學(xué)計量的BaTiO3。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件，其中，柵極電介質(zhì)(10)的介電常數(shù)在30到200的范圍內(nèi)。
8.一種制作半導(dǎo)體器件的方法，包括形成半導(dǎo)體的溝道區(qū)(18)；沉積柵極電介質(zhì)(10)；以及沉積柵極導(dǎo)體(12)，將柵極電介質(zhì)夾在溝道區(qū)和柵極導(dǎo)體之間；其中，在沉積柵極電介質(zhì)(10)的步驟中，柵極電介質(zhì)(10)形成為在體材料中是鐵電性的材料的超順電性柵極電介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，柵極電介質(zhì)材料是分子式為AXO3的鈣鈦礦材料，其中A是I族元素、II族元素、或者稀土元素，而X是鈦、鈮、鋯和/或鉿。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，使用分子束外延、脈沖激光沉積或原子層沉積在襯底溫度不高于300℃下沉積柵極電介質(zhì)(10)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10任一項所述的方法，包括在柵極電介質(zhì)(10)中形成摻雜劑以阻止疇生長。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，摻雜劑是不與柵極電介質(zhì)(10)材料形成固溶體的氧化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，摻雜劑是Si、Ca、Al、Nb、La、Zr、Pb、Sr、Mn、W或稀土的氧化物，或者這些氧化物的組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13任一項的方法，其中柵極電介質(zhì)(10)的材料是BaTiO3。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體的溝道區(qū)18、與溝道區(qū)18相鄰的導(dǎo)電柵電極12、以及導(dǎo)電柵電極12和溝道區(qū)18之間的柵極電介質(zhì)10。柵極電介質(zhì)10由處于超順電性狀態(tài)的材料形成，該材料在體材料中是鐵電性。例如，柵極電介質(zhì)可以是化學(xué)式為AXO
文檔編號H01L21/316GK101084581SQ200580043631
公開日2007年12月5日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者古川裕希子, 科內(nèi)利斯·A·H·A·穆特塞爾斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司