CN101179095A - 一种实现存储器功能的场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现存储器功能的场效应晶体管及其制备方法，属于半导体集成电路及其制造技术领域。该器件包括：源区、漏区和控制栅，控制栅采用栅叠层结构，其依次为底层—隧穿氧化层；中间层—阻变材料层，以及顶层—导电电极层。该场效应晶体管获得电可编程的多阈值功能，在栅极加相同的读电压时，源、漏电流不同，实现两个不同状态的信息存储或其他功能。利用本发明可构成多种新功能、高性能、高可靠性器件和电路，满足不同的电路功能应用；同时，既可以采用与传统的PN结源/漏结构的CMOS工艺兼容，也可与采用新型的肖特基结源/漏结构的CMOS工艺兼容，具有较大的工艺选择的灵活性。

Description

一种实现存储器功能的场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路及其制造技术领域，具体涉及一种实现存储器功能的场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

集成电路尤其超大规模集成电路中的主要器件是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，简称MOS晶体管)。以MOS为基础的存储器单元电路中，闪存(Flash)等当今该领域内的主流技术存在操作电压高、速度慢、耐久力差等问题。随着器件尺寸缩小至90nm以下，闪存表现出特性有所下降，已经不再适合进一步的提升集成密度。以导电电极/阻变材料介质为基础的电阻式随机访问存储器(Resistive Random Access Memory，简称RRAM存储器)具有操作电压低，速度快，功耗低，保持时间长，耐久力强，与传统CMOS工艺兼容等一系列优点，是近年来新兴的非挥发存储器领域强有力的候选者。RRAM的基本存储单元包括一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器。借由电压或电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。阻变存储器工作的关键是某些材料的电阻转变和记忆效应，在电压或电流作用下这些材料的电阻可以发生可逆的、巨大的改变。但是RRAM实现存储器功能需要设计成1T1C单元结构，严重的限制了其集成密度，每次读取的操作也会影响其可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现存储器功能的场效应晶体管器件及其制备方法，该器件可满足低压、低功耗体硅CMOS器件和电路以及其他功能电路的应用需求。本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种实现存储器功能的场效应晶体管，包括：源区、漏区和控制栅，其特征在于：控制栅采用栅叠层结构，其依次为底层-隧穿氧化层；中间层-阻变材料层，以及顶层-导电电极层。

隧穿氧化层可为二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)或者高K栅介质层；

阻变材料层可为具有阻变特性的材料层，为氧化锌(ZnO)，氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，氧化锆(ZrO₂)，氧化铌(Nb₂O₅)，氧化铜(CuO_1-2)，氧化铁(FeO_0.67-1)，氧化铈(CeO₂)，氧化镍(NiO)等过渡金属氧化物和氧化铝(Al₂O₃)等主族金属氧化物。

在阻变材料层中掺杂元素为Al，Gd，Cr，Co或Cu等金属元素。

导电电极层可为各种金属、导电金属氮化物/硅化物、导电氧化物或掺杂多晶硅等导电材料。

导电电极层材料种类为氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)等金属氮化物或氧化铱(IrO₂)，氧化钌(RuO₂)，氧化铼(ReO₃)等氧化物。

隧穿层的厚度范围为1.5-5nm，

阻变材料层的厚度范围为10-50nm，

电极层的厚度范围为50-200nm。

本发明场效应晶体管单元(Resistive Field Effect Transistor，简称RFET)利用阻变材料的特性，其工作原理如下：工作时，场效应晶体管源端接地，漏端接高电位，栅极接不同的工作电压。利用编程操作，可以使阻变材料层分别处于高阻和低阻两种状态。使阻变层Set到低阻态的具体操作步骤为，栅极接高电位，Si表面达到反型状态后，足够的栅压会使阻变材料层转换到低阻态。此时的阻变材料层与电极等电势，晶体管的阈值电压是：

$V_{\mathrm{th}2}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ms}}+2{\mathrm{\φ}}_f+\frac{-Q_{\mathrm{ss}}+\sqrt{{4\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}q{N}_B{\mathrm{\φ}}_f}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}/X_{\mathrm{ot}}}$

其中，φ_ms为电极与半导体接触的功函数差；φ_f为半导体表面达到反型状态时需要的表面势；

Q_ss为隧穿氧化层中的各种缺陷或者与半导体界面陷阱等效电荷；Xot为隧穿氧化层厚度；

ε_ox和ε_si分别为SiO2和Si的介电常数。使阻变层Set到低阻态的具体操作步骤为，栅极接低电位，通过隧穿电流可以使阻变材料层转换到高阻态。此时晶体管的阈值电压是：

$V_{\mathrm{th}2}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ms}}+2{\mathrm{\φ}}_i+\frac{Q_{\mathrm{it}}-Q_{\mathrm{ss}}+\sqrt{4{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}q{N}_B{\mathrm{\φ}}_i}}{C_{\mathrm{eff}}}+\frac{Q_{\mathrm{re}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{X}_{\mathrm{ot}}-\frac{Q_{\mathrm{re}}}{{2\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}{X}_{\mathrm{re}}$

Q_it为电极与阻变材料的界面电荷；Xre为阻变材料层的厚度；Qre为阻变材料层内各种缺陷，可动离子的电荷；ε_re为阻变材料层的介电常数； $C_{\mathrm{eff}}={(\frac{X_{\mathrm{ot}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}+\frac{X_{\mathrm{re}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}})}^{-2}.$ 在两种状态下，场效应晶体管的阈值电压不同，在栅极加相同的读电压时，源漏电流不同。利用该结构器件所具有这些性能特征，可实现两个不同状态的信息存储或其他功能。

一种阻变式场效应晶体管的制备方法，其步骤包括：

(1)对衬底进行预栅工艺处理后，在Si衬底淀积隧穿氧化层；

(2)然后淀积阻变材料层，进行退火处理；

(3)在淀积的阻变材料介质层上，淀积导电电极层，形成导电电极/阻变材料层/隧穿氧化层栅结构；

(4)利用光刻/刻蚀的方法，形成器件的栅结构和源漏区；

(5)利用侧墙工艺和浅结离子注入等工艺方法，形成侧墙保护结构和源漏扩展结构；

(6)利用二次离子注入，对源，漏区进行深结的掺杂注入，形成源、漏结构；

(7)利用光刻，金属化等工艺步骤，完成对源，漏，栅的引出。

所述步骤3进一步对淀积的阻变材料层进行RTP处理，使其达到晶化状态，温度在400-1000度范围，退火气氛是真空，或者是空气中，或者是O₂∶N₂混合气氛(1∶1-1∶5)。

本发明有以下几个方面的优点：

本发明RFET采用导电电极层-阻变材料层-隧穿氧化层(MRO)栅结构，获得电可编程的多阈值MOS器件新功能。利用该器件可构成多种新功能、高性能、高可靠性器件和电路，满足不同的电路功能应用；同时，既可以采用与传统的PN结源/漏结构的CMOS工艺兼容，也可与采用新型的肖特基结源/漏结构的CMOS工艺兼容，具有较大的工艺选择的灵活性。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1为本发明阻变式场效应晶体管的剖面结构示意图；

图2为制备阻变式场效应晶体管进行的薄膜淀积工艺；

图3为定义晶体管栅图形结构；

图4为形成侧墙保护后的结构。

具体实施方式

本发明所提出的场效应晶体管(RFET)器件的剖面图如图1所示。包括：导电电极层1；阻变介质层2；隧穿氧化层3；衬底层4；源区、漏区5；侧墙隔离层6。

本发明中阻变式场效应晶体管制备工艺的具体步骤如下：

如图2所示：为制备阻变式场效应晶体管进行的薄膜淀积工艺。在清洗后的P型硅衬底上利用薄栅氧制备工艺用热氧化，快速热退火(RTP)的方法生成隧穿层。隧穿层的厚度为1.5-5nm，成份可以为二氧化硅(SiO₂)，氮化硅(Si₃N₄)或者高K栅介质层(Al₂O₃，HfO₂等)。之后进行阻变材料层的淀积，可以用金属-有机物化学气相淀积(MOCVD)，原子层淀积(ALD)，反应溅射，直流溅射+热氧化的方法，溶胶-凝胶法(Sol-gel)。阻变材料层的厚度为10-50nm，材料种类为：(非)化学配比的金属氧化物，可以为氧化锌(ZnO)，氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，氧化锆(ZrO₂)，氧化铌(Nb₂O₅)，氧化铜(CuO_1-2)，氧化铁(FeO_0.67-1)，氧化铈(CeO₂)，氧化镍(NiO)等过渡金属氧化物和氧化铝(Al₂O₃)等主族金属氧化物。掺杂元素为Al，Gd，Cr，Co，Cu等金属元素；掺杂方法为原位掺杂。之后对淀积的金属氧化物阻变薄膜进行RTP处理，使其达到晶化状态，温度在400-1000度范围，退火气氛是真空，空气中，O₂∶N₂混合气氛(1∶1-1∶5)。进行栅电极层的淀积：可以用直流溅射，化学气相淀积的方法，材料种类为钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)，铝(Al)，镍(Ni)等金属。可以用化学气相淀积，反应溅射的方法，材料种类为氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)等金属氮化物。可以用化学气相淀积，化学合成，反应溅射的方法，材料种类为氧化铱(IrO₂)，氧化钌(RuO₂)，氧化铼(ReO₃)等氧化物。电极层的厚度为50-200nm。

如图3所示：为定义晶体管的栅图形结构。可以用湿法腐蚀，或者干法刻蚀(AME，RIE)的方法，刻栅电极层。可以用湿法腐蚀，或者干法刻蚀(RIE，ICP)的方法刻阻变材料层和隧穿氧化层。

如图4所示：为形成SiO₂侧墙保护结构。利用LPCVD，ALD等方法形成对MOR栅结构的保形覆盖，SiO₂层的厚度为20-100nm。之后，利用干法刻蚀(ICP)的方法，刻出带侧墙保护的栅结构。

上述是对于本发明的一个具体实施例工艺步骤的详细描述，但是很显然，本发明技术领域的熟练人员可以根据上述的步骤作出形式和内容方面非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具体的形式和细节。

Claims (10)

1.一种实现存储器功能的场效应晶体管，包括：源区、漏区和控制栅，其特征在于：控制栅采用栅叠层结构，从半导体衬底向上依次为底层-隧穿氧化层；中间层-阻变材料层，以及顶层-导电电极层。

2.如权利要求1所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：隧穿氧化层为二氧化硅、氮化硅或者高K栅介质层。

3.如权利要求1或2所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：阻变材料层为氧化锌，氧化铪，氧化钛，氧化锆，氧化铌，氧化铜，氧化铁，氧化铈，氧化镍等过渡金属氧化物或氧化铝等主族金属氧化物。

4.如权利要求3所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：在阻变材料层中掺杂元素为Al，Gd，Cr，Co或Cu等金属元素。

5.如权利要求1所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：导电电极层为各种金属、导电金属氮化物/硅化物、导电氧化物或掺杂多晶硅等导电材料。

6.如权利要求1或2所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：隧穿层的厚度范围为1.5nm-5nm。

7.如权利要求3所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：阻变材料层的厚度范围为10nm-50nm。

8.如权利要求1或2所述的实现存储器功能的场效应晶体管，其特征在于：电极层的厚度范围为50nm-200nm。

9.一种实现存储器功能的场效应晶体管的制备方法，其步骤包括：

1)对衬底进行预栅工艺处理后，在衬底淀积隧穿氧化层；

2)然后淀积阻变材料层，进行退火处理；

3)在淀积的阻变材料层上，淀积导电电极层，形成导电电极/阻变材料层/隧穿氧化层栅结构；

4)利用光刻/刻蚀的方法，形成器件的栅结构和源、漏区；

5)利用侧墙工艺和浅结离子注入等工艺方法，形成侧墙保护结构和源、漏区扩展结构；

6)利用二次离子注入，对源，漏区进行深结的掺杂注入，形成源、漏结构；

7)利用光刻，金属化等工艺步骤，完成对源，漏，栅的引出。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3进一步对淀积的阻变材料层进行RTP处理，使其达到晶化状态，温度范围在400°-1000°之间。

Images