CN117096191A - 一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种FinFET结构的Al1‑xScxN铁电调控场效应晶体管及其制备方法，晶体管包括：衬底层、鳍部、绝缘层、中间电极层、缓冲层、铁电层、栅电极、源极和漏极；绝缘层包括第一绝缘部和第二绝缘部；鳍部和第一绝缘部设置在衬底层的上表面；第一绝缘部位于鳍部的两侧；鳍部包括导电沟道以及位于导电沟道两侧的源极区和漏极区；第二绝缘部、中间电极层、缓冲层、铁电层和栅电极依次自内而外覆盖在导电沟道的表面；铁电层的材料为Al1‑xScxN，其中x为Sc的掺杂浓度。本发明的晶体管，拥有更小的特征尺寸、面积成本降低，铁电调控能强、器件性能好，改善了器件的存储性能，内存窗口更大，提高了器件的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体存储技术领域，具体涉及一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
随着信息产业的发展和电子产品的普及，对存储器的要求越来越高。以铁电场效应晶体管(FeFET)为基本单元的铁电存储器，受到人们的广泛关注。目前常见的存储器可分为两大类：易失性存储器，如DRAM；和非易失性存储器，如闪存和ROM。非易失性存储器在现代社会有着重要的作用，其中，由于铁电材料的非易失性，并且能与传统的硅基半导体集成，铁电存储器应运而生。在各种新型存储器中，铁电存储器凭借其非易失、低功耗、高速度、长寿命和抗辐照等优势，被认为是最有前景的下一代存储器之一。
随着特征尺寸的不断减小，平面器件也存在诸多问题，例如短沟道效应等，使得晶体管的性能变差，此时FinFET结构应运而生。相比于传统平面结构的器件，立体器件很好的解决了其存在的问题，克服短沟道效应，增强栅极、铁电层对于沟道的控制，增强电流驱动作用，从而增强器件性能。
现有FinFET的铁电栅介质层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。例如锆钛酸铅、钽酸锶铋等传统钙钛矿型铁电材料高温特性欠佳，其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，且其极化强度会随着器件尺寸较小而显著降低，制备工艺无法与CMOS工艺兼容，与当下集成度不断提高的趋势不符。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的第一方面提供了一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，包括：衬底层、鳍部、绝缘层、中间电极层、缓冲层、铁电层、栅电极、源极和漏极；
所述绝缘层包括第一绝缘部和第二绝缘部；
所述鳍部和第一绝缘部设置在所述衬底层的上表面；
所述第一绝缘部位于所述鳍部的两侧；
所述鳍部包括导电沟道以及位于所述导电沟道两侧的源极区和漏极区；
所述第二绝缘部、所述中间电极层、所述缓冲层、所述铁电层和所述栅电极依次自内而外覆盖在所述导电沟道的表面；
所述铁电层的材料为Al1-xScxN，其中x为Sc的掺杂浓度；
所述源极设置在所述源极区上；
所述漏极设置在所述漏极区上。
在一个具体的实施例中，所述绝缘层的材料为Al2O3，厚度为10～20nm。
在一个具体的实施例中，所述中间电极层的材料为TiN，厚度为10～20nm。
在一个具体的实施例中，所述缓冲层的材料为AlN，厚度为10～30nm。
在一个具体的实施例中，所述栅电极的材料为TiN，厚度为30～60nm。
在一个具体的实施例中，所述源极区和所述漏极区均为BF2 +离子注入区域或P+离子注入区域。
在一个具体的实施例中，所述衬底层的材料为Si。
在一个具体的实施例中，所述源极和所述漏极的材料为金或银，厚度为30～60nm。
本发明的第二方面提供了一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的制备方法，应用于制备本发明第一方面提供的的铁电调控场效应晶体管，包括以下步骤：
S1：刻蚀衬底基体，形成衬底层和鳍部；
S2：在所述衬底层的上表面和所述鳍部的表面制备原始绝缘层；
S3：在所述原始绝缘层的表面依次制备原始中间电极层和原始缓冲层；
S4：在所述原始缓冲层的表面生长Al1-xScxN作为原始铁电层，其中x为Sc的掺杂浓度；
S5：在所述原始铁电层的表面制备原始栅电极；
S6：刻蚀位于所述鳍部的两端位置处和位于在所述衬底层的上表面的位置处的所述原始中间电极层、所述原始缓冲层、所述原始铁电层和所述原始栅电极，形成覆盖在所述鳍部的中间位置上的中间电极层、缓冲层、铁电层和栅电极；刻蚀所述鳍部两端位置上覆盖的所述原始绝缘层，形成绝缘层；
S7：在所述鳍部的两端的位置分别制备源极区和漏极区；
S8：在所述源极区上制备源极，在所述漏极区上制备漏极。
在一个具体的实施例中，步骤S4包括：使用含Sc量为40％的AlSc合金靶材作为溅射靶材，通入氩气与氮气，在所述原始缓冲层的表面生长Al1-xScxN作为原始铁电层；其中，真空度为1*10-7Pa，溅射功率为200W～500W，溅射温度为200℃～400℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的铁电调控场效应晶体管采用FinFET结构，拥有更小的特征尺寸、面积成本降低，因为导电沟道被栅电极和铁电层三面环绕，使得栅电极和铁电层对于沟道的调控能力增强，铁电调控能力、器件性能也随之提升。使用TiN作为中间电极层，在一定程度降低了退极化现象的发生，存储性能也有所提升，操作电压升高问题也有所改善。使用Al1-xScxN作为铁电层，改善了器件的存储性能，内存窗口更大，提高了器件在存在外部干扰的情况下的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的剖面示意图。
附图标记：
1：衬底层；2：光刻胶；3：鳍部；4：绝缘层；5：中间电极层；6：缓冲层；7：铁电层；8：栅电极；9：源极；10：漏极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2，一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，包括：衬底层1、鳍部3、绝缘层4、中间电极层5、缓冲层6、铁电层7、栅电极8、源极9和漏极10，其中，绝缘层4包括第一绝缘部和第二绝缘部。鳍部3和第一绝缘部设置在衬底层1的上表面。第一绝缘部位于鳍部3的两侧。鳍部3包括导电沟道以及位于导电沟道两侧的源极区和漏极区，第二绝缘部、中间电极层5、缓冲层6、铁电层7和栅电极8依次自内而外覆盖在导电沟道的表面，铁电层7的材料为Al1-xScxN，其中x为Sc的掺杂浓度，源极9设置在源极区上，漏极10设置在漏极区上。优选地，Sc的掺杂浓度为40％，由于Al1-xScxN的极化强度与极化强度均会随着Sc含量的增加而减小，采用掺杂浓度40％的Al1-xScxN即可以保持薄膜的铁电特性，又能保证铁电晶体管具有较高的栅极击穿电压。
具体地，本实施例中的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，采用FinFET结构，立体器件有更小的特征尺寸、面积成本降低、由于其特殊结构使得栅电极8和铁电层7对于沟道的调控能力增强，铁电调控能力、器件性能也随之提升。使用TiN作为中间电极层5，在一定程度降低了退极化现象的发生，存储性能也有所提升，操作电压升高问题也有所改善。使用Al1-xScxN作为铁电层7，改善了器件的存储性能，内存窗口更大，提高了器件在存在外部干扰的情况下的可靠性和稳定性。
进一步地，绝缘层4的材料为Al2O3，厚度为10～20nm。中间电极层5的材料为TiN，厚度为10～20nm。缓冲层6的材料为AlN，厚度为10～30nm。栅电极8的材料为TiN，厚度为30～60nm。源极区和漏极区均为BF2 +离子注入区域或P+离子注入区域。衬底层1的材料为Si。源极9和漏极10的材料为金或银，厚度为30～60nm。
本实施例提供的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，使用Al1- xScxN铁电薄膜作为铁电层7，通过铁电材料的极化特性调控晶体管的开关功能，并存储相关数据，存储性能更佳，内存窗口更大，稳定性更好。为了改善AlScN铁电材料与衬底的晶格失配度，使用AlN作为缓冲层6，由于AlN为氮化物，且AlScN也是在AlN中掺钪得到的，因此AlN与AlScN具有极度相似的晶格结构，AlN作为缓冲层6可以极大改善AlScN铁电材料与衬底的晶格失配度，有利于衬底上AlScN晶相的择优生长，在显著提升器件性能的同时降低了晶体管的漏电流。使用TiN作为中间电极层5，在一定程度降低了退极化现象的发生，存储性能也有所提升，操作电压升高问题也有所改善。器件整体使用FinFET结构，因为导电沟道被栅电极8和铁电层7三面环绕，使得结构面积变小、栅电极8和铁电层7对于导电沟道的控制能力变强，铁电调控能力也随之变强，解决存储器退极化、存储表现不佳等问题。消除了传统平面器件短沟道效应等问题。使用Al2O3作为绝缘层4，既能降低晶体管的漏电，提高晶体管的性能，还避免了铁电层7的一些元素扩散进导电沟道或者导电沟道的电荷注入铁电层7。改善了器件的存储性能，内存窗口更大，提高了器件在存在外部干扰的情况下的可靠性和稳定性。
实施例二
一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
S1：刻蚀衬底基体，形成衬底层1和鳍部3。
优选地，选取Si作为衬底基体，将衬底基体固定在清洗架中进行清洗。
清洗时分为四步：首先，将衬底基体置于去离子水中超声清洗10min；其次，将经过去离子水超声清洗后的衬底基体置于丙酮中清洗10-15min；之后，将丙酮清洗过的衬底基体置于乙醇中超声清洗10-15min；最后，将衬底基体置于去离子水中超声清洗10min，超声频率设置为80-100w。经过上述步骤清洗，衬底基体表面的灰尘、有机物杂质等均可被去除。
将衬底基体清洗完成后，使用光刻胶2作为掩膜，对衬底基体进行光刻刻蚀，形成衬底层1和鳍部3，刻蚀深度为200nm。将刻蚀完成带有光刻胶2的样品放入反应离子刻蚀机中，去除光刻胶2，刻蚀气体为CHF3，气体压强4～18Pa，射频功率为300～500W，气体流量为25～40sccm，反应腔室温度为40～60℃。
S2：在衬底层1的上表面和鳍部3的表面制备原始绝缘层。
优选地，使用成膜质量好、速度较快的等离子体增强原子层沉积技术(PEALD)在衬底层1的上表面和鳍部3的表面淀积Al2O3作为原始绝缘层，制备温度为300～500℃。将淀积了原始绝缘层的样品在高纯氮气的氛围下进行快速热退火处理。
S3：在原始绝缘层的表面依次制备原始中间电极层和原始缓冲层。
优选地，将步骤S2得到的样品置于磁控溅射腔室内，使用99.999％的纯钛金属靶材作为溅射靶材，在氮气环境下反应溅射生成TiN作为原始中间电极层。具体工艺参数为，氩气的流量为20sccm，氮气的流量为3sccm，压力为0.3Pa，溅射功率为180W，溅射时长为5～7min。
将制备完原始中间电极层的样品置于磁控溅射腔室内，使用99.999％的纯铝金属靶材作为溅射靶材，在氮气环境下反应溅射生成AlN作为原始缓冲层。具体工艺参数为氩气的流量为20sccm，氮气的流量为10sccm，压力为2mtor，溅射功率为130W，溅射温度为500℃～600℃，溅射时长为10min。
S4：在原始缓冲层的表面生长Al1-xScxN作为原始铁电层，其中x为Sc的掺杂浓度。
具体地，使用含Sc量为40％的AlSc合金靶材作为溅射靶材，将步骤S3得到的样品清洗处理后置于磁控溅射腔室内，通入氩气与氮气，在原始缓冲层的表面生长Al1-xScxN作为原始铁电层；其中，真空度为1*10-7Pa，溅射功率为200W～500W，溅射温度为200℃～400℃，氮气和氩气的比例为1:1，溅射时间为20min。溅射完毕后将样品置于氮气环境，用900℃快速退火5min。
S5：在原始铁电层的表面制备原始栅电极。
将步骤S4得到的样品置于磁控溅射腔室内，使用99.999％的纯钛金属靶材作为溅射靶材，在氮气环境下反应溅射生成TiN作为原始栅电极。具体工艺参数为，氩气的流量为20sccm，氮气的流量为3sccm，压力为0.3Pa，溅射功率为180w，溅射时长为5～7min。原始栅电极完成后，将样品置于氮气环境的水平管式高温炉中600℃退火30～60min。
S6：刻蚀位于鳍部3的两端位置处和位于在衬底层1的上表面位置处的原始中间电极层、原始缓冲层、原始铁电层和原始栅电极，形成覆盖在鳍部3的中间位置上的中间电极层5、缓冲层6、铁电层7和栅电极8；刻蚀鳍部3两端位置上覆盖的原始绝缘层，形成绝缘层4。
制备覆盖在鳍部3的中间位置上的光刻胶2，对样品进行刻蚀，蚀覆盖在鳍部3的两端位置上和覆盖在衬底层1的上表面的原始中间电极层、原始缓冲层、原始铁电层和原始栅电极。再通过湿法刻蚀工艺将鳍部3两端位置的表面上覆盖的原始绝缘层除去。刻蚀完成后除去光刻胶2。
S7：在鳍部3的两端的位置分别制备源极区和漏极区。
在鳍部3的两端的位置分别进行离子注入，形成源极区和漏极区。注入能量20－30keV、离子剂量为1015cm-3～2*1015cm-3。在700～900℃下，对已经进行过离子注入的样品进行退火处理，退火时长为3～5min。经退火处理后的源极区与漏极区内部缺陷与位错减小，可修复离子注入造成的Si表面晶体损伤。其中，离子注入的离子为BF2+或P+，具体的，在P型晶体管制备中注入BF2+离子，在N型晶体管制备中注入P+离子。
S8：在源极区上制备源极9，在漏极区上制备漏极10。
优选的，使用电子束蒸发的方式在源极区上淀积源极9，在漏极区上淀积漏极10。制备完成得到实施例一中的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管。
本实施例提供的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的制备方法，通过生长Al1-xScxN铁电薄膜作为铁电层7，通过铁电材料的极化特性调控晶体管的开关功能，并存储相关数据，不仅可以实现传统晶体管的功能，其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。使用钪含量为40％的AlSc合金靶材，溅射生长Al1-xScxN铁电层7即可以保持薄膜的铁电特性，又能保证铁电晶体管具有较高的栅极击穿电压。使用AlN作为缓冲层6，由于AlN为氮化物，且AlScN也是在AlN中掺钪得到的，因此AlN与AlScN具有极度相似的晶格结构，AlN作为缓冲层6可以极大改善AlScN铁电材料与衬底的晶格失配度，有利于衬底上AlScN晶相的择优生长，在显著提升器件性能的同时降低了晶体管的漏电流。本实施例提供的制备方法工艺简单，材料成本较低，制备过程环保安全。制备方法中的磁控溅射法、ALD、电子束蒸发法等成膜方法均为半导体CMOS工艺中的常见方法，能与现有CMOS工艺有效集成，可以在保证器件优异性能的基础上有效降低生产成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底层(1)、鳍部(3)、绝缘层(4)、中间电极层(5)、缓冲层(6)、铁电层(7)、栅电极(8)、源极(9)和漏极(10)；
所述绝缘层(4)包括第一绝缘部和第二绝缘部；
所述鳍部(3)和第一绝缘部设置在所述衬底层(1)的上表面；
所述第一绝缘部位于所述鳍部(3)的两侧；
所述鳍部(3)包括导电沟道以及位于所述导电沟道两侧的源极区和漏极区；
所述第二绝缘部、所述中间电极层(5)、所述缓冲层(6)、所述铁电层(7)和所述栅电极(8)依次自内而外覆盖在所述导电沟道的表面；
所述铁电层(7)的材料为Al1-xScxN，其中x为Sc的掺杂浓度；
所述源极(9)设置在所述源极区上；
所述漏极(10)设置在所述漏极区上。
2.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘层(4)的材料为Al2O3，厚度为10～20nm。
3.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述中间电极层(5)的材料为TiN，厚度为10～20nm。
4.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述缓冲层(6)的材料为AlN，厚度为10～30nm。
5.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极(8)的材料为TiN，厚度为30～60nm。
6.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述源极区和所述漏极区均为BF2 +离子注入区域或P+离子注入区域。
7.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN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。
8.根据权利要求1所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管，其特征在于，所述源极(9)和所述漏极(10)的材料为金或银，厚度为30～60nm。
9.一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的制备方法，其特征在于，应用于制备权利要求1～8任一项所述的铁电调控场效应晶体管，包括以下步骤：
S1：刻蚀衬底基体，形成衬底层(1)和鳍部(3)；
S2：在所述衬底层(1)的上表面和所述鳍部(3)的表面制备原始绝缘层；
S3：在所述原始绝缘层的表面依次制备原始中间电极层和原始缓冲层；
S4：在所述原始缓冲层的表面生长Al1-xScxN作为原始铁电层，其中x为Sc的掺杂浓度；
S5：在所述原始铁电层的表面制备原始栅电极；
S6：刻蚀位于所述鳍部(3)的两端位置处和位于在所述衬底层(1)的上表面的位置处的所述原始中间电极层、所述原始缓冲层、所述原始铁电层和所述原始栅电极，形成覆盖在所述鳍部(3)的中间位置上的中间电极层(5)、缓冲层(6)、铁电层(7)和栅电极(8)；刻蚀所述鳍部(3)两端位置上覆盖的所述原始绝缘层，形成绝缘层(4)；
S7：在所述鳍部(3)的两端的位置分别制备源极区和漏极区；
S8：在所述源极区上制备源极(9)，在所述漏极区上制备漏极(10)。
10.根据权利要求9所述的一种FinFET结构的Al1-xScxN铁电调控场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S4包括：使用含Sc量为40％的AlSc合金靶材作为溅射靶材，通入氩气与氮气，在所述原始缓冲层的表面生长Al1-xScxN作为原始铁电层；其中，真空度为1*10-7Pa，溅射功率为200W～500W，溅射温度为200℃～400℃。
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