垂直式铁电薄膜储存晶体管和资料写入及读出方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种垂直式铁电薄膜储存晶体管及应用其上的资料写入方法与资料读出方法，该垂直式铁电薄膜储存晶体管包括：一基底，具有一第一表面；一第一导线结构，位于该第一表面上方；一第一绝缘层，位于该第一导线结构上方；一第二导线结构，位于该第一绝缘层的表面上；一第二绝缘层，位于该第二导线结构上方；一垂直孔，以与该第一表面垂直的方向穿过该第二绝缘层、该第二导线结构、该第一绝缘层、该第一导线结构及该基底；一通道层，位于该垂直孔的孔壁表面，并与该第一导线结构及该第二导线结构完成电性接触；一内介电层；一铁电层；一栅极结构；以及一第三导线结构，位于该第二绝缘层上方或该基底中，与该栅极结构完成电性接触。

【技术实现步骤摘要】
垂直式铁电薄膜储存晶体管和资料写入及读出方法
本专利技术是有关于一种铁电薄膜储存晶体管及应用其上的资料写入方法与资料读出方法，尤其是有关于一种垂直式铁电薄膜储存晶体管及应用其上的资料写入方法与资料读出方法。
技术介绍
铁电薄膜储存晶体管是一种正在发展中的非挥发性内存，而铁电薄膜储存晶体管的传统结构示意图如图1所示，其包括栅极12、铁电层14、源极16以及漏极18的晶体管结构。在特定的电压条件下，源极16和漏极18之间会形成一个半导体通道19。此外，为了防止半导体通道19中的电荷扩散到铁电层14之中，一般还可以在铁电层14与半导体通道19之间设置一层介电层15。通过对栅极12、源极16以及漏极18上所施加电压的控制，便可以在铁电层14上形成预定的极化方向，藉此写入资料”1”或”0”。但是，由图式中可以清楚看出，由于电流经过的通道方向与基底表面呈现平行，而源极16以及漏极18与第一导线结构111及第二导线结构112的接触面也是与基底10表面平行，为能降低电路的电阻，通常接触面、栅极12与铁电层14都必须维持足够的面积，因此占用不少的芯片面积，使得传统结构所完成的水平式铁电薄膜储存晶体管无法在有限面积的芯片中完成足够的内存单元，改善现有技术的缺失为本专利技术实施例的主要目的之一。
技术实现思路
因上述需求，本专利技术实施例除了提供垂直式铁电薄膜储存晶体管及制作方法之外，还进一步揭露了可应用于本案垂直式铁电薄膜储存晶体管之上的资料写入方法与资料读出方法。一方面，本专利技术实施例提供的一种垂直式铁电薄膜储存晶体管，包括：一基底，具有一第一表面；一第一导线结构，位于该基底的该第一表面上方；一第一绝缘层，位于该第一导线结构上方；一第二导线结构，位于该第一绝缘层的表面上；一第二绝缘层，位于该第二导线结构上方；一垂直孔，以与该第一表面垂直的方向穿过该第二绝缘层、该第二导线结构、该第一绝缘层、该第一导线结构及该基底；一通道层，位于该垂直孔的孔壁表面，并与该第一导线结构及该第二导线结构完成电性接触；一内介电层，位于该垂直孔中的该通道层的一侧；一铁电层，位于该垂直孔中的该内介电层的一侧；一栅极结构，位于该垂直孔中的该铁电层的一侧；以及一第三导线结构，位于该第二绝缘层上方或该基底中，且该第三导线结构与该栅极结构完成电性接触。在本专利技术的一个实施例中，该基底为一半导体基底，该第一导线结构、该第二导线结构及该第三导线结构为金属导线结构，该第一绝缘层及该第二绝缘层为二氧化硅层，该通道层为多晶硅通道层，该内介电层为二氧化硅层或氮氧化硅层，该铁电层为含掺杂的HfO2铁电体层或含掺杂的HfZrOx铁电体层，其中掺杂剂包括：Si、Al、La、Y、Sr、Gd、Nb、Ni和Ta中之一或其组合，该栅极结构为氮化钛(TiN)。在本专利技术的一个实施例中，在该第一导线结构上提供一”零”电位，该栅极结构上提供一导通电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管所储存的资料由该第二导线结构被读出。在本专利技术的一个实施例中，在该第一导线结构及该第二导线结构上分别提供一第一电位，在该栅极结构上提供一第二电位，其中该第二电位大于该第一电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管被写入一第一资料。在本专利技术的一个实施例中，在该第一导线结构及该第二导线结构上分别提供一第三电位，在该栅极结构上提供一第四电位，其中该第三电位大于该第四电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管被写入一第二资料。在本专利技术的一个实施例中，该基底为一半导体基底，该半导体基底中设置有一选择晶体管，该选择晶体管的栅极电性连接至一字线，该选择晶体管的漏极电性连接至一位线，该选择晶体管的源极与位于该基底中的该第三导线结构电性接触。在本专利技术的一个实施例中，该选择晶体管为一垂直式晶体管。在本专利技术的一个实施例中，该选择晶体管为一水平式晶体管。另一方面，本专利技术实施例提供的一种资料写入方法，适用于如上所述的垂直式铁电薄膜储存晶体管，包含下列步骤：在该第一导线结构及该第二导线结构上分别提供一第一电位；在该选择晶体管的栅极所电性连接的该字线上提供一第一导通电位；以及在该选择晶体管的漏极所电性连接的该位线上提供一第二电位，其中该第二电位大于该第一电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管被写入一第一资料。在本专利技术的一个实施例中，该资料写入方法，还包括下列步骤：在该第一导线结构及该第二导线结构上分别提供一第三电位；在该选择晶体管的栅极所电性连接的该字线上提供一第二导通电位；在该选择晶体管的漏极所电性连接的该位线上提供一第四电位，其中该第三电位大于该第四电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管被写入一第二资料。再一方面，本专利技术实施例提供的一种资料读出方法，适用于如上所述的垂直式铁电薄膜储存晶体管，包括下列步骤：在该第一导线结构上提供一”零”电位；在该选择晶体管的栅极所电性连接的该字线上提供一第一导通电位；在该选择晶体管的漏极所电性连接的该位线上提供一第二导通电位，使该垂直式铁电薄膜储存晶体管所储存的资料由该第二导线结构被读出。附图说明图1为铁电薄膜储存晶体管的传统结构示意图。图2A至2H为本专利技术一个实施例提供的一种垂直式铁电薄膜储存晶体管的制程步骤流程示意图。图3A至3C为本专利技术所发展出关于垂直式铁电薄膜储存晶体管的数据读写操作示意图。图4A至4L为本专利技术另一实施例提供的一种垂直式铁电薄膜储存晶体管的制程步骤流程示意图。图5A至5B为本专利技术又一实施例提供的一种垂直式铁电薄膜储存晶体管的数据读写操作示意图。具体实施方式请参照图2A至2H，其为本专利技术一个实施例提供的一种垂直式铁电薄膜储存晶体管的制程步骤流程示意图。其中每个图中的左侧是剖面示意图，而右侧是相对应的上视简略示意图，面示意图主要是表示出结构的相对关系，因此尺寸比例与实际物体并非完全一致，而上视简略示意图为了画面简洁易读，也会省略部分图层不画。图2A表示在基底20(常见的是半导体基底，例如硅基底)的第一表面201上形成平行延伸的第一导线结构21，第一导线结构21主要是用来完成源极导线(Sourceline)。图2B则是在第一导线结构21上方依序形成第一绝缘层22、第二导线结构23以及第二绝缘层24。导线结构的材料可以是经掺杂的多晶硅、铝或是铜，而绝缘层的的材料可以是二氧化硅或是氮氧化硅等材料。图2C表示出可使用微影蚀刻的技术手段，以与该第一表面201呈垂直的方向穿过该第二绝缘层24、该第二导线结构23、该第一绝缘层22、该第一导线结构21及该基底20，进而形成如图所示的垂直孔25。图2D、2E、2F则分别表示出可使用薄膜沉积的技术手段，依序在该垂直孔25中以及第二绝缘层24的表面形成通道层251、内介电层252以及铁电层253，其中通道层251位于该垂直孔25的孔壁表面，并与该第一导线结构与该第二导线结构完成电性接触。而通道层251的材料可以是经过掺杂的N型(或P型)多晶硅。内介电层252的材料可是氧化硅层、氮氧化硅或是其他高介电系数的材料。至于铁电层253的材料可以是含掺杂的HfO2铁电体层或是含掺杂的HfZrOx，其中掺杂剂包括下列元素之一或其组合：Si、Al、La、Y、Sr、Gd、Nb、Ni或Ta，相关细节还可以参见申请人在先申请的其它专利。参见图2G，为在该垂直孔25中的该铁电层的一侧与表面上再形成一栅极结构层25本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直式铁电薄膜储存晶体管，其特征在于，该垂直式铁电薄膜储存晶体管包括：一基底，具有一第一表面；一第一导线结构，位于该基底的该第一表面上方；一第一绝缘层，位于该第一导线结构上方；一第二导线结构，位于该第一绝缘层的表面上；一第二绝缘层，位于该第二导线结构上方；一垂直孔，以与该第一表面垂直的方向穿过该第二绝缘层、该第二导线结构、该第一绝缘层、该第一导线结构与该基底；一通道层，位于该垂直孔的孔壁表面，并与该第一导线结构及该第二导线结构完成电性接触；一内介电层，位于该垂直孔中的该通道层的一侧；一铁电层，位于该垂直孔中的该内介电层的一侧；一栅极结构，位于该垂直孔中的该铁电层的一侧；以及一第三导线结构，位于该第二绝缘层上方或该基底中，且该第三导线结构与该栅极结构完成电性接触。

【技术特征摘要】
1.一种垂直式铁电薄膜储存晶体管，其特征在于，该垂直式铁电薄膜储存晶体管包括：一基底，具有一第一表面；一第一导线结构，位于该基底的该第一表面上方；一第一绝缘层，位于该第一导线结构上方；一第二导线结构，位于该第一绝缘层的表面上；一第二绝缘层，位于该第二导线结构上方；一垂直孔，以与该第一表面垂直的方向穿过该第二绝缘层、该第二导线结构、该第一绝缘层、该第一导线结构与该基底；一通道层，位于该垂直孔的孔壁表面，并与该第一导线结构及该第二导线结构完成电性接触；一内介电层，位于该垂直孔中的该通道层的一侧；一铁电层，位于该垂直孔中的该内介电层的一侧；一栅极结构，位于该垂直孔中的该铁电层的一侧；以及一第三导线结构，位于该第二绝缘层上方或该基底中，且该第三导线结构与该栅极结构完成电性接触。2.根据权利要求1所述的垂直式铁电薄膜储存晶体管，其特征在于，该基底为一半导体基底，该第一导线结构、该第二导线结构及该第三导线结构为金属导线结构，该第一绝缘层及该第二绝缘层为二氧化硅层，该通道层为多晶硅通道层，该内介电层为二氧化硅层或氮氧化硅层，该铁电层为含掺杂的HfO2铁电体层或含掺杂的HfZrOx铁电体层，其中掺杂剂包括：Si、Al、La、Y、Sr、Gd、Nb、Ni和Ta中之一或其组合，该栅极结构为氮化钛(TiN)。3.根据权利要求1所述的垂直式铁电薄膜储存晶体管，其特征在于，该基底为一半导体基底，该半导体基底中设置有一选择晶体管，该选择晶体管的栅极电性连接至一字线，该选择晶体管的漏极电性连接至一位线，该选择晶体管的源极与位于该基底中的该第三导线结构电性接触。4.根据权利要求3所述的垂直式铁电薄膜储存晶体管，其特征在于，该选择晶体管为一垂直式晶体管。5.根据权利要求3所述的垂直式铁电薄膜储存晶体管，其特征在于，该选择晶体管为一水平式晶体管。6.根据权利要求1所述的垂直式铁电薄膜储...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福洲，
申请(专利权)人：萨摩亚商费洛储存科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：萨摩亚,WS