[发明专利]一种基于离子注入掺杂的氧化铪铁电栅制备方法有效
申请号: | 201710306626.9 | 申请日: | 2017-05-04 |
公开(公告)号: | CN107146759B | 公开(公告)日: | 2020-06-05 |
发明(设计)人: | 彭强祥;刘巧灵;兰杨波;廖敏;杨琼;周益春 | 申请(专利权)人: | 湘潭大学 |
主分类号: | H01L21/28 | 分类号: | H01L21/28;H01L21/265;H01L29/792;H01L29/423;H01L45/00 |
代理公司: | 厦门智慧呈睿知识产权代理事务所(普通合伙) 35222 | 代理人: | 杨唯 |
地址: | 411105 湖南省湘*** | 国省代码: | 湖南;43 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 基于 离子 注入 掺杂 氧化 铪铁电栅 制备 方法 | ||
本发明提供一种基于离子注入掺杂HfO2的MFIS铁电栅制备工艺,先采用标准清洗工艺对P‑Si或者n‑Si基片进行清洗,以去除硅表面的颗粒及其它污染物,随后在硅片上沉积适当厚度的HfO2并进行退火处理;之后使用离子注入机对HfO2进行掺杂,然后对掺杂后的HfO2进行退火处理;在掺杂后的HfO2上即氧化铪铁电薄膜上沉积顶电极,然后再次对电极快速热处理;最后采用反应离子刻蚀方法将MFIS多层薄膜结构刻蚀成与源、漏和沟道尺寸相匹配MFIS阵列单元。本发明能精确控制HfO2铁电薄膜掺杂浓度,且制备相对简单,薄膜制备温度低的成熟操作工艺。
技术领域
本发明属于微电子器件制造领域,尤其涉及一种晶体管型铁电存储器栅极制备方法。
背景技术
铁电存储器是一种具有高读写速度、宽工作温度、低功耗、高抗辐射能力、抗疲劳性能好的新型非挥发性存储器,近几十年来受到产研界广泛的关注,市场规模逐年稳步增长。铁电存储器是利用铁电材料电滞回线剩余极化双稳态性质对应二进制信息的“0-1”信号的原理实现数据存储。目前,主流的铁电存储器有1T1C型(1个晶体管和1个铁电电容)和1T型(1个铁电晶体管)。其中,1T结构铁电存储器由于铁电薄膜位于晶体管栅极区域,能够大大减小存储单元面积,提高铁电存储器的存储容量,因而是未来的一个主流发展方向。晶体管型铁电存储器研制的难点和关键在于铁电栅结构的制作,即栅电极/铁电层/缓冲层/衬底(MFIS)结构。以往,由于铁电存储器通常采用较厚的传统钙钛矿材料如锆钛酸铅(PZT),钽酸锶铋(SBT)等,而此类材料与标准CMOS工艺兼容性差,且与硅衬底的界面匹配性差,缺陷较多,退极化场大,从而导致性能差。氧化铪(HfO2)是一种制备技术非常成熟的微电子器件介电材料,常用于45nm以下工艺节点的high-k栅层。自2012年德国NaMLab实验室发现掺杂的HfO2具有铁电性后,迅速掀起了基于氧化铪铁电薄膜的铁电存储器研制的热潮。截至目前,科研工作者研究了不同元素(如硅、锆、铝、钇等)等掺杂氧化铪铁电薄膜的性能,发现铁电氧化铪薄膜的剩余极化值能达到40μC/Km以上,薄膜厚度只需几十个纳米,且与硅工艺兼容性优异。
目前,铁电晶体管用氧化铪铁电薄膜的主要制备方法为原子层沉积(ALD)、溅射(Sputtering)以及化学溶液法(CSD)等。然而上述沉积技术工艺仍有如制备条件苛刻,薄膜制备工艺复杂等诸多不足。为获取精确掺杂、性能优异且制备工艺相对简单的氧化铪铁电薄膜,改进现有成熟的薄膜制备工艺是获得性能优异薄膜和铁电栅结构的方式之一。
目前,基于掺杂HfO2的MFIS结构铁电栅制备工艺还存在以下不足:
(1)目前制备氧化铪铁电薄膜主要采用CVD、ALD等沉积技术。该技术一般是将所需沉积材料的液态前驱体进行汽化从而沉积在基片上,对沸点高的沉积材料工艺温度要求较高,且对两种或两种以上材料沉积时,为使几种材料混合沉积均匀,对加热腔的温度及反应气体要求苛刻,且该化学反应过程一般会产生副产物,使沉积薄膜的性能难以控制。
(2)制备基于铁电氧化铪的MFIS结构铁电栅时,工艺步骤相对繁琐,对于I层和F层的制备,应用相同氧化物HfO2时,需要对HfO2经过两次热处理,甚至需要两种不同结晶形态,增加了实验成本以及工艺步骤。
基于以上问题,亟需一种运用一种新型的基于掺杂HfO2的MFIS结构铁电栅制备工艺。
发明内容
本发明的目的在于改善基于HfO2铁电薄膜的MFIS铁电栅制备工艺的不足,使用一种既能精确控制HfO2铁电薄膜掺杂浓度,且制备相对简单,薄膜制备温度低的成熟操作工艺。为实现上述发明目的,本发明采取以下的技术方案:一种基于离子注入掺杂HfO2的MFIS铁电栅制备工艺,包括以下步骤:
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