CN109728096B - 基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管及制备方法，主要解决现有铁电场效应晶体管中传统铁电栅介质与现有工艺不兼容，氧化铪基铁电薄膜会产生较大漏电的问题。其自下而上包括衬底(1)、沟道(2)、栅介质层(5)和栅电极(8)；沟道(2)的两侧为源极区(3)和漏极区(4)；源极区(3)的上方为源电极(6)，漏极区(4)上方为漏电极(7)，其特征在于：栅介质层(5)采用内嵌纳米晶的氧化铝铁电薄膜。本发明能与和现有集成电路工艺兼容，可将栅介质层厚度降低到4nm以下，减小了栅介质层的漏电，提高了器件的整体性能，可用于大规模集成电路。

Description

基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管及制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种内嵌纳米晶铁电栅介质的场效应晶体管，可用于大规模集成电路。

背景技术

电子信息产业对于扩大社会就业、推动经济增长、增强国际竞争力和维护国家安全具有极其重要的作用，其发展所需的新材料、新结构和新工艺一直都被各半导体强国列入重点发展对象。铁电场效应晶体管具有快速的读写响应，低功耗及非破坏性读取等优点，是现代逻辑器件和存储器件中不可或缺的一类。

铁电场效应晶体管是在栅介质层中添加一层铁电薄膜，常见铁电材料有钙钛矿型铁电体、氧化铪基铁电体、铌酸锂型铁电体、钨青铜型铁电体。然而，采用这些铁电材料制作的传统铁电场效应晶体管存在以下不足：

(1)采用传统钙钛矿结构的铁电薄膜做栅介质的铁电场效应晶体管与现有的集成工艺平台不兼容。一方面，由于传统钙钛矿结构的铁电薄膜材料中含有高化学活性重金属离子，而重金属离子是导致集成电路失效的一个致命的污染源。另一方面，传统铁电薄膜的制备温度较高，这在提高了工艺难度的同时，也增加了铁电薄膜与硅集成电路的交叉污染。目前交叉污染问题主要是通过建立铁电场效应晶体管专用生产线和增加工序保护元件衬底来解决。这种解决途径不仅提高了铁电场效应晶体管的研制门槛，而且还增加了芯片的制造成本。

(2)铁电薄膜与衬底之间存在着严重的界面反应和相互扩散，使得铁电薄膜和衬底之间很难形成好的界面态，导致高的泄漏电流，从而影响了铁电场效应晶体管的性能。

(3)由于尺寸效应的影响，传统铁电薄膜的铁电性随铁电薄膜厚度的减小而骤降，特别是在厚度低于10nm时，其铁电性会消失，无法满足现有的高集成度的芯片设计的要求。

(4)现有氧化铪基铁电场效应晶体管中，由于氧化铪基铁电薄膜的形成需要经历结晶的过程，导致铁电薄膜两侧出现较大漏电，从而使氧化铪基铁电场效应晶体管难以正常工作。

(5)由于氧化铝自身没有铁电性，所以利用氧化铝作为栅介质层材料制成的场效应晶体管只能做普通的开关器件，不能作为其他用途的器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管及制备方法，以避免铁电薄膜与硅集成电路的交叉污染，克服铁电薄膜厚度低于10nm时器件工作不稳定，以及形成氧化铪基铁电薄膜的需要结晶化的问题，提高器件的整体性能。

为实现上述目的，本发明基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管，自下而上包括衬底、沟道、栅介质层和栅电极；沟道的两侧为源极区和漏极区；源极区的上方为源电极，漏极区上方为漏电极，其特征在于：栅介质层采用内嵌纳米晶的氧化铝铁电薄膜。

进一步，所述衬底(1)采用Si或Ge或Si_1-xGe_x，其中x为Ge组分，0<x<1。

进一步，所述栅介质层(5)的厚度为2-10nm。

进一步，所述沟道(2)的长度为1.5μm-20μm。

为实现上述目的，本发明基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

1)利用原子层沉积工艺，在衬底(1)上沉积栅介质层(5)；

2)利用磁控溅射工艺，在栅介质层(5)上淀积80-90nm的TaN，形成栅电极(8)；

3)利用光刻工艺，在栅电极(8)上标定源极区域、栅极区域、漏极区域；

4)利用刻蚀工艺，将栅极区域两侧的源极区域和漏极区域刻蚀；

5)利用离子注入工艺，对栅极区域两侧的衬底进行能量范围为20-30KeV、剂量范围为1E10¹⁵-2E10¹⁵cm^-3的离子注入，形成掺杂过的源极区(3)和漏极区(4)，源极区(3)和漏极区(4)之间未被离子注入的衬底区域即为沟道(2)；

6)利用电子束沉积工艺，在源极区(3)和漏极区(4)上方沉积20-30nm厚的Ni，形成源电极(6)和漏电极(7)，完成铁电场效应晶体管的制备。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于采用氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电栅介质层代替传统铁电场效应晶体管中的铁电栅介质层，使得铁电场效应晶体管的铁电栅介质层厚度可以降低至4nm以下，且能保持稳定的铁电场效应晶体管特性，极大的降低了栅泄漏电流，提高了晶体管的导通电流，进而提高器件性能。

第二，本发明与现有主流集成电路工艺相兼容，在不需要建立铁电场效应晶体管专用生产线和增加工序的前提下，避免了铁电薄膜与硅集成电路的交叉污染。

附图说明

图1为本发明基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管的XZ面剖面图；

图2为本发明在Ge衬底或者Si_1-xGe_x衬底上制备基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管流程示意图。

图3为本发明在Si衬底上制备基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管包括：衬底1、沟道2、源极区3、漏极区4、栅介质层5、源电极6、漏电极7和栅电极8，其中：衬底1采用Si或Ge或Si_1-xGe_x，其中x为Ge组分，0<x<1。衬底1位于底部。栅介质层5位于衬底1正中间的上方，栅电极8位于栅介质层5的上方。沟道2位于栅介质层5正下方，沟道2的两侧为源极区3和漏极区4。源极区3的上方为源电极6，漏极区4上方为漏电极7。

参照图2、图3，本发明制备基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管的方法，给出如下三种实施例。

实施例1：在Ge衬底上制备基于氧化铝材料内嵌纳米晶的p型铁电场效应晶体管。

参照图2，本实例的实现步骤如下：

步骤A：形成氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层，如图2b。

A1)标准清洗Ge衬底：

a1)将衬底依次放入丙酮、异丙醇和去离子水中，各超声10min；

a2)将超声后的衬底放入氢氟酸和水比例为1:50的混合溶液中浸泡1min，再用去离子水冲洗2min，完成对Ge衬底的标准清洗；

A2)沉积氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层：

利用原子层沉积工艺，以固体四(二甲氨基)锆和三甲基铝作为锆源和铝源，以水源作为氧源，在温度为280℃，压强为1E10³pa条件下，在清洗后的Ge衬底上沉积2nm厚的氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层。

步骤B：形成栅电极，如图2c。

利用磁控溅射工艺，在室温下，以固体Ta作为溅射靶，在氮气和氩气环境以及压强为1E10^-7pa的条件下，在栅介质层上生长80nm厚的TaN，形成栅电极。

步骤C：在栅电极上标定电极区域。

采用365nmI线光刻工艺，在栅电极上标定源极区域、栅极区域、漏极区域，其中栅极区域位于栅电极的正中央，源极区域和漏极区域分别位于栅极区域的两侧。

步骤D：刻蚀标记区域的多余部分，如图2d。

利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将栅极区域两侧的源极区域和漏极区域刻蚀至衬底表面，将栅极区域、源极区域和漏极区域四周多余的部分刻蚀至衬底表面。

步骤E：形成源极区和漏极区，如图2e。

对刻蚀后的源极区域、漏极区域进行离子注入：

在源极区注入能量为20KeV、剂量为10¹⁵cm^-3的BF₂元素，形成p⁺掺杂的源极区；

在漏极区注入能量为20KeV、剂量为10¹⁵cm^-3的BF₂元素，形成p⁺掺杂的漏极区；

源极区和漏极区之间未被离子注入的衬底区域即为沟道，沟道长度为1.5μm。

步骤F：形成源电极和漏电极，如图2f。

利用电子束沉积工艺，在室温环境下，以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上方沉积20nm厚的Ni，形成源电极和漏电极，完成器件制备。

实施例2：在Si_0.55Ge_0.45衬底上制备氧化铝材料内嵌纳米晶的p型铁电场效应晶体管。

参照图2，本实例的具体实现如下：

步骤1：形成氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层，如图2b。

1.1)标准清洗Si_0.55Ge_0.45衬底：

1.1.1)本步骤的具体实现与实施例1的步骤A中的a1)相同；

1.1.2)将超声后的衬底放入浓硫酸和双氧水比例为3:1的混合溶液中浸泡20min；

1.1.3)本步骤的具体实现与实施例1的步骤A中的a2)相同；

1.2)沉积氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层：

利用原子层沉积工艺，以固体四(二甲氨基)锆和三甲基铝作为锆源和铝源，以水源作为氧源，在温度为300℃，压强为1.2E10³pa条件下，在Si_0.55Ge_0.45衬底上沉积6nm厚的氧化铝内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层。

步骤2：形成栅电极，如图2c。

利用磁控溅射工艺，在室温下，以固体Ta作为溅射靶，在氮气和氩气环境以及压强为1.2E10^-7pa的条件下，在栅介质层上生长85nm厚的TaN，形成栅电极。

步骤3：在栅电极上标定电极区域。

利用365nmI线光刻工艺，在栅电极上标定源极区域、栅极区域、漏极区域，本步骤的具体实现与实施例1的步骤C相同。

步骤4：刻蚀标记区域的多余部分，如图2d。

本步骤的具体实现与实施例1的步骤D相同。

步骤5：形成源极区和漏极区，如图2e。

在源极区注入能量为20KeV、剂量为1E10¹⁵cm^-3的BF₂元素，形成p⁺掺杂的源极区；

在漏极区注入能量为20KeV、剂量为1E10¹⁵cm^-3的BF₂元素，形成p⁺掺杂的漏极区；

源极区和漏极区之间未被离子注入的衬底区域即为沟道，沟道长度为10μm。

步骤6：形成源电极和漏电极，如图2f。

利用电子束沉积工艺，在室温环境下，以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上方沉积25nm厚的Ni形成源电极和漏电极，完成器件制备。

实施例3：在Si衬底上制备基于氧化铝材料内嵌纳米晶的n型铁电场效应晶体管。

参照图3，本实施例的实现步骤如下：

第一步：标准清洗Si衬底，本步骤的具体实现与实施例2的步骤1.1)相同。

第二步：在Si衬底上标定衬底区域。

采用365nmI线光刻工艺，在Si衬底上标定源极区域、栅极区域、漏极区域，其中栅极区域位于Si衬底的正中央，源极区域和漏极区域分别位于栅极区域的两侧。

第三步：形成源极区和漏极区，如图3b。

在光刻胶的掩蔽作用下，对光刻后的源极区域、漏极区域进行离子注入：

在源极区注入能量为30KeV、剂量为2E10¹⁵cm^-3的P元素，形成n⁺掺杂的源极区；

在漏极区注入能量为30KeV、剂量为2E10¹⁵cm^-3的P元素，形成n⁺掺杂的漏极区；

源极区和漏极区之间未被离子注入的衬底区域即为沟道，沟道长度为20μm。

第四步：激活源极区和漏极区。

利用退火工艺，在900℃以及氧气氛围的条件下，对源极区和漏极区热退火2min，进行激活处理，得到激活过的源极区和漏极区。

第五步：沉积氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层，如图3c，

利用原子层沉积工艺，以固体四(二甲氨基)锆和三甲基铝作为锆源和铝源，以水源作为氧源，在温度为320℃，压强为1.5E10³pa条件下，在Si衬底上沉积10nm厚的氧化铝内嵌纳米晶铁电薄膜栅介质层。

第六步：形成栅电极，如图3d。

利用磁控溅射工艺，在室温下，以固体Ta作为溅射靶，在氮气和氩气环境以及压强为1.5E10^-7pa的条件下，在栅介质层上生长90nm厚的TaN，形成栅电极。

第七步：在栅电极上标定电极区域。

采用365nmI线光刻工艺，在栅电极上标定源极区域、栅极区域、漏极区域，其中栅极区域位于栅电极的正中央，源极区域和漏极区域分别位于栅极区域的两侧。

第八步：刻蚀多余部分，如图3e。

利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将栅极区域两侧的源极区域和漏极区域分别刻蚀至源极区和漏极区的表面，将栅极区域、源极区域和漏极区域四周多余的部分刻蚀至衬底表面。

第九步：形成源电极和漏电极，如图3f。

利用电子束沉积工艺，在室温下，以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上方沉积30nm厚的Ni，形成源电极和漏电极，完成器件制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管的制备方法，该晶体管自下而上包括衬底(1)、沟道(2)、栅介质层(5)和栅电极(8)；沟道(2)的两侧为源极区(3)和漏极区(4)；源极区(3)的上方为源电极(6)，漏极区(4)上方为漏电极(7)；制备步骤包括如下：

1)利用原子层沉积工艺，在衬底(1)上沉积栅介质层(5)；具体实现方法为：以固体四(二甲氨基)锆和三甲基铝作为锆源和铝源，以水源作为氧源，在温度范围为280-320℃，压强范围为1×10³-1.5×10³pa条件下，沉积氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜，形成栅介质层(5)；

2)利用磁控溅射工艺，在栅介质层(5)上淀积80-90nm厚的TaN，形成栅电极(8)；

3)利用光刻工艺，在栅电极(8)上标定源极区域、栅极区域、漏极区域；

4)利用刻蚀工艺，将栅极区域两侧的源极区域和漏极区域刻蚀掉；

5)利用离子注入工艺，对栅极区域两侧的衬底进行能量范围为20-30KeV、剂量范围为1×10¹⁵-2×10¹⁵cm^-2 的离子注入，形成掺杂过的源极区(3)和漏极区(4)，源极区(3)和漏极区(4)之间未被离子注入的衬底区域即为沟道(2)；

6)利用电子束沉积工艺，在源极区(3)和漏极区(4)上方沉积20-30nm厚的Ni，形成源电极(6)和漏电极(7)，完成铁电场效应晶体管的制备。

2.如权利要求1所述的基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管的制备方法，其中所述步骤2)的磁控溅射工艺，是以固体Ta作为溅射靶，在氮气和氩气环境下，压强为1×10^-7-1.5×10^-7pa条件下，生长TaN，形成栅电极(8)。

3.如权利要求1所述的基于氧化铝材料内嵌纳米晶的铁电场效应晶体管的制备方法：其中所述步骤4)的刻蚀工艺，是利用氯基原子团，在光刻胶的掩蔽作用下，保留栅极区域，将源极区域和漏极区域以及其他多余部分刻蚀掉。

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