[发明专利]一种铁电场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铁电场效应晶体管，包括：衬底层、栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层、栅电极层、源电极及漏电极；衬底层设置有源极区、漏极区和绝缘覆盖区，其中源极区与漏极区间隔设置；源极区上设置有源电极，漏极区上设置有漏电极，且绝缘覆盖区由下至上依次层叠设置栅绝缘层、第一缓冲层、中间介质层、第二缓冲层及栅电极层。该晶体管通过增加第一缓冲层和第二缓冲层，一方面缓冲层的沉积可起到界面诱导作用，并且由于晶格匹配度相当，可避免引起较大的晶格畸变；另一方面在第一缓冲层和第二缓冲层的加持作用，有利于生成元素掺杂的铁电薄膜并对铁电薄膜的铁电性起到促进作用。

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，尤其涉及一种铁电场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

电子信息产业作为高新技术产业，在扩大社会就业、推动经济转型升级、增强国际竞争力和维护国家安全等方面扮演着更加重要的角色。近年来，随着现代信息技术的不断突破和发展，以内存(DRAM)和闪存(Flash)为代表的半导体存储器引领着集成电路技术的发展，对信息技术产业发展、社会的进步和人类生活方式的转变产生了重要的影响。迄今，高密度、低成本DRAM和NAND Flash等主流存储器已经越来越难以满足高速计算和低功耗的需求，发展新型存储器技术已成为必然趋势。2016年发布的国际器件与系统路线图(IRDS)指出，铁电栅场效应晶体管(FeFET)存储器是目前最具有前景的新型存储器技术之一，因其具有非易失性、低功耗、耐疲劳、读写速度快、抗辐射等优点，被称为下一代存储器中最有潜力的存储器之一。FeFET与传统的场效应晶体管(MOSFET)结构类似，以铁电薄膜材料替代栅氧介质层作为存储介质时，形成与NAND Flash类似的存储单元结构，即铁电栅场效应晶体管(FeFET)，可大幅提升集成密度、降低工艺难度，且可利用NAND Flash的制造基础。

目前，FeFET存储器的结构主要分为两种，一是浮栅型FeFET，其栅结构为金属电极(M)/铁电薄膜(F)/金属电极(M)/缓冲层(I)/半导体(S)，即MFMIS。另一种是MFIS-FET，即栅结构为金属电极(M)/铁电薄膜(F)/缓冲层(I)/半导体(S)，即MFIS。由于工艺简单以MFIS-FET结构成为了主流的方案，其中以氧化铪基FeFET已成为工业届和学术界广泛关注的研究对象。除了优异的CMOS工艺兼容性和工艺成熟性，HfO₂基FeFET还具有以下几个优势：

(1)HfO₂基铁电薄膜与Si衬底具有较好的界面相容性；

(2)HfO₂基铁电薄膜的相对介电常数较大(～30)，且厚度小于10nm时仍具有优异的铁电性能，可满足高集成密度要求；

(3)矫顽场约为1MV/cm，HfO₂基铁电薄膜厚度较小时仍可使其FeFET具有较大的存储窗口，还可保证较好的保持性能；

(4)HfO₂基铁电薄膜的禁带宽度大(～5.7ev)，漏电流较小；

(5)结晶退火温度范围较宽(400℃-1000℃)，可满足前栅和后栅工艺；

(6)性能稳定，无氢致损伤，后端工艺影响较小；

(7)可实现三维集成。

但是，基于氧化铪基铁电场效应晶体管仍然存在如下主要问题：

(1)“唤醒效应”表现为:初始时，HfO₂基FeFET的存储窗口较小，需要一定的交替的编程和擦除循环次数后，才能实现较大、稳定的存储窗口,增大了器件工作的不稳定性。

(2)疲劳失效是指随着编程/擦除循环次数的增加，HfO₂基FeFET的存储窗口减小，难以区分“开”、“关”状态，目前疲劳性能基本小于10⁶次，尚难满足高可靠性的应用需求。

发明内容

(一)发明目的