一种基于掺杂Al制造技术

本发明专利技术涉及一种基于掺杂Al1‑

【技术实现步骤摘要】
一种基于掺杂Al1‑
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Sc
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N的铁电调控场效应晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体存储
，具体涉及一种基于掺杂Al1‑
x
Sc
x
N的铁电调控场效应晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]在现代社会中，由于对电子设备的性能要求越来越高，人们就对存储器的改善越来越迫切。其中对增大数据的存储容量，更快地写入和读取数据信息，数据信息在极端环境下不遭到破坏以及存储器的使用功耗低等，这些越来越严格的要求促进了非易失性存储器的发展。以铁电存储器为代表的非易失性存储器具有存储密度高、使用功耗低、保存数据时间长、读写速度快以及兼容集成电路技术等特点，因此它的技术发展受到科研界的重视。目前，铁电场效应晶体管(FeFETs)作为最具发展潜力与实际应用价值的铁电存储器受到科研人员和工业界的追捧，它的晶体管结构与常规的晶体管结构稍有差别，FeFETs的栅介质层是由铁电材料制备而成，所以铁电层的极化方向是靠栅压来进行改变的。使得铁电层能够进一步调控沟道的积累或者反型状态，进而实现数据的存储功能。并且FeFETs数据保存时间持久，通常在10年以上，同时FeFETs的静态功耗低以及读写数据非常迅速。
[0003]现有铁电场效应晶体管多使用钙钛矿型铁电材料或氧化铪基铁电材料或有机高分子聚合物铁电材料等。传统钙钛矿型铁电材料例如锆钛酸铅、钽酸锶铋等组成元素在高温下易与硅和二氧化硅发生化学反应，从而对硅基半导体器件的结构和性能稳定性产生影响，且制备工艺无法与CMOS工艺兼容，不利于未来电路的高密度集成化发展。有机高分子聚合物铁电材料铁电性能较差，剩余极化强度偏低。氧化铪基铁电薄膜材料组成元素较为简单，可与CMOS工艺兼容，但是同种条件下氧化铪基材料的剩余极化强度仍较低，因而氧化铪基铁电场效应晶体管的性能不佳。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于掺杂Al1‑
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Sc
x
N的铁电调控场效应晶体管。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]一种基于掺杂Al1‑
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Sc
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N的铁电调控场效应晶体管，包括：
[0006]自下而上依次设置的衬底层、种子层、第一铁电层、第一介质层、沟道层、第二介质层、第二铁电层和栅电极；
[0007]源电极与漏电极，分别位于所述沟道层两侧并且位于所述第一介质层的上表面；
[0008]所述第二介质层覆盖在所述沟道层并且延伸至部分所述源电极和部分所述漏电极的上表面；
[0009]所述第一铁电层为Sc的掺杂浓度为35％～40％的Al1‑
x
Sc
x
N，其中x为Sc的掺杂浓度；
[0010]所述第二铁电层的材料为HZO。
[0011]在一个具体的实施例中，所述衬底层的材料为Si。
[0012]在一个具体的实施例中，所述种子层的厚度为30～60nm。
[0013]在一个具体的实施例中，Sc掺杂浓度为40％，所述第一铁电层的厚度为150～200nm。
[0014]在一个具体的实施例中，所述第一介质层和第二介质层的材料均为氧化铝，厚度为30～60nm。
[0015]在一个具体的实施例中，所述源电极和漏电极的材料均为金属银或金属金，厚度均为60
‑
100nm。
[0016]另一方面，本专利技术还提供了一种基于掺杂Al1‑
x
Sc
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N的铁电调控场效应晶体管的制备方法，包括：
[0017]S1：在衬底层上制备种子层；
[0018]S2：在所述种子层上制备第一铁电层，所述第一铁电层为Sc掺杂浓度为35％～40％的Al1‑
x
Sc
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N；
[0019]S3：在所述第一铁电层上制备第一介质层；
[0020]S4：在所述第一介质层上制备沟道层；
[0021]S5：在在所述第一介质层上并且位于所述沟道层的左右两端的位置分别制备源电极和漏电极；
[0022]S6：在所述沟道层的上表面、部分所述源电极和部分所述漏电极的上表面制备第二介质层；
[0023]S7：在所述第二介质层上沉积HZO，形成第二铁电层；
[0024]S8：在所述第二铁电层上制备栅电极。
[0025]在一个具体的实施例中，步骤S2的具体步骤为：使用Sc含量为40％的铝钪合金靶材作为所述第一铁电层的溅射靶材，在磁控溅射腔室内通入氮气和氩气，在所述种子层上磁控溅射生长所述第一铁电层。
[0026]在一个具体的实施例中，步骤S2通入氮气和氩气的比例为3:1，溅射压强为0.53Pa，溅射功率为300
‑
400W，溅射时长为30至60min。
[0027]在一个具体的实施例中，步骤S4包括：使用化学气相沉积法在在所述第一介质层上生长二硫化钼材料，形成所述沟道层。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术提供的铁电调控场效应晶体管的第一铁电层使用极化强度高的第三代铁电材料Al1‑
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Sc
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N(铝钪氮)，在使用Al1‑
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Sc
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N作为场效应晶体管第一铁电层的基础上，整体结构采用了双栅结构，即使用硅衬底层作为底栅，并且在沟道层二硫化钼的上面，还依次生长了栅介质层和顶栅电极，其栅介质层中包含氧化铝第二介质层和第二铁电层，考虑到高温工艺制备第二铁电层会对器件下方结构产生影响，因此，第二铁电层采用了无需高温制备的HZO铁电材料。此结构可以通过在底栅和顶栅上施加电压，来分别调控第一和第二栅介质铁电材料的极化方向。当底栅和顶栅同时施加大于矫顽场的正向电压时，第一和第二栅介质铁电层都产生正极化，沟道中有载流子通过，场效应晶体管处于逻辑1状态；当底栅和顶栅同时施加小于负矫顽场的反向电压时，第一铁电层和第二铁电层都产生负极化，沟道中没有载流子通过，场效应晶体管处于逻辑0状态。上下双重铁电调控的作用，增大了场效应晶体管处于逻辑1和逻辑0时的电压差异，从而增大了
场效应晶体管的存储窗口，提高了存储能力，优化了场效应晶体管的铁电调控能力，增强了器件的性能。同时双栅结构也使场效应晶体管的测试更加方便，既可以单独通过顶栅从上面测试，也可以单独通过底栅从下面测试，还能通过两个栅极一起测试。既方便比较两种铁电材料各自的性能，也能够测试器件结构整体的效果。本实施例中的结构作为存储器件的存储性能更佳，内存窗口更大，在存在外部干扰的情况下数据的可靠性以及稳定性更胜一筹。
附图说明
[0029]图1是本专利技术实施例中的一种基于掺杂Al1‑
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Sc
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N的铁电调控场效应晶体管的结构示意图；
[0030]图2是本专利技术实施例中的一种基于掺杂Al1‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于掺杂Al1‑
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Sc
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N的铁电调控场效应晶体管，其特征在于，包括：自下而上依次设置的衬底层(1)、种子层(2)、第一铁电层(3)、第一介质层(4)、沟道层(5)、第二介质层(8)、第二铁电层(9)和栅电极(10)；源电极(6)与漏电极(7)，分别位于所述沟道层(5)两侧并且位于所述第一介质层(4)的上表面；所述第二介质层(8)覆盖在所述沟道层(5)上表面、部分所述源电极(6)和部分所述漏电极(7)的上表面；所述第一铁电层(3)为Sc的掺杂浓度为35％～40％的Al1‑
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Sc
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N，其中x为Sc的掺杂浓度；所述第二铁电层(9)的材料为HZO。2.根据权利要求1所述的一种基于掺杂Al1‑
x
Sc
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N的铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述衬底层(1)的材料为Si。3.根据权利要求1所述的一种基于掺杂Al1‑
x
Sc
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N的铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述种子层(2)的厚度为30～60nm。4.根据权利要求1所述的一种基于掺杂Al1‑
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Sc
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N的铁电调控场效应晶体管，其特征在于，Sc掺杂浓度为40％，所述第一铁电层(3)的厚度为150～200nm。5.根据权利要求1所述的一种基于掺杂Al1‑
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Sc
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N的铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述第一介质层(4)和第二介质层(8)的材料均为氧化铝，厚度为30～60nm。6.根据权利要求1所述的一种基于掺杂Al1‑
x
Sc
x
N的铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述源电极(6)和漏电极(7)的材料均为金属银或金属金，厚度均为60
‑
100nm。7.一种基于掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：常晶晶，刘瑜，林珍华，袁海东，郭兴，苏杰，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：