一种铁电场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁电场效应晶体管，包括：衬底层、栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层、栅电极层、源电极及漏电极；衬底层设置有源极区、漏极区和绝缘覆盖区，其中源极区与漏极区间隔设置；源极区上设置有源电极，漏极区上设置有漏电极，且绝缘覆盖区由下至上依次层叠设置栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层及栅电极层。该晶体管通过增加第一缓冲层和第二缓冲层，一方面缓冲层的沉积可起到界面诱导作用，并且由于晶格匹配度相当，可避免引起较大的晶格畸变；另一方面在第一缓冲层和第二缓冲层的加持作用，有利于生成元素掺杂的铁电薄膜并对铁电薄膜的铁电性起到促进作用。

A ferroelectric field effect transistor and its preparation

The invention discloses a ferroelectric field effect transistor, which comprises a substrate layer, a gate insulation layer, a first buffer layer, an intermediate medium layer, a second buffer layer, a gate electrode layer, a source electrode and a drain electrode; the substrate layer is provided with an active electrode region, a drain electrode region and an insulation coverage region, wherein the source electrode region and the drain electrode region are arranged at intervals; the source electrode region is provided with an active electrode, and the drain electrode region is provided with a drain electrode, And the insulation coverage area is sequentially arranged with a gate insulation layer, a first buffer layer, an intermediate medium layer, a second buffer layer and a gate electrode layer from bottom to top. By adding the first buffer layer and the second buffer layer, on the one hand, the deposition of the buffer layer can play an interface inducing role, and due to the same lattice matching degree, the larger lattice distortion can be avoided; on the other hand, the addition of the first buffer layer and the second buffer layer is conducive to the generation of element doped ferroelectric films and the promotion of ferroelectric properties of ferroelectric films \u3002

【技术实现步骤摘要】
一种铁电场效应晶体管及其制备方法
本专利技术属于电子器件
，尤其涉及一种铁电场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
电子信息产业作为高新技术产业，在扩大社会就业、推动经济转型升级、增强国际竞争力和维护国家安全等方面扮演着更加重要的角色。近年来，随着现代信息技术的不断突破和发展，以内存(DRAM)和闪存(Flash)为代表的半导体存储器引领着集成电路技术的发展，对信息技术产业发展、社会的进步和人类生活方式的转变产生了重要的影响。迄今，高密度、低成本DRAM和NANDFlash等主流存储器已经越来越难以满足高速计算和低功耗的需求，发展新型存储器技术已成为必然趋势。2016年发布的国际器件与系统路线图(IRDS)指出，铁电栅场效应晶体管(FeFET)存储器是目前最具有前景的新型存储器技术之一，因其具有非易失性、低功耗、耐疲劳、读写速度快、抗辐射等优点，被称为下一代存储器中最有潜力的存储器之一。FeFET与传统的场效应晶体管(MOSFET)结构类似，以铁电薄膜材料替代栅氧介质层作为存储介质时，形成与NANDFlash类似的存储单元结构，即铁电栅场效应晶体管(FeFET)，可大幅提升集成密度、降低工艺难度，且可利用NANDFlash的制造基础。目前，FeFET存储器的结构主要分为两种，一是浮栅型FeFET，其栅结构为金属电极(M)/铁电薄膜(F)/金属电极(M)/缓冲层(I)/半导体(S)，即MFMIS。另一种是MFIS-FET，即栅结构为金属电极(M)/铁电薄膜(F)/缓冲层(I)/半导体(S)，即MFIS。由于工艺简单以MFIS-FET结构成为了主流的方案，其中以氧化铪基FeFET已成为工业届和学术界广泛关注的研究对象。除了优异的CMOS工艺兼容性和工艺成熟性，HfO2基FeFET还具有以下几个优势：(1)HfO2基铁电薄膜与Si衬底具有较好的界面相容性；(2)HfO2基铁电薄膜的相对介电常数较大(～30)，且厚度小于10nm时仍具有优异的铁电性能，可满足高集成密度要求；(3)矫顽场约为1MV/cm，HfO2基铁电薄膜厚度较小时仍可使其FeFET具有较大的存储窗口，还可保证较好的保持性能；(4)HfO2基铁电薄膜的禁带宽度大(～5.7ev)，漏电流较小；(5)结晶退火温度范围较宽(400℃-1000℃)，可满足前栅和后栅工艺；(6)性能稳定，无氢致损伤，后端工艺影响较小；(7)可实现三维集成。但是，基于氧化铪基铁电场效应晶体管仍然存在如下主要问题：(1)“唤醒效应”表现为:初始时，HfO2基FeFET的存储窗口较小，需要一定的交替的编程和擦除循环次数后，才能实现较大、稳定的存储窗口,增大了器件工作的不稳定性。(2)疲劳失效是指随着编程/擦除循环次数的增加，HfO2基FeFET的存储窗口减小，难以区分“开”、“关”状态，目前疲劳性能基本小于106次，尚难满足高可靠性的应用需求。
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术的目的是提供一种铁电场效应晶体管及其制备方法以解决现有的氧化铪基铁电场效应晶体管中铁电薄膜制备中存在的可靠性问题，以及工艺方面的不足等问题。(二)技术方案为解决上述问题，本专利技术的第一方面，提供了一种铁电场效应晶体管，包括：衬底层、栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层、栅电极层、源电极及漏电极；所述衬底层设置有源极区、漏极区和绝缘覆盖区，其中所述源极区与所述漏极区间隔设置；所述源极区上设置有源电极，所述漏极区上设置有漏电极，且所述绝缘覆盖区由下至上依次层叠设置所述栅绝缘层、所述第一缓冲层、所述中间介质层、所述第二缓冲层及所述栅电极层。进一步地，所述衬底层的材料由硅或锗组成。进一步地，所述栅绝缘层的材料为SiO2。进一步地，所述栅绝缘层的厚度为0.1～2nm。进一步地，所述第一缓冲层的材料包括ZrO2、HfO2和Al2O3其中一种或多种；和/或所述第二缓冲层的材料包括ZrO2、HfO2和Al2O3其中的一种或多种。进一步地，所述第一缓冲层的厚度为0.3～5nm；和/或所述第二缓冲层的厚度为0.3～5nm。进一步地，所述中间介质层的材料为HfO2或ZrO2。进一步地，所述中间介质层的厚度为0.3～3nm。进一步地，所述栅电极的材料为TaN、TiN或HfNx(0<x≤1.1)。进一步地，所述栅电极的厚度为20～100nm。进一步地，所述源电极的材料为钨、镍、铜、铝或金；和/或所述漏电极的材料为钨、镍、铜、铝或金。进一步地，所述源电极和所述漏电极的厚度均为30～100nm。根据本专利技术的另一个方面，提供一种铁电场效应晶体管的制备方法，包括：将衬底层划分源区、漏区和绝缘区；在所述源区和所述漏区进行注离子处理并对注离子区域进行激活处理；在所述绝缘区上依次设置栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层及栅电极层；在所说源区和所述漏区均刻蚀接触孔，并在所述接触孔填充电极，得到带电极半成品；对所述带电极半成品采用高温退火激活中间介质层、第一缓冲层及第二缓冲层之间充分发生元素扩散和界面反应，得到元素掺杂的氧化铪基铁电薄膜；采用退火处理激活所述铁电薄膜，形成铁电场效应晶体管。进一步地，所述注离子处理的条件为：注入能量为30～35KeV、剂量为1015～1016cm-2的P+离子。进一步地，所述激活处理为采用快速热退火处理，退火速度为1000℃/1min。进一步地，所述栅绝缘层是通过采用干氧氧化工艺制备的。进一步地，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层均采用下述工艺中的一种或多种制成的：化学气相沉积法、磁控溅射法和原子层沉积法。进一步地，所述中间介质层采用下述工艺中的一种或多种制成的：脉冲激光沉积、原子层沉积和磁控溅射。进一步地，所述在所述接触孔填充电极是采用磁控溅射或化学气相沉积工艺。进一步地，所述退火处理的退火温度为400～1000℃，退火时间为1～60秒。进一步地，所述退火处理在真空或惰性气体中进行。进一步地，所述退火处理在惰性气体中进行，所述惰性气体为N2或Ar。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：(1)本专利技术的氧化铪基铁电场效应晶体管通过增加第一缓冲层和第二缓冲层，一方面缓冲层的沉积可起到界面诱导作用，并且由于晶格匹配度相当，可避免引起较大的晶格畸变；另一方面在第一缓冲层和第二缓冲层的加持作用，有利于生成元素掺杂的铁电薄膜并对铁电薄膜的铁电性起到促进作用。(2)本专利技术的制备方法，在缓冲层上沉积一层薄的中间介质层，作为制备铁电薄膜的一个过渡态；目的是为了打破界面与界面的限制，使之交融为一体实现界面处的自然过渡；中间介质层与缓冲层材料的结构性质相似，通过高温退火操作过程可使第一缓冲层和第二缓冲层与中间介质层之间所形成的界面充分发生元素扩散和界面反应作用，得到目标产物经元素掺杂的铁电薄膜。附图说明<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁电场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底层、栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层、栅电极层、源电极及漏电极；/n所述衬底层设置有源极区、漏极区和绝缘覆盖区，其中所述源极区与所述漏极区间隔设置；所述源极区上设置有源电极，所述漏极区上设置有漏电极，且所述绝缘覆盖区由下至上依次层叠设置所述栅绝缘层、所述第一缓冲层、所述中间介质层、所述第二缓冲层及所述栅电极层。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁电场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底层、栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层、栅电极层、源电极及漏电极；
所述衬底层设置有源极区、漏极区和绝缘覆盖区，其中所述源极区与所述漏极区间隔设置；所述源极区上设置有源电极，所述漏极区上设置有漏电极，且所述绝缘覆盖区由下至上依次层叠设置所述栅绝缘层、所述第一缓冲层、所述中间介质层、所述第二缓冲层及所述栅电极层。


2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述衬底层的材料由硅或锗组成。


3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的材料为SiO2。


4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的厚度为0.1～2nm。


5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，
所述第一缓冲层的材料包括ZrO2、HfO2和Al2O3其中一种或多种；和/或
所述第二缓冲层的材料包括ZrO2、HfO2和Al2O3其中的一种或多种。


6.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，
所述第一缓冲层的厚度为0.3～5nm；和/或
所述第二缓冲层的厚度为0.3～5nm。


7.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述中间介质层的材料为HfO2或ZrO2。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖敏，郇延伟，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43