本发明专利技术涉及基于金属氧化物气相沉积铁电动态随机存储器，包括：硅衬底，源区、漏区，隔离层介质膜，铁电薄膜层，栅电极，源极，漏极，以及用于器件测量的衬底接触区和衬底接触电极；所述隔离层介质为：ＺｒＯ２、ＴｉＯ２中的任意一种；所述铁电薄膜层为：Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘＴｉｘ）Ｏ３（ＰＺＴ），各组份的摩尔比例为：Ｐｂ∶（Ｚｒ＋Ｔｉ）∶Ｏ＝１∶１∶３，Ｚｒ∶Ｔｉ＝（１－ｘ）∶ｘ，ｘ取值范围为０．１＜ｘ＜１．０；该方法包括：对硅衬底进行清洗、氧化层；先后光刻，依次形成源漏区、衬底接触区并生长氧化层及栅区：生长隔离层介质薄膜和铁电薄膜：制备电极金属层：形成栅电极：形成接触孔：制备金属层，形成衬底接触电极金属层及合金化处理。本发明专利技术获得了大面积、均匀致密的、性能良好的存储介质薄膜和隔离层材料，用其制备的器件具有更小的漏电，更高的保持特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子新材料与器件
，特别涉及一种基于高介电常数薄膜 (简称高K介质薄膜)的铁电动态随机存储器(FEDRAM)的制备技术。
技术介绍
铁电材料具有自发极化且自发极化能随外加电场而取向，去掉外电场后，铁电 材料的极化可以处于大小相等、方向相反的两个剩余极化(士P》状态，这两种稳定的极 化状态可以在外电场的作用下实现“1”和“0”状态之间的转换，因而可作为存储器的 二进制代码。由于不需要依靠外电场来保持记忆，因此，早在1952年，Anderson就利用 这种原理首次提出了非挥发性铁电随机存储器(Nonvolatile Ferroelectric Random Acces sMemory-NVFRAM)的概念。非挥发性铁电存储器主要有两种结构形式一种是铁电随机存取存储器 (FeRAM)，一种是铁电场效应晶体管(FeFET)。FeRAM的存储单元主要是依靠铁电电容来进 行数据的存储，铁电电容是其核心。FeRAM具有不挥发、写入快、功耗低、可擦写次数多以及 抗辐射能力强等特点，已成为非挥发铁电存储器中发展最快的一类。但是存在的缺点是对 数据的读出具有破坏性，必须采取回写方式；同时，由于采用电容结构也限制了存储容量的 进一步提高。FeFET是将铁电薄膜直接沉积在场效应管(FET)的栅区，利用铁电材料的自发极 化对源漏间电流的控制来实现对数据的存取，由于这种结构不含铁电电容，因而尺寸较小， 可以得到较FeRAM更高的存储密度；同时FeFET的存储原理决定了其非破坏性的数据读 出。理论上，FeFET较FeRAM更能体现铁电存储器的优势。因此，早在1955年，贝尔实验 室就首次提出了关于FeFET的想法，但直到1974年，S. Y. Wu等人才首次报道了基于钛酸 铋(Bi4Ti3O12)铁电薄膜的FET器件。但是由于铁电薄膜与Si (F-S)之间的界面存在着注 入电荷、界面陷阱以及薄膜本身的缺陷等问题，使得FeFET的保持时间不够长。为了有效 利用FeFET结构本身的一些优势，又克服FeFET在实现中遇到的困难，2000年，美国耶鲁大 学电子工程系T. P. Ma教授的铁电存储器研究小组认为这种有限次的保持时间总比动态随 机存储器(DRAM)的刷新时间长得多，因此，首次提出了铁电动态随机存储器(FEDRAM)的概 念(见 T. P. Ma, J. P. Han, A ferroelectric dynamic randomaccess memory, U. S. Patent 6067244 (2000))。FEDRAM是将铁电薄膜用作MOSFET的栅介质，并在铁电薄膜与Si之间加 入隔离层，从而形成金属-铁电薄膜-隔离层-Si (MFIS-FET)场效应晶体管结构，如图1所 示，包括硅衬底11，源区12、漏区13，隔离层介质膜14，铁电薄膜层15，栅电极16，源极17， 漏极18。在硅衬底11中形成源区12和漏区13，在硅衬底11的上面形成隔离层介质膜14， 在隔离层介质膜14上面形成铁电薄膜层15，在铁电薄膜层15上形成栅电极16。源极17 和漏极18在栅电极16的两侧。在上述结构中，硅衬底11中形成源区12和漏区13，其端部分别与隔离层介质 膜14中的一部分接触。隔离层介质膜14为氮化物(Si3N4)。铁电薄膜层15为钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9ISBT)。栅电极16为金(Au)或者钼(Pt)。源极17和漏极18为铝(Al).上述器件结构的制备工艺包括(1)对ρ型Si基片先进行清洗和氧化ρ型Si基片电阻率为6-9 Ω · cm或者21-24 Ω · cm,氧化层厚度为IOOOnm ；(2)利用磷(P2O5)进行注入形成源漏区(3)制备隔离层介质薄膜利用喷射气相沉积(JVD)方法生长氮化硅(Si3N4)隔离层介质薄膜，薄膜厚度约为 5 6nm ；之后在氮气中退火30分钟，温度为800°C ；(4)制备铁电薄膜利用金属氧化物沉积(MOD)方法生长钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9，简写为SBT)铁电薄 膜，厚度为200 260nm ；并在氧气中退火1小时，温度为800 900°C ；(5)制备栅电极利用电子束蒸发钼电极(Pt)，或者热蒸发金(Au)形成栅电极；(6)热蒸发铝电极(Al)形成源极和漏极金属层(7)合金化处理在400°C氮气和氢气(N2 H2 = 5% 95% )中进行合金化退火处理30分钟。从结构上看，这是一种新型的单管DRAM(通常的DRAM单元为ITlC结构)。它与传 统的DRAM相比，具有如下优点(1)保持时间比传统的DRAM( < Is)长得多；(2)由于无需存储电容，因而单元尺寸减小，有利于存储密度的提高；(3)无需存 储电容以及刷新频率的极大缩短使得功耗降低；(4)无需存储电容使其更易与逻辑器件集 成，实现FEDRAM的嵌入式应用。FEDRAM的工作原理是在栅上施加了一个正脉冲之后，铁电材料处在正的剩余极 化状态。铁电层底部的正极化电荷将被半导体中的反型层电荷补偿，这样半导体衬底中 就形成了一个连接源区和漏区的导电沟道。在源漏之间加上一定的电压，便会产生源漏 电流，，也就是所谓的开态，对应着存储“1”态。如果在栅上施加了一个负脉冲，铁电层处 于负的极化状态，半导体衬底处在积累区，没有导电沟道，FET处于“关断”状态，即对应着 “0”态。与FeFET相比，FEDRAM在工作时需要刷新，以使存储的信息得以维持，与DRAM相 比，FEDRAM具有较长的保持时间，因而可以减小刷新频率。而作为铁电存储器另一类型的 FeFET是非挥发性的，理论上不需要刷新。因此，与FeFET相比，FEDRAM在实现上更具可行 性，从而使得FeFET获得了新的发展空间。耶鲁大学公开的上述结构中采用钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9 = SBT)作为栅介质材料。但 SBT薄膜的剩余极化强度较小，并且成膜温度较高，不利于铁电电容与标准CMOS集成工艺 的兼容。在薄膜的制备技术上，使用的薄膜制备方法是喷射气相沉积(JVD)方法，不利于大 面积均勻薄膜的实现。此外，采用氮化物作为隔离层介质，由于其介电常数较小，使得操作 电压较高，不利于器件功耗的降低。高K介质薄膜是指具有较高介电常数的金属氧化物薄膜，例如Hf02，ZrO2, Pr2O3, Gd2O3, La2O3, Y2O3, TiO2, Hf-Al-O以及Hf-Si-O等，这些材料具有较好的电学性能、热力学稳 定性、良好的界面效应、以及与硅工艺的兼容性和较好的可靠性，因此，在集成电路工艺线 宽逐渐缩小的趋势下，能够代替传统的栅介质(例如Si02，Si3N4),从而满足在不减小晶体管栅极厚度的同时，增大其电容的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于金属氧化物气相沉积 铁电动态随机存储器及其制备方法。本专利技术采用新型的存储材料和隔离层介质薄膜和新的 制备方法，获得了大面积、均勻致密的、性能良好的存储介质薄膜和隔离层材料，其薄膜厚 度变化范围较大，用其制备的FEDRAM器件具有更小的漏电，更高的保持特性。本专利技术提出的基于金属氧化物气相沉积铁电动态随机存储器，包括硅衬底，源 区、漏区，隔离层介质膜，铁电薄膜层，栅电极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于金属氧化物气相沉积铁电动态随机存储器，包括：硅衬底，源区、漏区，隔离层介质膜，铁电薄膜层，栅电极，源极，漏极，以及用于器件测量的衬底接触区和衬底接触电极；在硅衬底中形成源区，漏区和衬底接触区，在硅衬底的上面形成隔离层介质膜，在隔离层介质膜上面形成铁电薄膜层，在铁电薄膜层上面形成栅电极；源极和漏极在栅电极的两侧；其特征在于，所述隔离层介质为：ＺｒＯ↓［２］、ＴｉＯ↓［２］中的任意一种；所述铁电薄膜层为：Ｐｂ（Ｚｒ↓［１－ｘ］Ｔｉ↓［ｘ］）Ｏ↓［３］，各组份的摩尔比例为：Ｐｂ∶（Ｚｒ＋Ｔｉ）∶Ｏ＝１∶１∶３，Ｚｒ∶Ｔｉ＝（１－ｘ）∶ｘ，ｘ取值范围为０．１＜ｘ＜１．０；所述薄膜厚度为１００ｎｍ～３００ｎｍ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢丹，罗亚烽，冯婷婷，韩学光，任天令，刘理天，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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