[發明專利]具有超順電性柵極絕緣體的半導體器件

有效

• 申請號: 200580043631.0
• 申請日: 2005-12-13
• 公開（公告）號: CN101084581A
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發明（設計）人: 古川裕希子;科內利斯·A·H·A·穆特塞爾斯
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號: H01L29/51
• 分類號: H01L29/51
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 陳瑞豐

技術領域

本發明涉及一種包括具有高介電常數的柵極絕緣體的半導體器件以及制造半導體器件的方法。

背景技術

眾所周知，場效應晶體管(FET)使用通過薄柵極絕緣體與半導體溝道區隔開的柵極導體。施加到柵極的電壓控制經過溝道區的傳導。

傳統上，已經使用二氧化硅作為柵極電介質，因為它可以簡單地通過對硅進行氧化來生長在硅上。也已經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，并進一步提高速度。然而，當將氧化硅和其它傳統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變薄，并且出現問題。

這已經因而導致了對可以改善性能并減小尺寸的高介電常數柵極電介質的要求。

過去已經提出過很多材料。

很多候選電介質材料是二元金屬氧化物，例如HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、Pr₂O₃、Gd₂O₃，硅酸鹽及其混合物。這樣的材料具有在10到30范圍內的介電常數。這樣的材料允許使用較厚的柵極電介質，減小了隧道泄漏電流。然而，仍然存在對30以上介電常數的柵極電介質的需要。

US?6,005,274講授了多種材料，如鋯鈦酸鋇(Ba(Zr，Ti)O₃)、鈦酸鍶(SrTi?O₃)、或者五氧化鉭(Ta?O₅)。這些材料是具有非常高介電常數的鐵電材料。

不幸地是，鐵電材料通常不具有對溫度和頻率穩定的電學特性。高極化、以及因此的高介電常數意味著存在高的偶極矩，以及所述偶極子可以翻轉。隨溫度和頻率在電學特性上的這種改變對于使用中的半導體器件的熱穩定性和頻率穩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體器件承受熱處理的能力也是非常不希望的。

發明內容

根據本發明，提出了一種半導體器件，包括：

半導體的溝道區；

與所述溝道區相鄰的導電柵電極；以及

導電柵電極和溝道區之間的柵極電介質；

其中，柵極電介質是由在體材料中(in?bulk)是鐵電性的材料形成的超順電性(superparaelectric)柵極電介質。

通過使用超順電性狀態的材料，即使同樣的材料在體材料中可能是鐵電性，也可以實現高介電常數柵極電介質，而沒有鐵電電介質的缺點，即沒有電學特性對溫度和頻率的相同敏感度。

柵極電介質可以是化學式為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。

柵極電介質的厚度可以小于100nm。

柵極電介質的材料可以是化學計量的BaTiO₃。

優選地，柵極電介質的介電常數在30到200范圍之內，進一步優選地在50到100之內。

本發明還涉及一種制造半導體器件的方法，包括：

形成溝道區；

沉積柵極電介質；以及

沉積柵極導體，將柵極電介質夾在溝道區和柵極導體之間；

其中在沉積柵極電介質的步驟中，柵極電介質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。

柵極電介質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，將柵極電介質形成為沒有足夠的鐵電疇以便成為鐵電性的柵極電介質，并且所具有的柵極電介質厚度使得柵極電介質作為超順電性柵極電介質。優選地，A是I族或II族元素。

通常，鐵電材料的沉積導致自身為鐵電性的薄膜。因此，本發明需要在沉積時避免柵極電介質具有鐵電特性的技術。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。