專利名稱：非易失性存儲單元及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體地，涉及非易失性存儲單元及其制 造方法。
背景技術(shù)：
硅基材料和器件技術(shù)，S卩，硅電子學(xué)，的進步帶來電子工業(yè)的發(fā)展。然而，硅電子學(xué) 會包括硬質(zhì)、脆性材料且在可見光區(qū)是不透明的。在最近幾年，為了克服硅電子學(xué)的限制， 已經(jīng)提出其中電子器件和系統(tǒng)制造在柔性基板上的柔性電子學(xué)和其中透明電子器件和系 統(tǒng)被制造的透明電子學(xué)。此外，正在諸如傳感器、顯示器、電子電路以及電池的各種應(yīng)用上 著手研發(fā)。在透明電子學(xué)領(lǐng)域，透明薄膜晶體管(TFT)技術(shù)以及采用透明TFT作為驅(qū)動電路 的透明顯示技術(shù)發(fā)展迅速。目前，技術(shù)發(fā)展進入提升將透明TFT及顯示器投入實際使用的 技術(shù)成熟度的步驟以及為了在采用驅(qū)動晶體管的基板上實現(xiàn)透明電子電路而設(shè)計目標應(yīng) 用的步驟。然而，盡管用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器晶體管的技術(shù)開發(fā)落后，但是用于顯示和處理 數(shù)據(jù)的透明器件(即，驅(qū)動晶體管)的技術(shù)開發(fā)卻蓬勃發(fā)展。由于存儲器件可以安裝在系統(tǒng) 外部，可能不太需要將存儲器件制作成透明的。然而，通過將存儲器件安裝在系統(tǒng)內(nèi)部，可 以更有效地控制存儲器件的功能，而且不僅可降低功耗而且可降低安裝存儲器件的成本。因此，下面的點可能是將存儲器件安裝在系統(tǒng)內(nèi)部所必須的。第一，存儲器件可以是非易失性存儲器件。存儲器件可依賴于如何存儲數(shù)據(jù)而被分為易失性存儲器和非易失性存儲器。易 失性存儲器僅在提供電力期間可存數(shù)數(shù)據(jù)，而非易失性存儲器即使電源被切斷也可存儲數(shù) 據(jù)。由于透明電子學(xué)很可能實施為(embody)總對其提供電力的獨立電子器件或具有移動 功能的設(shè)計導(dǎo)向應(yīng)用，所以可能需要非易失性存儲器件的功能以增加電池壽命以及維持容 量以存儲大量的數(shù)據(jù)。第二，存儲器件的操作電壓可以在預(yù)定范圍內(nèi)。當僅考慮到透明性而存儲操作需 要過高的操作電壓時，整個系統(tǒng)不能抵抗高壓，因此在系統(tǒng)或集成電路(IC)內(nèi)安裝存儲器 件變得不必要。此外，存儲器件應(yīng)該能夠在與存儲器件一起使用的模塊的操作電壓的范圍 內(nèi)穩(wěn)定操作。第三，存儲器件的尺寸不應(yīng)該過大。用于透明電子系統(tǒng)的存儲晶體管不僅可以是 數(shù)據(jù)存儲器件而且可以是系統(tǒng)的埋入存儲器。因此，存儲晶體管的尺寸可以被最小化以縮 減整個系統(tǒng)的規(guī)模。第四，應(yīng)確保適合于系統(tǒng)所需操作的高的器件穩(wěn)定性。非易失性存儲器件應(yīng)該具 有容許重復(fù)寫入操作的容限，即，具有好的循環(huán)特性。而且，非易失性存儲器件應(yīng)具有良好 的數(shù)據(jù)保持特性。此外，非易失性存儲器件應(yīng)該非常能夠在高溫或潮濕的環(huán)境下保持存儲 的數(shù)據(jù)。盡管用于透明電子學(xué)的存儲器件可能不滿足典型的硅電子學(xué)所需的高穩(wěn)定性，但是用于透明電子學(xué)的存儲器件必須滿足對應(yīng)的應(yīng)用所要求的可靠性規(guī)定。傳統(tǒng)地，為了提供滿足上述要求并展示出透明性和柔性的非易失性存儲器，提出 下面的存儲晶體管的操作原則。第一、可以使用具有大的能量帶隙的透明氧化物層，且氧化物層的電阻可以隨施 加的電壓變化。即，氧化物層的電阻可根據(jù)施加到氧化物層的電壓的大小或方向而變化以 存儲數(shù)據(jù)。采用上述方法的器件可被典型地稱為氧化物電阻存儲器件，其作為將取代閃存 器件的先進的非易失性存儲器件脫穎而出。為了將上述操作原則應(yīng)用于透明電子學(xué)中，整個器件的構(gòu)件需要由透明材料形 成。因此，氧化物層，其為電阻存儲器件的基本構(gòu)件，應(yīng)該由具有大的帶隙的材料形成且根 據(jù)施加電壓的大小或方向經(jīng)歷寬范圍的電阻變化。由于氧化物電阻存儲器件具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，所以被整個存儲器占據(jù)的區(qū)域可 被大大地減少。然而，已知的是，氧化物電阻存儲器的電阻隨施加電壓的大小或方向變化的 原理沒有被完全披露，且根據(jù)上和下電極的材料，氧化物電阻存儲器的特性變化很大。艮口， 可能難以統(tǒng)一器件的特性以及相對于工藝變化預(yù)測器件特性的變化。而且，由于氧化物電 阻存儲器的操作原理沒有被清楚地揭露，所以采用氧化物電阻存儲器作為系統(tǒng)的埋入存儲 晶體管可能是困難的。第二，電荷存儲區(qū)域可能被制備在存儲器件的預(yù)定部分使得晶體管的閾值電壓可 以根據(jù)施加電壓的大小和方向變化以實現(xiàn)存儲操作。電荷存儲區(qū)域可以是構(gòu)成晶體管的柵 極的一部分的薄層或納米點。一般地，此技術(shù)可被稱為納米浮置柵極存儲，其在傳統(tǒng)的硅電 子學(xué)中演化成先進的閃存技術(shù)的一部分。當實際上使用透明或柔性TFT結(jié)構(gòu)時，通過增加 在柵極堆疊的部分區(qū)域中制備電荷存儲區(qū)域的工藝，存儲器件可以采用相對簡單的工藝被 制造。然而，由于氧化物或有機材料被用作半導(dǎo)體材料，所以比采用硅半導(dǎo)體時更難定 量控制電荷的存儲。而且，采用累積層和耗盡層的氧化物或有機半導(dǎo)體TFT由于其驅(qū)動特 性不能降低所需電壓。第三，存儲器件可采用具有預(yù)定特性的有機薄層，且有機薄層的電阻隨著電壓的 施加而改變。一般地，該存儲器件可被稱為有機或聚合物存儲器，其可實現(xiàn)以低成本在柔性 基板上形成柔性存儲器件。然而，有機薄層的電阻的變化可能還沒有被完全理解。而且，電流研究結(jié)果提出了 不同的觀點，有機薄層的電阻變化是由以上作為第二技術(shù)提到的電荷的存儲產(chǎn)生的，而不 是由有機材料的特性產(chǎn)生的。因此，對有機或聚合物存儲器件的可行性提出了懷疑。此外， 根據(jù)傳統(tǒng)研究結(jié)果，盡管對采用各種材料實現(xiàn)存儲操作做出了連續(xù)嘗試，但是已報道采用 各種材料的存儲操作在操作重復(fù)性、可靠性以及環(huán)境容限方面具有嚴重的問題。因此，從現(xiàn) 在開始對于采用上述方法實現(xiàn)(embodying)柔性存儲器件需要更多的研究。第四，鐵電薄層可以被用作TFT的柵極絕緣層。因此，根據(jù)電壓施加方向采用鐵電 薄層的剩余極化可改變TFT的閾值電壓以實現(xiàn)存儲操作。替代地，鐵電薄層可被插入上和 下導(dǎo)電電極層之間以構(gòu)成鐵電電容器。因此，可利用由鐵電薄層的剩余極化隨電壓施加方 向的改變引起的極化反轉(zhuǎn)的電流上的差異實現(xiàn)存儲操作。上述技術(shù)可被典型地稱作鐵電存儲，其發(fā)展為傳統(tǒng)的硅電子學(xué)中先進的非易失性存儲技術(shù)的一部分。利用非常簡單的工藝，通過實際上采用透明或柔性TFT以及用形成鐵 電薄層或在導(dǎo)電電極層之間形成鐵電薄層的工藝替代形成柵極絕緣層的工藝，可制造鐵電 存儲器件。此外，以基于鐵電材料的剩余極化的物理上相對可預(yù)知的操作原理，可容易地設(shè) 計存儲器件。然而，氧化物基鐵電薄層應(yīng)經(jīng)歷晶化過程使得存儲器件可利用預(yù)定的鐵電特性操 作。由于氧化物基鐵電薄層在約500°C或更高的溫度下可被晶化，所以氧化物基鐵電層會與 在約300°C或更低的溫度下制造的透明及柔性TFT器件在工藝上是不兼容的。此外，盡管可以采用有機鐵電薄層，但是有機鐵電薄層通常會引起大的漏電流以 阻止薄層的形成。此外，有機鐵電薄層對化學(xué)物質(zhì)或器件制造工藝會具有小的容限且不能 被容易地投入實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶體管和驅(qū)動晶體管的透明非易失性 存儲單元及其制造方法。本發(fā)明的一方面提供一種非易失性存儲單元，包括存儲晶體管，包括設(shè)置在基板 上的半導(dǎo)體層、緩沖層、有機鐵電層和柵極電極；以及驅(qū)動晶體管，包括設(shè)置在基板上的半 導(dǎo)體層、緩沖層、柵極絕緣層和柵極電極。本發(fā)明的另一方面提供一種非易失性存儲單元的制造方法。此方法包括在包括 存儲晶體管區(qū)域和驅(qū)動晶體管區(qū)域的基板上以預(yù)定間隔形成多個源極和漏極電極；在基板 在源極和漏極電極之間的暴露部分上形成半導(dǎo)體層和緩沖層；在具有緩沖層的所得結(jié)構(gòu)上 形成有機鐵電層；選擇性地移除形成在驅(qū)動晶體管區(qū)域上的有機鐵電層；在有機鐵電層被 選擇性移除的所得結(jié)構(gòu)上形成柵極絕緣層；形成多個源極和漏極電極襯墊以分別被連接到 多個源極和漏極電極；以及在存儲晶體管的有機鐵電層以及驅(qū)動晶體管的柵極絕緣層之上 形成柵極電極。


通過參考附圖具體描述本發(fā)明的示范性實施例，本發(fā)明的以上和其它特征和優(yōu)點 對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將變得更加明顯，其中圖IA和IB是根據(jù)本發(fā)明第一示范性實施例的非易失性存儲單元的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二示范性實施例的非易失性存儲單元的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第三示范性實施例的非易失性存儲單元的截面圖；圖4A至41是說明圖2的非易失性存儲單元的制造方法的截面圖；圖5A至51是說明圖3的非易失性存儲單元的制造方法的截面圖；圖6A至6B是顯示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶 體管和驅(qū)動晶體管的透明非易失性存儲單元的柵極電壓-漏極電流的特性的曲線圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶體管和驅(qū)動 晶體管的存儲單元的電路圖；以及圖8A和8B是顯示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶 體管和驅(qū)動晶體管的存儲單元的寫入和讀出操作的具體實施例方式本發(fā)明現(xiàn)將參考其中顯示了本發(fā)明的示范性實施例的附圖被更加充分地描述。然 而，本發(fā)明可以以許多不同形式實現(xiàn)且不應(yīng)該被構(gòu)建為限于在這里闡釋的實施例；而是，提 供這些實施例使得此公開透徹和完整，且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達本發(fā)明的構(gòu)思。 在附圖中，層和區(qū)域的厚度為了清楚被夸大。也應(yīng)理解當層被稱為在另一層或基板“上”時， 其可能直接在另一層或基板上，或也可出現(xiàn)中間層。附圖中相同的附圖標記表示相同的元 件，且因此省略了它們的描述。圖IA和IB是根據(jù)本發(fā)明第一示范性實施例的非易失性存儲單元的截面圖。圖IA 是存儲晶體管的截面圖，而圖IB是驅(qū)動晶體管的截面圖。參考圖1A，存儲晶體管可包括設(shè)置在基板100上的半導(dǎo)體層104、緩沖層106、有機 鐵電層108以及柵極電極114。而且，存儲晶體管可進一步包括多個源極和漏極電極102、多 個接觸插塞110以及多個源極和漏極電極襯墊112。多個源極和漏極電極102可以以預(yù)定 間隔設(shè)置在基板100上。多個接觸插塞110可被分別連接到多個源極和漏極電極102。多 個源極和漏極電極襯墊112可通過多個接觸插塞110分別連接到多個源極和漏極電極102。參考圖1B，驅(qū)動晶體管可包括設(shè)置在基板100上的半導(dǎo)體層104、緩沖層106、柵極 絕緣層109以及柵極電極114。而且，驅(qū)動晶體管可進一步包括多個源極和漏極電極102、 多個接觸插塞110以及多個源極和漏極電極襯墊112。多個源極和漏極102可以以預(yù)定間 隔形成在基板100上。多個接觸插塞110可分別被連接到多個源極和漏極電極102。多個 源極和漏極電極襯墊112可通過多個接觸插塞110分別連接到多個源極和漏極電極102。 具有上述結(jié)構(gòu)的驅(qū)動晶體管可用作構(gòu)造為驅(qū)動存儲晶體管的驅(qū)動器件。也就是，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管可具有相同的結(jié)構(gòu)且包括一些由不同材料形成 的層。具體地，存儲晶體管可包括有機鐵電層108，而驅(qū)動晶體管可包括柵極絕緣層109。除 了有機鐵電層108和柵極絕緣層109之外，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管可具有由相同材料形 成的相同結(jié)構(gòu)。因此，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管可集成在相同的基板上。下面，將更加具體地描述各個構(gòu)件?；?00可由透明材料形成。例如，基板100可以是玻璃基板或塑料基板。源極和漏極電極102可由透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄層，例如，氧化銦錫(ITO)層形 成。可選擇地，源極和漏極電極102可由具有足夠低的電阻和足夠透明的導(dǎo)電氧化物薄層 形成。源極和漏極電極102可包括分別設(shè)置在基板100的兩個區(qū)域上的源極和漏極電 極，二者以預(yù)定間隔彼此電性隔離。這里，基板100的插設(shè)在源極和漏極電極之間的區(qū)域可 對應(yīng)于存儲和驅(qū)動晶體管的溝道區(qū)域。因此，存儲和驅(qū)動晶體管的溝道寬度和溝道長度可 由源極和漏極電極102的圖案間的(inter-pattern)距離和圖案寬度決定。在此情況下， 考慮到存儲和驅(qū)動晶體管的操作特性，存儲和驅(qū)動晶體管的溝道寬度和距離可被設(shè)計為不 同的值。半導(dǎo)體層104可形成在源極和漏極電極102之間的基板100上。也就是，半導(dǎo)體 層104可形成在存儲晶體管或驅(qū)動晶體管的溝道區(qū)域上以部分覆蓋源極和漏極電極102的 側(cè)壁和頂表面。
在此情況下，半導(dǎo)體層104可用作存儲和驅(qū)動晶體管的半導(dǎo)體。也就是，根據(jù)本發(fā) 明的示范性實施例的存儲晶體管和驅(qū)動晶體管的每一個都可具有薄膜晶體管(TFT)結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體層104可包括透明半導(dǎo)體氧化物層，其由具有寬的能量帶隙且在可見光區(qū) 域透明的氧化物形成且具有電性半導(dǎo)體性質(zhì)。例如，半導(dǎo)體層104可由氧化鋅(ZnO)、氧化 銦鎵鋅(In-Ga-Zn-O)、氧化鋅錫(Zn-Sn-O)、或包含至少兩個選自由Zn、In、Ga、錫(Sn)和 鋁(Al)構(gòu)成的組的元素的氧化物形成。可選擇地，半導(dǎo)體層104的形成可包括摻雜各種元 素到上述氧化物之一。緩沖層106可防止在后續(xù)工藝中對半導(dǎo)體層104的損傷且可改善存儲和驅(qū)動晶體 管的特性。緩沖層106可設(shè)置在半導(dǎo)體層104上且連同半導(dǎo)體層104 —起形成在源極和漏 極電極102之間的溝道區(qū)域上以部分覆蓋源極和漏極電極102的側(cè)壁和頂表面。現(xiàn)描述存儲晶體管的緩沖層106的功能。第一，在后續(xù)工藝中可防止半導(dǎo)體層104的損傷和退化，使得半導(dǎo)體層104可實質(zhì) 上執(zhí)行其功能以允許存儲晶體管具有良好的操作特性。具體地，緩沖層106可抑制在形成 有機鐵電層108期間半導(dǎo)體層104的化學(xué)退化。有機鐵電層108可采用有機溶液通過涂敷 工藝形成。在此情況下，根據(jù)有機溶液的種類，半導(dǎo)體層104的材料特性可能會退化。因此， 形成在半導(dǎo)體層104上的緩沖層106可防止半導(dǎo)體層104的化學(xué)退化。而且，緩沖層106 可在蝕刻半導(dǎo)體層104以及移除蝕刻掩模的后續(xù)工藝期間抑制半導(dǎo)體層104的工藝退化。第二，可改變緩沖層106的材料和工藝條件，以改善半導(dǎo)體層104的性質(zhì)。具體地， 在形成緩沖層106期間可變化工藝條件，以改變半導(dǎo)體層104的載流子濃度和表面狀態(tài)，從 而改善存儲晶體管的操作特性。第三，緩沖層106可用作電性緩沖，被構(gòu)造為防止有機鐵電層108產(chǎn)生漏電流。隨 著存儲晶體管的有機鐵電層108的厚度減小，由于有機鐵電層108的材料特性，漏電流可能 會增加。這會導(dǎo)致存儲晶體管的操作特性的劣化。因此，當緩沖層106可插設(shè)在有機鐵電 層108和半導(dǎo)體層104之間時，可防止半導(dǎo)體層104由于漏電流的退化?，F(xiàn)描述驅(qū)動晶體管的緩沖層106的功能。第一，在蝕刻半導(dǎo)體層104以及移除蝕刻掩模的后續(xù)工藝期間可防止半導(dǎo)體層 104的退化。第二，可改變緩沖層106的材料和工藝條件，以改善半導(dǎo)體層104的性質(zhì)。具體地， 在形成緩沖層106期間可變化工藝條件，以改變半導(dǎo)體層104的載流子濃度和表面狀態(tài)，從 而改善驅(qū)動晶體管的操作特性。第三，在蝕刻有機鐵電層108的后續(xù)工藝期間可防止對半導(dǎo)體層104的損傷。一 般地，可采用氧等離子體進行有機鐵電層108的蝕刻。在此情況下，由于氧等離子體，半導(dǎo) 體層104的特性可能會退化。因此，通過在半導(dǎo)體層104上形成緩沖層106，可防止半導(dǎo)體 層104由于氧等離子體的退化。結(jié)果，可防止驅(qū)動晶體管的操作特性的退化?？紤]到上述描述，緩沖層106可在蝕刻半導(dǎo)體層104期間充分抑制工藝退化并保 持能夠抑制有機鐵電層108的漏電流發(fā)生的良好的電性絕緣特性。此外，緩沖層106可由 可使存儲晶體管和驅(qū)動晶體管的操作電壓增加最小化的材料形成。例如，緩沖層106可由硅基絕緣層，諸如，氧化硅(SiO2)層、氮化硅(SiN)層或氧氮 化硅(SiON)層，形成。可選擇地，緩沖層106可以是氧化鋁(Al2O3)層、氧化鉿(HfO2)層、氧化鋯(ZrO2)層、氧化鎂(MgO)層、氧化鈦(TiO2)層、氧化鉭(Ta2O5)層、氧化鑭(La2O3)層 或鍶鈦氧化物(SrTiO3)層?？蛇x擇地，緩沖層106可以是硅酸鹽絕緣層，其由硅和構(gòu)成上 述氧化物的金屬元素的混合物形成。存儲晶體管的有機鐵電層108可被用作存儲TFT的主要柵極絕緣層。在此情況 下，有機鐵電層108可由鐵電材料形成，由諸如單體或聚合物有機材料形成，其因施加電壓 而展示剩余極化。例如，有機鐵電層108可由聚偏二氟乙烯(P (VDF)，poly (vinylidenefuoride))和 P (VDF-TrFE)形成，其為通過混合合適的比例的P (VDF)和trif luorotethylene (TrFE)獲得 的共聚物?？煽刂芇 (VDF)與TrFE的混合比率使得P(VDF-TrFE)展示出鐵電特性。例如， P(VDF)可以為55%以上。當然，可控制混合比率以最優(yōu)化有機鐵電層108的漏電流和鐵電 特性。驅(qū)動晶體管可包括取代有機鐵電層108的柵極絕緣層109。在此情況下，柵極絕 緣層109可用作驅(qū)動TFT的主要柵極絕緣層。例如，柵極絕緣層109可以是硅基絕緣層、 氧化鋁(Al2O3)層、氧化鉿(HfO2)層、氧化鋯(ZrO2)層、氧化鎂(MgO)層、氧化鈦(TiO2)層、 氧化鉭(Ta2O5)層、氧化鑭(La2O3)層或鍶鈦氧化物(SrTiO3)層。硅基絕緣層可以是氧化硅 (SiO2)層、氮化硅(SiN)層或氧氮化硅(SiON)層。可選擇地，柵極絕緣層109可以是硅酸 鹽絕緣層，其由硅和構(gòu)成上述氧化物的金屬元素的混合物形成。當然，對于典型的TFT的柵 極絕緣層，柵極絕緣層109可由任何材料形成。源極和漏極電極襯墊112可通過接觸插塞110電性連接到源極和漏極電極102，接 觸插塞Iio形成為部分穿透有機鐵電層108或柵極絕緣層109。例如，如圖IA和IB所示， 存儲晶體管的接觸插塞110可穿過有機鐵電層108形成，驅(qū)動晶體管的接觸插塞110可穿 過柵極絕緣層109形成。在此情況下，源極和漏極電極襯墊112可由TCO薄層，例如，ITO薄層，形成，或由 具有足夠低的電阻且足夠透明的導(dǎo)電氧化物薄層形成。柵極電極114可設(shè)置在部分有機鐵電層108或部分柵極絕緣層109之上，具體地， 在存儲和驅(qū)動晶體管的溝道區(qū)域之上。在此情況下，柵極電極114可由TCO薄層，例如，ITO 薄層，形成，或由具有足夠低的電阻且足夠透明的導(dǎo)電氧化物薄層形成。此外，柵極電極114 可在有機鐵電層108或柵極絕緣層109之上與源極和漏極電極襯墊112設(shè)置在相同的水平 面上。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，透明的非易失性存儲單元可包括形成在相同的基板100上的透明 存儲TFT和透明驅(qū)動TFT。圖2是根據(jù)本發(fā)明第二示范性實施例的非易失性存儲單元的截面圖。參考圖2，根據(jù)本實施例，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管可設(shè)置在相同的基板200上。存儲晶體管可包括形成在基板200上的源極和漏極電極202、半導(dǎo)體層204A、緩沖 層206A、有機鐵電層208A、接觸插塞210、源極和漏極電極襯墊212以及柵極電極214。而 且，除了驅(qū)動晶體管包括取代有機絕緣層208A的柵極絕緣層209A之外，驅(qū)動晶體管與存儲 晶體管可具有相同的結(jié)構(gòu)。具體地，根據(jù)本實施例，有機鐵電層208A可僅形成在存儲晶體管的柵極電極區(qū)域 中，且柵極絕緣層209A可取代有機鐵電層208A形成在除柵極電極區(qū)域之外的剩余區(qū)域中。在此情況下，存儲和驅(qū)動晶體管的接觸插塞210可穿過柵極絕緣層209A形成。而且，源極 和漏極電極襯墊212可形成在柵極絕緣層209A之上。圖3是根據(jù)本發(fā)明第三示范性實施例的非易失性存儲單元的截面圖。參考圖3，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管可設(shè)置在相同的基板300上。存儲晶體管可包括形成在基板300上的源極和漏極電極302、半導(dǎo)體層304A、緩沖 層306A、有機鐵電層308A、接觸插塞310、源極和漏極電極襯墊312以及柵極電極314。而 且，除了驅(qū)動晶體管包括取代有機絕緣層308A的柵極絕緣層309A之外，驅(qū)動晶體管與存儲 晶體管可具有相同的結(jié)構(gòu)。具體地，根據(jù)本實施例，柵極絕緣層309A可僅形成在驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域 中，而有機鐵電層308A可取代柵極絕緣層309A形成在除柵極電極區(qū)域之外的剩余區(qū)域中。 在此情況下，存儲和驅(qū)動晶體管的接觸插塞310可穿過有機鐵電層308A形成。而且，源極 和漏極電極襯墊312可形成在有機鐵電層308A之上。根據(jù)上述實施例，具有透明性和存儲功能的非易失性鐵電存儲器件以及構(gòu)造為驅(qū) 動非易失性鐵電存儲器件的透明驅(qū)動器件可集成在相同的基板上。下面，將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的非易失性存儲單元的制造方 法。圖4A至41是說明圖2的非易失性存儲單元的制造方法的截面圖。參考圖4A，可以提供基板200，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管集成在基板200上。如上 所述，基板200可以是玻璃或塑料基板。當基板200是塑料基板時，合適的預(yù)處理工藝可被 進行以改善基板200的平坦度。參考圖4B，用于源極和漏極電極的導(dǎo)電層可以形成在基板200并被圖案化，從而 形成多個源極和漏極電極202。用于源極和漏極電極的導(dǎo)電層可采用濺射工藝被形成，并采用濕或干蝕刻工藝被 圖案化。而且，源極和漏極電極202可形成為具有約50nm至150nm的厚度。參考圖4C，半導(dǎo)體材料層204可形成在具有源極和漏極電極202的所得結(jié)構(gòu)的整 個表面上，且緩沖材料層206可形成在半導(dǎo)體材料層204上。在此情況下，由于半導(dǎo)體材料層204的厚度顯著影響存儲和驅(qū)動晶體管的操作條 件，可考慮以下的點來確定半導(dǎo)體材料層204的沉積厚度。第一，半導(dǎo)體材料層204的厚度可確定在這樣的范圍以確保存儲和驅(qū)動晶體管的 操作特性。一般地，半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體材料的載流子濃度可以與其厚度直接相關(guān)聯(lián)。因此，半 導(dǎo)體材料層204可形成到約5nm至50nm的厚度，使得半導(dǎo)體材料層204可用作驅(qū)動晶體管 的半導(dǎo)體層。當半導(dǎo)體層具有小于約5nm的厚度時，半導(dǎo)體層的厚度會小于半導(dǎo)體層的表面中 載流子移動的平均距離，從而大大降低載流子的遷移率。同時，當半導(dǎo)體層具有大于約50nm 的厚度時，半導(dǎo)體層會具有過高的載流子濃度，從而引起截止電流(off-current)的增加 和導(dǎo)通/截止操作裕度(operationmargin)的降低。在此情況下，當半導(dǎo)體層具有極高的 載流子濃度時，驅(qū)動晶體管的操作會實質(zhì)上不起作用。因此，考慮到第一點，半導(dǎo)體材料層 204可具有約5nm至50nm的厚度。
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第二，半導(dǎo)體材料層204的厚度可被確定為使得存儲晶體管可在較低電壓下執(zhí)行 存儲操作。在本說明書中，盡管省略了確定存儲晶體管的操作電壓所需的定量計算，但是存 儲晶體管在截止操作編程的情況下比導(dǎo)通操作編程的情況下可能需要更高的操作電壓。這 是因為氧化物半導(dǎo)體薄層可隨施加電壓的變化在耗盡層和累積層中操作，以被完全耗盡且 在特定電壓條件下表現(xiàn)為絕緣體，不像典型的硅半導(dǎo)體層隨著施加電壓的變化在反型層和 累積層中操作。在上述條件下，由于通過存儲晶體管的柵極堆疊結(jié)構(gòu)中的氧化物半導(dǎo)體薄 層的完全耗盡層形成串聯(lián)電容器，會發(fā)生編程電壓的損失，從而導(dǎo)致截止操作編程電壓的 升高。因此，為了盡量大地抑制上述效應(yīng)并降低截止操作編程電壓，氧化物半導(dǎo)體薄層的完 全耗盡層的厚度應(yīng)該最小化。換句話說，氧化物半導(dǎo)體薄層的厚度應(yīng)該盡量被最小化。因 此，考慮到第二點，半導(dǎo)體材料層204可以沉積到約20nm以下的厚度。結(jié)果，考慮到第一和第二點，半導(dǎo)體材料層204可以形成到約5nm至20nm的厚度。而且，由于緩沖材料層206的厚度顯著影響存儲晶體管的操作特性，所以考慮下 面的點可確定緩沖材料層206的沉積厚度。第一，緩沖材料層206的厚度可確定在這樣的范圍內(nèi)，以不過分增加存儲晶體管 的操作電壓。也就是，當緩沖材料層206具有過大的厚度時，存儲晶體管的一部分驅(qū)動電 壓可被串聯(lián)電容器消耗，該串聯(lián)電容器由構(gòu)成存儲晶體管的柵極堆疊的一部分的緩沖層形 成，從而導(dǎo)致整體操作電壓的上升。因此，考慮到第一點，緩沖材料層206可形成為具有約 IOnm以下的厚度。第二，緩沖材料層206的厚度可確定在這樣的范圍內(nèi)，以充分地抑制半導(dǎo)體材料 層204的蝕刻工藝的工藝退化。第三，厚度可被確定在這樣的范圍內(nèi)，以充分地抑制后續(xù)將形成的有機鐵電層的 漏電流。因此，考慮到第二和第三點，緩沖材料層206可形成到約4nm以上的厚度。結(jié)果， 考慮到第一至第三點，緩沖材料層206可以形成到約4nm至IOnm的厚度。同時，半導(dǎo)體材料層204和緩沖材料層206可采用用于半導(dǎo)體制造工藝的典型的 薄膜形成技術(shù)形成。例如，半導(dǎo)體材料層204可采用原子層沉積(ALD)技術(shù)、化學(xué)氣相沉積 (CVD)技術(shù)以及反應(yīng)濺射技術(shù)或其變型的至少一種形成。在此情況下，工藝溫度、使用或不使用等離子體以及薄層的材料可以被確定為不 使形成在其下方的半導(dǎo)體材料層204的特性退化。具體地，半導(dǎo)體材料層204和緩沖材料 層206可采用相同的設(shè)備順序形成。參看圖4D，可以蝕刻緩沖材料層206和半導(dǎo)體材料層204，從而在存儲和驅(qū)動晶體 管的溝道區(qū)域上形成緩沖層206A和半導(dǎo)體層204A。在此情況下，可采用光刻工藝進行蝕刻工藝。例如，可采用預(yù)定的蝕刻劑執(zhí)行濕蝕 刻工藝，或可采用等離子體執(zhí)行干蝕刻工藝。在蝕刻工藝期間，緩沖層206A可有效地抑制 半導(dǎo)體層204A的退化。參考圖4E，有機鐵電材料層208可形成在具有半導(dǎo)體層204A和緩沖層206A的所 得結(jié)構(gòu)的整個表面上。有機鐵電材料層208可采用旋涂技術(shù)形成。例如，當有機鐵電材料層208由 P(VDF-TrFE)形成時，可通過在有機溶劑中溶解P(VDF-TrFE)的固體顆粒正常制備材料溶液?，F(xiàn)描述采用旋涂工藝形成有機鐵電材料層208的典型的工藝。首先，可在合適的涂敷條 件下，通過滴到預(yù)定基板上并在預(yù)定溫度退火以從材料溶液中揮發(fā)有機溶劑，從而涂敷材 料溶液。之后，可以在預(yù)定的溫度進行退火工藝，以使有機鐵電層結(jié)晶。典型地，盡管執(zhí)行用 于揮發(fā)有機溶劑的退火工藝的溫度可隨有機溶劑的種類變化，但是溫度會在約50至120°C 的范圍內(nèi)。而且，盡管執(zhí)行用于晶化工藝的退火工藝的溫度可隨有機鐵電材料的種類而變 化，但是當采用P(VDF-TrFE)作為有機鐵電材料時，溫度會在約120至200°C的范圍內(nèi)。在 此情況下，由于有機鐵電材料層208的結(jié)晶是必須要求的，以允許有機鐵電材料層208具有 良好的鐵電特性，所以選擇結(jié)晶溫度會是非常重要的。當結(jié)晶溫度過低時，有機鐵電材料層 208可能具有不足的結(jié)晶度，使得有機鐵電材料層208不能獲得期望的電性質(zhì)。相反，當結(jié) 晶溫度過高時，有機鐵電材料層208會完全熔融并喪失其鐵電特性。同時，當有機鐵電材料層208通過旋涂工藝形成時，通過調(diào)節(jié)旋涂工藝的每分鐘 轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)和材料溶液的濃度可以控制有機鐵電材料層208的厚度。在此情況下，可考慮下面的兩點，以選擇有機鐵電材料層208的合適的厚度。第 一，有機鐵電材料層208的厚度可被選擇以最小化存儲晶體管的操作電壓。為了這樣做，有 機鐵電材料層208的厚度可被最小化以即使在低的施加電壓下也促進極化反轉(zhuǎn)。然而，根 據(jù)傳統(tǒng)研究結(jié)果，當有機鐵電材料層208的厚度被降低到預(yù)定厚度以下時，有機鐵電材料 層208的鐵電特性會大大地退化，使得即使在相同的電場下，發(fā)生極化反轉(zhuǎn)時的電場值會 大大地增加，且極化反轉(zhuǎn)所需的時間會被大大地延長。盡管發(fā)生上述退化現(xiàn)象時的臨界層 厚度會根據(jù)沉積在有機鐵電層之上或之下的電極的種類而變化，但是已知在約50nm以下 的層厚度明顯觀察到退化現(xiàn)象。第二，有機鐵電材料層208的厚度可以被選擇以改善存儲 晶體管的數(shù)據(jù)保持特性。由于存儲晶體管的數(shù)據(jù)保持時間與有機鐵電層的漏電流特性緊密 相關(guān)，所以有機鐵電材料層208的沉積厚度可以被最優(yōu)化以在器件操作期間防止產(chǎn)生過量 的漏電流。根據(jù)研究結(jié)果，已知當有機鐵電層具有約200nm的厚度時，大的漏電流可能不會 隨施加的電壓而產(chǎn)生。因此，考慮到第一和第二點，有機鐵電材料層208的厚度可被選擇在 約50nm至200nm的范圍內(nèi)。然而，如果開發(fā)任何盡管減小有機鐵電層的厚度但是改善鐵電 特性的方法，則有機鐵電材料層208的沉積厚度的最低限度可被進一步降低。參考圖4F，可選擇性地從驅(qū)動晶體管區(qū)域去除有機鐵電材料層208。例如，光致抗 蝕劑圖案(未示出)可形成在有機鐵電材料層208之上，以覆蓋存儲晶體管的柵極電極區(qū) 域，且可采用光致抗蝕劑圖案作為蝕刻阻抗層蝕刻有機鐵電材料層208。之后，可去除光致 抗蝕劑圖案。結(jié)果，可形成僅保留在存儲晶體管的柵極電極區(qū)域中的有機鐵電層208A。在此情況下，可考慮下面兩點進行有機鐵電材料層208的蝕刻。第一，當有機鐵電材料層208采用氧等離子體被蝕刻時，氧等離子體的條件可被 最優(yōu)化，以不使半導(dǎo)體層204A的性質(zhì)退化。一般地，由于等離子體處理，半導(dǎo)體層204A的內(nèi) 部和表面的特性可能相當大地改變。盡管在蝕刻有機鐵電材料層208期間緩沖層206A可 用作半導(dǎo)體層204A的保護層，但是氧等離子體條件可以被最優(yōu)化以防止半導(dǎo)體層204A的 特性退化。第二，可適當?shù)剡x擇用于用作蝕刻掩模的光致抗蝕劑圖案的剝離工藝的剝離劑， 以不影響有機鐵電層208A的特性。由于典型的光致抗蝕劑圖案的剝離所需的化學(xué)物質(zhì)不利地影響有機鐵電層208A的特性，所以必須仔細地選擇剝離劑。此外，由于采用干蝕刻工 藝(不像濕刻蝕工藝，其在真空中采用等離子體)進行光致抗蝕劑圖案的去除，所以光致抗 蝕劑圖案會被硬化得更嚴重，且由此在不適當?shù)膭冸x條件下，部分的光致抗蝕劑圖案會保 留在有機鐵電層208A之上?？蛇m用于剝離光致抗蝕劑圖案的剝離劑可具有下面的特性。第一，剝離劑的成分 不應(yīng)該化學(xué)地影響有機鐵電層208A。例如，當有機鐵電層208A由ρ (VDF-TrFE)形成時，剝 離劑的成分不應(yīng)該化學(xué)分解P (VDF-TrFE)，以不引起有機鐵電層208Α的去除。此外，剝離 劑的成分不應(yīng)該極大地改變P (VDF-TrFE)的結(jié)晶狀態(tài)或化合狀態(tài)，以不對P (VDF-TrFE)的 電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利的影響。例如，丙酮，其是典型地應(yīng)用于剝離光致抗蝕劑圖案的有機化學(xué) 物質(zhì)，會完全溶解并去除P(VDF-TrFE)。因此，本發(fā)明的方法不能采用丙酮作為剝離劑。第 二，剝離劑應(yīng)該能夠完全去除光致抗蝕劑圖案的剩余部分。當對應(yīng)的剝離劑不能有效地移 除光致抗蝕劑圖案的剩余部分時，光致抗蝕劑圖案的剩余部分會持續(xù)保留在形成有器件的 部分基板200上，并阻礙器件的正常操作。例如，包含甲醇作為主要成分的有機化學(xué)物質(zhì)可 被用以剝離光致抗蝕劑圖案。然而，根據(jù)光致抗蝕劑圖案的種類以及前述工藝的影響，采用 甲醇不能完全移除光致抗蝕劑圖案的剩余部分。因此，1-甲氧基-2-丙醇可被用作光致抗蝕劑圖案的剝離劑。盡管在本說明 書中沒有描述用于描述應(yīng)用1-甲氧基-2-丙醇的依據(jù)的具體實驗結(jié)果，但是當1-甲氧 基-2-丙醇被用作剝離劑時，用作蝕刻掩模的光致抗蝕劑圖案可被有效地移除而不影響 P (VDF-TrFE)的極化和漏電流特性。參考圖4G，柵極絕緣層209可形成在有機鐵電層208Α被選擇性移除的所得結(jié)構(gòu)的 整個表面上。可采用典型的半導(dǎo)體制造工藝的薄膜形成技術(shù)形成柵極絕緣層209，其可以滿足 下面的兩個條件。第一，柵極絕緣層209應(yīng)該在約150°C以下的溫度下形成。用作存儲晶體管的主要 的柵極絕緣層的有機鐵電層208A可設(shè)置在柵極絕緣層209之下。有機鐵電層208A的熔點 可以為約160°C。因此，為了防止有機鐵電層208A的物理性質(zhì)在形成柵極絕緣層209期間 被改變，柵極絕緣層209可以在約150°C以下的溫度形成。如上所述，通過在約150°C以下 的溫度形成柵極絕緣層209，當存儲晶體管和驅(qū)動晶體管形成在相同的基板200上時，可確 保工藝兼容性。換句話說，驅(qū)動晶體管可形成而不使存儲晶體管的特性退化。第二，等離子體工藝應(yīng)該被排除以形成柵極絕緣層209。由于等離子體工藝會對有 機鐵電層208A產(chǎn)生嚴重損壞，所以不可以采用反應(yīng)濺射工藝形成柵極絕緣層209?？紤]到前述兩個條件，可采用ALD技術(shù)或CVD技術(shù)形成柵極絕緣層209。具體地， 由于在沒有等離子體的條件下柵極絕緣層209可在約150°C或更低的溫度下形成，所以柵 極絕緣層209可采用更適合于低溫工藝的ALD技術(shù)形成。同時，考慮到驅(qū)動TFT的需求，柵極絕緣層209的厚度可以被適當?shù)剡x擇。即，柵 極絕緣層209的厚度可被選擇，以便在施加用于操作驅(qū)動晶體管的閾值電壓以及預(yù)定電壓 的條件下滿足漏極電流。參考圖4H，可進行平坦化工藝直到有機鐵電層208A的表面被暴露。之后，柵極絕 緣層209可被蝕刻，從而形成分別暴露多個源極和漏極電極202的多個通孔HI。在圖中，附圖標記209A表示蝕刻以形成通孔Hl的柵極絕緣層。通孔Hl的形成可包括采用光刻工藝的蝕刻工藝和采用預(yù)定濕蝕刻劑的濕蝕刻工 藝。參考圖41，通孔Hl可被導(dǎo)電層填充，從而形成將被分別連接到多個源極和漏極電 極202的多個接觸插塞210。這里，多個接觸插塞210可以穿通柵極絕緣層209A形成。之后，多個源極和漏極電極襯墊212可形成在多個接觸插塞210上。源極和漏極 電極襯墊212可通過接觸插塞210電性連接到源極和漏極電極202。源極和漏極電極襯墊 212可采用濺射工藝形成。然后，柵極電極214可形成在于存儲晶體管的柵極電極區(qū)域中形成的有機鐵電層 208A上。而且，柵極電極214可形成在于驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域中形成的柵極絕緣層 209A 上。在此情況下，可建議下面的兩種方法以形成柵極電極214，而不損壞有機鐵電層 208A。第一，當柵極電極214由為TCO層的ITO薄層形成時，任何用于最小化基板由于濺 射工藝的退化的方法可被選擇而取代濺射工藝，或設(shè)計以最小化基板由于濺射工藝的退化 的專用設(shè)備可被采用。例如，即使通過濺射裝置采用真空中的等離子體形成柵極電極214， 則也可適當?shù)乜刂苹搴桶兄g的距離和位置關(guān)系以最小化濺射工藝對基板的影響。第二，取代直接在有機鐵電層208A之上形成ΙΤ0，TCO薄層可采用不同于濺射工藝 的工藝預(yù)先形成，而ITO層可形成在其上。在此情況下，濺射工藝對有機鐵電層208A的影 響可被最小化。因此，可形成其中存儲晶體管和驅(qū)動晶體管集成在相同的基板200上的透明的非 易失性存儲單元。根據(jù)本實施例的非易失性存儲單元的制造方法可具有下面的特征。第一，緩沖層206A可形成在包括驅(qū)動晶體管和存儲晶體管的柵極堆疊的半導(dǎo)體 層204A之上。在此情況下，緩沖層206A可被制備，以確保驅(qū)動和存儲晶體管的良好特性。 因此，可采用相同的工藝在相同的基板200的平坦表面上，同時由相同的材料形成緩沖層 206A。第二，可在形成用作驅(qū)動晶體管的主要柵極絕緣層的柵極絕緣層209A之前形成 用作存儲晶體管的主要柵極絕緣層的有機鐵電層208A。當柵極絕緣層209A在有機鐵電層 208A之前形成時，具有柵極絕緣層209A的所得結(jié)構(gòu)應(yīng)該被圖案化，使得柵極絕緣層209A僅 保留在驅(qū)動晶體管的柵極區(qū)域中。然而，由于柵極絕緣層209A和緩沖層206A可根據(jù)情況 由相同的材料形成，且在柵極絕緣層209A與緩沖層206A之間的蝕刻選擇性不能被充分地 確保，所以從存儲晶體管完全移除柵極絕緣層209A可能是不可能的。因此，根據(jù)本實施例 的方法，有機鐵電層208A可以比驅(qū)動和存儲晶體管的各主要柵極絕緣層形成得更早。第三，有機鐵電層208A可僅設(shè)置在存儲晶體管的柵極電極區(qū)域中，且驅(qū)動和存儲 晶體管的源極和漏極電極襯墊212可形成在柵極絕緣層209A之上。在此情況下，由于驅(qū)動 和存儲晶體管的所有的接觸插塞210可采用相同的工藝形成，所以可增加工藝均勻性，且 通孔的電阻比采用兩道工藝形成較細的通孔時可被降低得更多。因此，根據(jù)本實施例的透 明的非易失性存儲單元的制造方法的特征可在于穿通柵極絕緣層209A形成驅(qū)動和存儲晶 體管的所有的接觸插塞210。
圖5A至51是說明圖3的非易失性存儲單元的制造方法的截面圖。這里，省略了 先前實施例中相同的構(gòu)件的描述。參考圖5A，存儲晶體管和驅(qū)動晶體管集成在其上的基板300可被設(shè)置。參考圖5B，多個源極和漏極電極302可形成在基板300上。參考圖5C，半導(dǎo)體材料層304可形成在具有源極和漏極電極302的所得結(jié)構(gòu)的整 個表面上，且緩沖材料層306可形成在半導(dǎo)體材料層304上。參考圖5D，緩沖材料層306和半導(dǎo)體材料層304可被蝕刻，從而在存儲和驅(qū)動晶體 管的溝道區(qū)域上形成緩沖層306A和半導(dǎo)體層304A。參考圖5E，有機鐵電層308可形成在具有半導(dǎo)體層304A和緩沖層306A的所得結(jié) 構(gòu)的整個表面上。參考圖5F，有機鐵電層308可從存儲晶體管區(qū)域被選擇性地移除。例如，光致抗 蝕劑圖案可形成在有機鐵電層308之上，以暴露驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域和接觸插塞區(qū) 域。之后，有機鐵電層308可采用作為蝕刻阻抗層的光致抗蝕劑圖案被蝕刻。隨后，作為蝕 刻掩模的光致抗蝕劑圖案可被移除。結(jié)果，有機鐵電層308從驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域被移除，且多個通孔H2可形 成，以分別暴露源極和漏極電極302。在此情況下，有機鐵電層308被保留在存儲晶體管的 柵極電極區(qū)域以及基板300的大的區(qū)域上。在圖中，附圖標記308A表示在蝕刻工藝之后保 留的有機鐵電層。參考圖5G，柵極絕緣層309可形成在有機鐵電層308A被選擇性地從其移除的所得 結(jié)構(gòu)的整個表面上。在此情況下，不僅柵極電極區(qū)域而且通孔H2會被填充柵極絕緣層309。參考圖5H，可進行平坦化工藝，以暴露有機鐵電層308A的表面，且可通過蝕刻選 擇性地移除填充通孔H2的柵極絕緣層309。在此情況下，填充驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域 的柵極絕緣層309可被保留。在圖中，附圖標記309A表示在蝕刻工藝之后保留的柵極絕緣 層。參考圖51，多個通孔H2可被導(dǎo)電層填充，從而形成多個接觸插塞310，以分別連接 到多個源極和漏極電極302。這里，接觸插塞310可穿通有機鐵電層308A形成。然后，多個源極和漏極電極襯墊312可分別形成在多個接觸插塞310上。之后，柵極電極314可形成在于驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域中形成的有機鐵電層 308A 上。結(jié)果，可形成其中存儲晶體管和驅(qū)動晶體管形成在相同的基板300上的透明的非 易失性存儲單元。根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的非易失性存儲單元的上述制造方法可具有下 面的特性。柵極絕緣層309A可僅形成在驅(qū)動晶體管的柵極電極區(qū)域中，而驅(qū)動和存儲晶體 管的源極和漏極電極襯墊312可形成在有機鐵電層308A之上。即，與前述第二實施例不同， 可執(zhí)行蝕刻工藝使得有機鐵電層308A保留在基板300的大的區(qū)域上。因此，與進行以僅在 存儲晶體管的柵極電極區(qū)域中保留有機鐵電層的蝕刻工藝相比，在蝕刻工藝期間有機鐵電 層308的工藝退化可被降低。因此，用作存儲晶體管的主要柵極絕緣層的有機鐵電層308A 的膜質(zhì)量可被改善。當然，有機鐵電層308A相比于柵極絕緣層309A會具有較低的密度和較高的表面粗糙度。因此，考慮到上述特性，制造工藝可被最優(yōu)化。根據(jù)第二和第三實施例的非易失性存儲單元的制造方法僅作為示例被提供，且本 發(fā)明不限于此。此外，具體工藝條件可根據(jù)將被應(yīng)用的整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所需的工藝被適 當?shù)剡x擇。此外，盡管在本說明書中沒有描述根據(jù)第一實施例的非易失性存儲單元的制造工 藝，但是可在根據(jù)第二和第三實施例制造非易失性存儲單元期間，通過控制有機鐵電薄層 的蝕刻區(qū)域而制造根據(jù)第一實施例的非易失性存儲單元。圖6A和6B是顯示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶 體管和驅(qū)動晶體管的透明非易失性存儲單元的柵極電壓-漏極電流特性的曲線圖。在圖6A 和6B中，用以測量該特性的透明非易失性存儲單元根據(jù)前述第二實施例被制造，且透明非 易失性存儲單元的具體制造方法現(xiàn)將被描述?；?00是玻璃基板，源極和漏極電極202由具有約150nm的厚度的ITO薄層形 成。半導(dǎo)體層204A是采用ALD技術(shù)形成的5nm的氧化鋅(ZnO)層。緩沖層206A是在約 200°C的溫度下采用ALD技術(shù)形成的4nm的氧化鋁(Al2O3)層。有機鐵電層208A是80nm的P (VDF-TrFE)薄層。有機鐵電層208A采用旋涂工藝 并經(jīng)歷了約140°C的溫度下的結(jié)晶退火工藝被形成。有機鐵電層208A采用光致抗蝕劑圖案 作為蝕刻阻抗層通過氧等離子體工藝被蝕刻。柵極絕緣層209A是180nm的Al2O3層。柵極絕緣層209A在約150°C的溫度下采 用ALD技術(shù)被形成。柵極絕緣層209A采用光致抗蝕劑圖案作為蝕刻阻抗層通過濕蝕刻工 藝被蝕刻。源極和漏極電極襯墊212以及柵極電極214由Al薄層形成。當然，為實現(xiàn)根據(jù)本 發(fā)明的透明非易失性存儲晶體管，源極和漏極電極襯墊212和柵極電極214可由TCO薄層 形成。然而，即使源極和漏極襯墊212以及柵極電極214由Al薄層形成，則也可以應(yīng)用根 據(jù)本發(fā)明的透明非易失性存儲單元的制造方法。參考圖6A，可以確認當柵極電壓施加到根據(jù)實施例形成在相同的基板上的驅(qū)動 晶體管和存儲晶體管時，漏極電流隨閾值電壓的變化展示出磁滯特性。具體地，可以確認 在編程電壓為約-12至12V時，閾值電壓的變化為約7. 2V。這是因為存儲晶體管的閾值電 壓由于有機鐵電層的剩余極化而被改變。因此，可以得出結(jié)論根據(jù)實施例的存儲晶體管具 有良好的存儲操作特性。由于存儲晶體管具有約ICT12A的截止電流和約IO7的導(dǎo)通/截止操作裕度，所以可 以看到存儲晶體管展示出優(yōu)異的晶體管操作特性。參考圖6B，可以確認根據(jù)實施例形成在相同基板上的驅(qū)動晶體管和存儲晶體管 具有與有相同的柵極堆疊結(jié)構(gòu)的晶體管相同的操作特性。因此，可以看到根據(jù)實施例集成 存儲晶體管的工藝可以不使驅(qū)動晶體管的操作特性劣化。圖7是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶體管和驅(qū)動 晶體管的存儲單元的電路圖。參考圖7，驅(qū)動晶體管的源極電極可接地，驅(qū)動晶體管的漏極電極可連接到存儲晶 體管的源極電極，且從存儲晶體管的漏極電極提供的電流可被用作根據(jù)本發(fā)明示范性實施 例的存儲單元的輸出信號。電壓信號VGO可被施加到驅(qū)動晶體管的柵極電極，而電壓信號VGF可被施加到存儲晶體管的柵極電極。根據(jù)示范性實施例的存儲晶體管的電路結(jié)構(gòu)不可限制于圖7的電路結(jié)構(gòu)，而是可 具有各種電路結(jié)構(gòu)之一，該各種電路結(jié)構(gòu)包括可形成在相同的基板上的單個存儲晶體管和 單個驅(qū)動晶體管或多個驅(qū)動晶體管。圖7的存儲單元的電路結(jié)構(gòu)應(yīng)該被解釋為示例，其被 呈現(xiàn)以證實根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的存儲單元的操作特性。圖8A和8B是顯示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，包括設(shè)置在相同基板上的存儲晶 體管和驅(qū)動晶體管的存儲單元的寫入和讀出操作的圖。參考圖8A，初始，約20或-20V的電壓信號VGF被施加到存儲晶體管的柵極電極， 以存儲“1”或“0”作為存儲晶體管的數(shù)據(jù)狀態(tài)。之后，當連續(xù)的施加操作時鐘信號到驅(qū)動 晶體管的柵極電極時，來自存儲單元的輸出端的電流輸出被測量。在此情況下，施加到驅(qū)動晶體管的時鐘電壓信號VGO設(shè)在_5至15V的范圍內(nèi)。當 施加約-5V的時鐘電壓信號VGO時，驅(qū)動晶體管完全截止，使得約ICT12A的非常小的電流流 經(jīng)存儲單元。同時，可以確認當施加約15V的時鐘電壓信號VGO時，驅(qū)動晶體管可以工作，且根 據(jù)已經(jīng)因先前施加的VGF信號進入數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)的存儲晶體管的存儲狀態(tài)，驅(qū)動晶體管可 以獲得不同的電流。更具體地，當施加約-20V的VGF信號時，約10,至10_9A的電流從存 儲單元的輸出端被輸出，而當施加約20V的VGF信號時，流出約ICT7A的電流。換句話說，根 據(jù)施加到存儲晶體管的寫入電壓的差異，根據(jù)本實施例的存儲單元可將經(jīng)過存儲單元的輸 出端的電流輸出調(diào)制差不多100到1000倍。此外，根據(jù)驅(qū)動晶體管的操作，根據(jù)本實施例 的存儲單元可將存儲狀態(tài)分為備用狀態(tài)和讀出狀態(tài)。參考圖8B，當施加VGO時鐘信號到驅(qū)動晶體管的柵極電極時，來自存儲單元的輸 出端的電流輸出隨時間的推移而被測量。因此，可以看到存儲值可被重復(fù)讀取，而不用每次事前重新寫入存儲在存儲晶體 管中的存儲狀態(tài)。即，可確認當約-20V的VGF信號被施加到存儲晶體管時且當約20V的 VGF信號被施加到存儲晶體管時，相同的存儲狀態(tài)可被讀出40次，而不改變存儲值。從此結(jié) 果，可以推定包括形成在相同的基板上的存儲和驅(qū)動晶體管的存儲單元可實現(xiàn)非破壞性的 讀出操作。結(jié)果，可以看到根據(jù)本發(fā)明的透明非易失性存儲單元的制造方法對于實現(xiàn)驅(qū)動和 存儲晶體管的操作是有利的。在此情況下，通過進一步優(yōu)化根據(jù)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)和制造 方法可改善存儲和驅(qū)動晶體管的操作特性。而且，盡管圖6A和6B僅顯示分離器件的操作 特性，但是驅(qū)動和存儲晶體管的操作特性也通過圖6A和6B的結(jié)果被證實。因此，即使源極 和漏極電極以及柵極電極由TCO材料形成，則也可預(yù)期透明非易失性存儲晶體管的特性可 被證實。同時，可以部分地修改透明非易失性存儲晶體管的上述結(jié)構(gòu)、材料組合、以及制造 方法以改善器件特性。根據(jù)本發(fā)明，在可見光區(qū)域透明的非易失性存儲單元可包括設(shè)置在相同的基板上 的存儲晶體管和驅(qū)動晶體管。而且，可采用減小成本的簡化工藝制造透明非易失性存儲單 元。具體地，存儲晶體管可安裝在系統(tǒng)中，使得可省略外部存儲器的安裝并可降低封裝成 本。因此，本發(fā)明可有助于實現(xiàn)各種透明的電子裝置。
在附圖和說明書中，已公開了本發(fā)明的典型的優(yōu)選實施例，盡管采用具體術(shù)語，但 它們僅以一般且描述性的方式采用而不用作限制的目的。至于本發(fā)明的范圍，其在權(quán)利要 求中被闡明。因此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可在其中做出各種形式和細節(jié)上的改 變，而不偏離由權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍。本申請要求于2009年8月25日提交的第10-2009-0078459號和2010年3月31 日提交的第10-2010-0029135號韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)和利益，其公開內(nèi)容整體引用結(jié)合 于此。
權(quán)利要求
一種非易失性存儲單元，包括存儲晶體管，包括設(shè)置在基板上的半導(dǎo)體層、緩沖層、有機鐵電層以及柵極電極；以及驅(qū)動晶體管，包括設(shè)置在所述基板上的半導(dǎo)體層、緩沖層、柵極絕緣層以及柵極電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述緩沖層插設(shè)在所述半導(dǎo)體層和所述有機鐵電 層之間，并切斷由所述有機鐵電層提供的漏電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述緩沖層包括硅基絕緣層、硅酸鹽絕緣層或鋁 氧化物層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述緩沖層具有約4nm至IOnm的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述有機鐵電層由P(VDF)或P(VDF-TrFE)形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述基板由玻璃或塑料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述半導(dǎo)體層由透明半導(dǎo)體氧化物層形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述半導(dǎo)體層具有約5nm至20nm的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，還包括多個源極電極和漏極電極，以預(yù)定間隔設(shè)置在所述基板上；以及多個源極電極和漏極電極襯墊，分別連接到所述多個源極電極和漏極電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單元，其中所述存儲晶體管的所述源極電極襯墊和漏極電 極襯墊通過穿通所述有機鐵電層形成的接觸插塞連接到所述源極電極和漏極電極，并且所述驅(qū)動晶體管的所述源極電極襯墊和漏極電極襯墊通過穿通所述柵極絕緣層形成 的接觸插塞連接到所述源極電極和漏極電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單元，其中所述有機鐵電層僅設(shè)置在所述存儲晶體管的溝 道區(qū)域上，且所述存儲晶體管以及所述驅(qū)動晶體管的源極電極襯墊和漏極電極襯墊通過穿 通所述柵極絕緣層形成的接觸插塞連接到所述源極電極和漏極電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單元，其中所述柵極絕緣層僅設(shè)置在所述驅(qū)動晶體管的溝 道區(qū)域上，且所述存儲晶體管及所述驅(qū)動晶體管的源極電極襯墊和漏極電極襯墊通過穿通 所述有機鐵電層形成的接觸插塞連接到所述源極電極和漏極電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單元，其中所述半導(dǎo)體層和所述有機鐵電層設(shè)置在所述源 極電極和漏極電極之間的所述基板上，以部分地覆蓋所述源極電極和漏極電極的側(cè)壁和頂 表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單元，其中所述源極電極和漏極電極以及所述源極電極襯 墊和漏極電極襯墊由TCO薄層形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述存儲晶體管和所述驅(qū)動晶體管設(shè)置在同一 基板上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，所述單元是透明的非易失性存儲單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中經(jīng)過所述存儲單元的輸出端輸出的電流根據(jù)施 加到所述存儲晶體管的所述柵極電極的寫入電壓而被調(diào)制。
18.一種非易失性存儲單元的制造方法，包括在包括存儲晶體管區(qū)域和驅(qū)動晶體管區(qū)域的基板上以預(yù)定間隔形成多個源極電極和 漏極電極；在所述基板在所述源極電極和漏極電極之間的暴露部分上形成半導(dǎo)體層和緩沖層；在具有所述緩沖層的所得結(jié)構(gòu)上形成有機鐵電層； 選擇性地移除形成在所述驅(qū)動晶體管區(qū)域上的所述有機鐵電層； 在所述有機鐵電層被選擇性移除的所得結(jié)構(gòu)上形成柵極絕緣層； 形成多個源極電極襯墊和漏極電極襯墊，以分別連接到所述多個源極電極和漏極電 極；以及在所述存儲晶體管的所述有機鐵電層以及所述驅(qū)動晶體管的所述柵極絕緣層之上形 成柵極電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中形成所述半導(dǎo)體層和所述緩沖層包括 沿具有所述多個源極電極和漏極電極的所得結(jié)構(gòu)的整個表面形成半導(dǎo)體材料層； 在所述半導(dǎo)體材料層上形成緩沖材料層；以及蝕刻所述緩沖材料層和所述半導(dǎo)體材料層，以在所述存儲晶體管和所述驅(qū)動晶體管的 溝道區(qū)域上形成所述緩沖層和所述半導(dǎo)體層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中選擇性地移除所述有機鐵電層包括在具有所述有機鐵電層的所得結(jié)構(gòu)上形成光致抗蝕劑圖案，以覆蓋所述存儲晶體管的 柵極電極區(qū)域；以及采用所述光致抗蝕劑圖案作為蝕刻阻抗層蝕刻所述有機鐵電層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中形成所述源極電極襯墊和漏極電極襯墊包括 蝕刻所述柵極絕緣層，以形成多個通孔來暴露所述源極電極和漏極電極的表面；用導(dǎo)電層填充所述多個通孔，以形成分別被連接到所述源極電極和漏極電極的多個接 觸插塞；以及在所述多個接觸插塞上形成所述多個源極電極襯墊和漏極電極襯墊。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中選擇性移除所述有機鐵電層包括在具有所述有機鐵電層的所得結(jié)構(gòu)上形成光致抗蝕劑圖案，以暴露所述驅(qū)動晶體管的 柵極電極區(qū)域和接觸插塞區(qū)域；以及采用所述光致抗蝕劑圖案作為蝕刻阻抗層蝕刻所述有機鐵電層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成所述源極電極襯墊和漏極電極襯墊包括 從所述接觸插塞區(qū)域移除所述柵極絕緣層，以形成暴露所述源極電極和漏極電極的表面的多個通孔；用導(dǎo)電層填充所述多個通孔，以形成分別連接到所述源極電極和漏極電極的多個接觸 插塞；以及在所述多個接觸插塞上形成所述源極電極襯墊和漏極電極襯墊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非易失性存儲單元及其制造方法。該非易失性存儲單元包括存儲晶體管和驅(qū)動晶體管。存儲晶體管包括設(shè)置在基板上的半導(dǎo)體層、緩沖層、有機鐵電層以及柵極電極。驅(qū)動晶體管包括設(shè)置在基板上的半導(dǎo)體層、緩沖層、柵極絕緣層以及柵極電極。存儲晶體管和驅(qū)動晶體管設(shè)置在相同的基板上。該非易失性存儲單元在可見光區(qū)域內(nèi)是透明的。
文檔編號H01L21/8247GK101997002SQ201010262020
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者俞炳坤, 卞春元, 姜承烈, 尹圣民, 樸相姬, 梁伸赫, 鄭焞元, 黃治善 申請人:韓國電子通信研究院