CN115275006A

CN115275006A - 基于ZrO2插层的多比特铁电场效应晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN115275006A
Application number: CN202210918681.4A
Authority: CN
Inventors: 陈琳; 刘雍凯; 孟佳琳; 王天宇; 孙清清; 张卫
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2022-11-01

Abstract

本发明公开一种基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管及其制备方法。该基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，包括：衬底；界面层，形成在所述衬底上；多层HZO铁电层，形成在所述界面层上，且在相邻HZO铁电层间形成有ZrO₂插层；栅极，形成在所述HZO铁电层上；源极和漏极形成在所述衬底中所述栅极两侧；通过调整所述各层HZO铁电层的厚度，控制铁电畴尺寸，使之具有不同的矫顽场，当施加不同电压时使特定HZO铁电层完全极化，获得具有稳定的中间极化状态的多比特铁电场效应晶体管。

Description

基于ZrO2插层的多比特铁电场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

铁电存储器是一种新型的非易失性的新型存储器。传统的铁电材料包括PZT材料和PVDF材料，但是PZT材料带隙较小，带来漏电流和可靠性的问题；而PVDF材料操作电压过高，能耗过大。更重要的是，传统铁电材料无法与CMOS工艺兼容并且会带来H毒化问题；而且传统铁电材料(PZT)在厚度变小的情况下不具有铁电性能，制约了未来的发展。与之相反，铪基铁电材料显示出优异的潜力。铁电场效应晶体管的存储机理是利用铁电材料具有独特的电滞回线并可以影响导电沟道的形成。在写入操作中，将已初始化的铁电场效应晶体管施加正/负栅电压，使铁电层发生向下或向上的自发极化。撤去写入电压后，铁电层的自发极化会吸引沟道中的电荷，改变晶体管的阈值电压，一个阈值电压对应一个状态，存储一个信息。在读操作中，施加小于矫顽场的电压，通过比较漏极电流的大小读出写入的数据。

人工智能的发展对存储器存储密度提出了更高的要求。现阶段的一种解决方案是要求存储器存储更多的信息，即实现多态存储操作。多比特铁电场效应晶体管的运行机理与铁电场效应晶体管类似，区别是多比特铁电场效应晶体管的铁电层具有多种极化状态，不同极化状态对应的极化强度不同，对导电沟道的影响不同，从而可以通过改变写入电压的大小使得晶体管具有多个阈值电压。在读操作过程中，依次增加读电压的脉冲幅度，观察电流的变化，从而判断铁电层中所储存的信息。

多态存储操作要求存储器具有大的存储窗口。存储窗口的经验公式是2·α·E_c·t_FE(α:常数；Ec:矫顽场；t_FE:铁电层厚度)，然而，随着铁电层厚度的增加，铪基铁电材料的晶型会发生改变，极化强度明显下降，存储窗口反而降低。除此之外，多态存储操作还对铁电层的中间极化状态的稳定性、铁电性能提出了更高的要求。

发明内容

本发明公开一种基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底上沉积SiO₂层，并对SiO₂层进行光刻、刻蚀露出衬底形成栅极窗口；对上述结构进行氮化处理，随后在所述衬底上沉积界面层；形成多层HZO铁电层，且在相邻HZO铁电层间形成ZrO₂插层；在所述HZO铁电层上形成栅极并在氮气氛围中退火；刻蚀去除所述SiO₂层，并在栅极两侧形成侧墙；在所述衬底中所述栅极两侧形成源极和漏极，通过调整所述各层HZO铁电层的厚度，控制铁电畴尺寸，使之具有不同的矫顽场，当施加不同电压时使特定HZO铁电层完全极化，获得具有稳定的中间极化状态的多比特铁电场效应晶体管。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法中，优选为，所述HZO铁电层的厚度为2nm～15nm。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法中，优选为，所述ZrO₂插层的厚度为0.5nm～5nm。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法中，优选为，所述界面层为Al₂O₃。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法中，优选为，所述界面层的厚度为1nm～3nm。

本发明还公开一种基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，包括：衬底；界面层，形成在所述衬底上；多层HZO铁电层，形成在所述界面层上，且在相邻HZO铁电层间形成有ZrO₂插层；栅极，形成在所述HZO铁电层上；源极和漏极形成在所述衬底中所述栅极两侧；通过调整所述各层HZO铁电层的厚度，控制铁电畴尺寸，使之具有不同的矫顽场，当施加不同电压时使特定HZO铁电层完全极化，获得具有稳定的中间极化状态的多比特铁电场效应晶体管。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管中，优选为，所述HZO铁电层的厚度为2nm～15nm。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管中，优选为，所述ZrO₂插层的厚度为0.5nm～5nm。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管中，优选为，所述界面层为Al₂O₃。

本发明的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管中，优选为，所述界面层的厚度为1nm～3nm。

有益效果：

1)通过改变ALD生长HZO过程中的Hf：Zr循环比，利用ZrO₂插层的插入来控制HZO晶粒尺寸大小，增加均匀性，避免晶粒尺寸过大影响铁电性能。

2)ZrO₂插层可以将HZO铁电层分离成不同厚度，不同厚度的铁电层具有不同大小的矫顽场，当施加不同电压时可以实现特定铁电层的完全极化，有利于中间状态的稳定。

3)正交相ZrO₂插层有利于促进HZO晶相从T相到O相的转变，提高铁电性能。

附图说明

图1是基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法的流程图。

图2～图6是基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法各阶段的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。

图1是基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法的流程图。如图1所示，基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法包括以下步骤：

步骤S1中，在Si衬底100上沉积一层100nm厚的SiO₂层101，并通过光刻刻蚀露出栅极窗口，如图2所示。

步骤S2中，首先在物理气相沉积设备中利用N₂等离子体对衬底100做氮化处理，腔体温度为300℃、气压为0.7Torr、功率为45W。之后利用原子层沉积方法在室温下在Si衬底100上沉积厚度为1nm～3nm的Al₂O₃界面层102。然后，将腔体温度升至300℃，生长厚度为2nm～15nm的HZO铁电层103，优选地，Hf:Zr的生长循环比为1:1。接着，生长厚度为0.5～5nm的ZrO₂插层104，如图3所示。本实施例中生长三层HZO铁电层103，两层ZrO₂插层104，但是本发明不限定于此，HZO层和ZrO₂插层的厚度和堆叠次数可根据需要改变。

在300℃的温度下采用ALD方法生长ZrO₂的晶型大部分为正交相ZrO₂，因此可以作为成核层抑制HfO₂从四方相到单斜相的转变，提高正交相HfO₂的含量，提高铁电性能。随着ZrO₂厚度的不断增加，ZrO₂本身具有的反铁电性质和ZrO₂薄膜分压的增加会抑制HZO的铁电性能，降低剩余极化强度。对于10nm厚的HZO铁电层来说，ZrO₂成核层厚度为2nm时有最大的剩余极化强度。依据此比例，可根据HZO厚度的变化选择ZrO₂插层的厚度。此外，无ZrO₂插层的情况下，HZO晶粒尺寸在5nm～10nm，存在ZrO₂插层的情况下，晶粒尺寸可以达到20nm。而通过ZrO₂插层控制HZO铁电层厚度可以人为控制HZO晶粒的高度，进而控制晶粒尺寸大小。

步骤S3中，采用物理气相沉积方法在HZO铁电层103上沉积厚度为40nm～80nm的TiN层作为栅极105，并在氮气氛围中退火，如图4所示。

步骤S4中，刻蚀去除源极和漏极上的SiO₂层101后，通过化学气相沉积法在栅极叠层两侧形成SiO₂边墙106，之后进行自对准的源极107和漏极108的离子注入掺杂，最后高温快速热退火，激活掺杂离子，如图5所示。

步骤S5中，采用物理气相沉积方法在源极107、漏极108和栅极105上沉积Pt/Au作为接触电极109,110,111，如图6所示。

如图6所示，基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，包括：衬底100；界面层102，形成在衬底100上；多层HZO铁电层103，形成在界面层102上，且在相邻HZO铁电层102间形成有ZrO₂插层104；栅极105，形成在顶层的HZO铁电层上；栅极边墙106，形成在栅极105两侧；源极107和漏极108形成在衬底100中所述栅极105两侧。通过调整各层HZO铁电层的厚度，控制铁电畴尺寸，使之具有不同的矫顽场，当施加不同电压时使特定HZO铁电层完全极化，获得具有稳定的中间极化状态的多比特铁电场效应晶体管。

当对多比特铁电场效应晶体管所施加正电压逐渐增大时，极化方向由竖直向上逐渐改变为竖直向下。然而只有完全极化的两种状态是低能态，其他为高能态，因此当长时间处于中间状态时，部分畴的极化方向会发生变化，趋向低能态，所以中间状态无法保持稳定，影响了多态存储的稳定性。

本申请利用ZrO₂插层分割不同厚度的HZO铁电层，可以实现对铁电畴尺寸的控制。不同尺寸大小的铁电畴具有不同大小的矫顽场，完全极化所需要的电压不同，因此当铁电层处于中间状态时，会有一层或多层的铁电畴处于完全极化状态(低能态)，从而稳定中间状态，有利于多态存储的实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上沉积SiO₂层，并对SiO₂层进行光刻、刻蚀露出衬底形成栅极窗口；

对上述结构进行氮化处理，随后在所述衬底上沉积界面层；

形成多层HZO铁电层，且在相邻HZO铁电层间形成ZrO₂插层；

在所述HZO铁电层上形成栅极并在氮气氛围中退火；

刻蚀去除所述SiO₂层，并在栅极两侧形成侧墙；

在所述衬底中所述栅极两侧形成源极和漏极，

通过调整所述各层HZO铁电层的厚度，控制铁电畴尺寸，使之具有不同的矫顽场，当施加不同电压时使特定HZO铁电层完全极化，获得具有稳定的中间极化状态的多比特铁电场效应晶体管。

2.根据权利要求1所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法，其特征在于，

所述HZO铁电层的厚度为2nm～15nm。

3.根据权利要求1所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法，其特征在于，

所述ZrO₂插层的厚度为0.5nm～5nm。

4.根据权利要求1所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法，其特征在于，

所述界面层为Al₂O₃。

5.根据权利要求4所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管制备方法，其特征在于，

所述界面层的厚度为1nm～3nm。

6.一种基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，其特征在于，包括：

衬底；

界面层，形成在所述衬底上；

多层HZO铁电层，形成在所述界面层上，且在相邻HZO铁电层间形成有ZrO₂插层；

栅极，形成在所述HZO铁电层上；

源极和漏极形成在所述衬底中所述栅极两侧；

7.根据权利要求6所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，其特征在于，

所述HZO铁电层的厚度为2nm～15nm。

8.根据权利要求6所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，其特征在于，

所述ZrO₂插层的厚度为0.5nm～5nm。

9.根据权利要求6所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，其特征在于，

所述界面层为Al₂O₃。

10.根据权利要求6所述的基于ZrO₂插层的多比特铁电场效应晶体管，其特征在于，

所述界面层的厚度为1nm～3nm。