CN101000926A - 铁电场效应晶体管存储器件结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
铁电场效应晶体管存储器件结构及制备方法，属于微电子器件领域，具体涉及一种MFPIS结构的铁电场效应晶体管存储器件制备技术。本发明包括上电极、源区和漏区，从上到下各层依次为：PZT铁电薄膜、多晶硅、绝缘层、阱和Si基片，上电极位于PZT铁电薄膜上。本发明的有益效果是，克服了一般铁电存储效应器件界面性差，工作电压高的缺点，并具有良好的存储性能；本发明还提供了制备该铁电场效应晶体管方法，该方法工艺简单，并且与半导体工艺相兼容。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，具体涉及一种MFPIS结构的铁电场效应晶体管存储器件制备技术。
背景技术
铁电场效应晶体管(Ferroelectric Field Effect Transistors，FFET)是以铁电薄膜作为晶体管中的栅介质层，通过栅极极化状态实现对漏-源电流的调制，根据漏-源电流的相对大小来读取存储信息的一种铁电存储器。铁电场效应晶体管的读出不需要使栅极极化反转，是一种非破坏性读出(NDRO)的存储器件。与其它非挥发性存储器相比，FFET具有工作电压低，存储密度高，功耗小以及读写次数高的优点，在信息存储技术领域具有重大的应用前景。
铁电薄膜直接淀积在Si衬底上时，高的漏电流是常见问题。它是由于铁电薄膜与硅衬底间存在着严重的界面反应和相互扩散，使得铁电薄膜和硅衬底之间很难形成好的界面态从而影响了FFET器件的性能。为了解决这个问题，Hirai等人(见Hirai T，Teramoto K，Nishi T，et al.Formation of Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductorstructure with a CeO2 buffer layer.Jpn.J.Appl.Phys.，1994，33：5219-5222)在铁电薄膜和硅衬底之间***一层CeO2作绝缘层，形成了Metal/Ferroelectric/Insulator/Si(MFIS)结构的铁电场效应晶体管。CeO2淀积在Si衬底上，会形成SiO2，而且CeO2不能太薄，太薄了会增加漏电流，影响器件的存储性能，过厚了又会导致工作电压过高。
SiTokumitsu等人(见Tokumitsu E，Fujii G，Ishiwara H.Nonvolatileferroelectric-gate field-effect transistors usingSrBi2Ta2O9/Pt/SrTa2O6/SiON/Si structures.Appl.Phys.Lett.，1999，75：575-577)在MFIS的基础上再加一层底电极Pt，形成了Metal/Ferroelectric/Metal/Insulator/Si(MFMIS)结构的铁电场效应晶体管，通过调节上下电容的面积比，可以降低工作电压，但是工艺步骤较多。
如何寻找一种工艺简单，又能克服界面态以及过高工作电压是这种器件面临的问题，以下列举已有专利提出的一些解决方法。
1美国专利：Structure of high dielectric constantmetal/dielectric/semiconductor capacitor for use as the storge capacitor inmemory devices
专利号：US5338951
授权日：1994.8.16
该专利利用ZrO2、LaO2和TiO2作为过渡层，形成了MFIS结构的铁电场效应晶体管，但是氧化物的过渡层在高温退火中会和Si形成SiO2，会导致过高的工作电压。
2美国专利：Non-volatile semiconductor memory of a metal ferroelectricfield effect transistor
专利号：US5768185
授权日：1998.6.16
该专利使用MFMIS结构的铁电场效应晶体管，在底电极和过渡层之间要加上Ti、Ta、TiN加强粘附性，过渡层为SiO2、MgO和CaF2，这种结构工艺复杂。
3美国专利：Fabrication method and structure for ferroelectricnonvolatile memory field effect transistor
专利号：US6815219
授权日：2004.11.9
该专利利用MgO/SiO2共同组成过渡层，形成MFIS结构的铁电场效应晶体管，由于MgO/SiO2层的分压作用，也会导致过高的工作电压。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁电场效应晶体管存储器件结构，该器件可以克服现有技术工作电压高的缺点；本发明的另一个目的是提供制备该铁电场效应晶体管结构方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
铁电场效应晶体管存储器件结构，包括上电极、源区和漏区，从上到下各层依次为：PZT铁电薄膜、多晶硅、绝缘层、阱和Si基片，上电极位于PZT铁电薄膜上。
进一步的说，源区为n+源区，漏区为n+漏区，阱为p阱。或者源区为p+源区，漏区为p+漏区，阱为n阱。
所述绝缘层材料为SiO2。
本发明还提供一种制备前述铁电场效应晶体管存储器件结构的方法，包括以下步骤：
(1)在Si基片上形成p阱；
(2)表面热氧化一层薄SiO2作为绝缘层，厚度5nm-30nm；
(3)淀积多晶硅；
(4)注入磷离子形成n+源区和n+漏区，并对多晶硅掺杂；
(5)对衬底基片表面淀积PZT铁电薄膜；
(6)刻蚀出PZT铁电薄膜图形；
(7)制备上电极，并采用剥离方法得到上电极图形；
(8)对PZT铁电薄膜实行快速退火；
(9)制备SiO2绝缘层；
(10)刻蚀掉源区、漏区和栅区的SiO2，得到源、漏和栅电极窗口；
(11)溅射Al金属层，反刻Al金属层得到源、漏和栅极。
或者，步骤(1)中形成n阱，步骤(4)注入氮离子形成p+源区和p+漏区。
本发明的有益效果是，克服了一般铁电存储效应器件界面性差，工作电压高的缺点，并具有良好的存储性能；本发明还提供了制备该铁电场效应晶体管方法，该方法工艺简单，并且与半导体工艺相兼容。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明铁电场效应晶体管器件单元截面示意图。
图2为本发明铁电场效应晶体管器件漏源电流-栅压(Ids-Vgs)曲线图。
具体实施方式
参见图1。
本发明的铁电场效应晶体管由衬底、源区、漏区和位于源区和漏区之间的栅区组成，衬底为(100)晶向的n型单晶硅片101。在注入形成p阱102后，表面热氧化一层SiO2 103作为绝缘层。
本发明也包括在n型单晶硅片直接形成p沟道的晶体管。
铁电场效应晶体管存储器件结构，包括Pt上电极108、n+源区104和n+漏区105，从上到下各层依次为：PZT铁电薄膜107、多晶硅106、SiO2绝缘层103、p阱102和Si基片101，上电极108位于PZT铁电薄膜107上。
上述铁电场效应晶体管的制备方法依次包括以下步骤：
清洗Si基片101；
在Si基片上注入形成p阱102；
表面热氧化一层薄SiO2 103作为绝缘层，厚度5nm-30nm；
LPCVD淀积poly-Si 106；
采用自对准工艺注入磷离子形成n+源区104和n+漏区105，并对poly-Si 106掺杂；
采用射频磁控溅射方法对进行n+离子注入的衬底基片表面淀积PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)107铁电薄膜；
刻蚀出PZT 107铁电薄膜图形；
采用直流磁控溅射方法制备Pt 108上电极，并采用剥离方法得到Pt 108上电极图形；
对PZT 107铁电薄膜实行快速退火；
LPCVD制备SiO2 109绝缘层；
刻蚀掉源区、漏区和栅区的SiO2 109，得到源、漏和栅电极窗口；
直流溅射Al 110金属层，反刻Al 110金属层得到源、漏和栅极。
图2为本发明铁电场效应晶体管器件漏源电流-栅压(Ids-Vgs)曲线，横坐标为Vgs，纵坐标为Ids。测试表明，栅电压在-5V和+5V之间，器件的存储窗口为2.6V，完全满足器件的实际应用。
在n型单晶硅片直接形成p沟道的晶体管的制备方法与前述实施例的制备方法类似，不再赘述。
Claims (6)
1、铁电场效应晶体管存储器件结构，包括上电极(108)、源区(104)和漏区(105)，其特征在于，从上到下各层依次为：PZT铁电薄膜(107)、多晶硅(106)、绝缘层(103)、阱(102)和Si基片(101)，上电极(108)位于PZT铁电薄膜(107)上。
2、如权利要求1所述的铁电场效应晶体管存储器件结构，其特征在于，源区(104)为n+源区，漏区(105)为n+漏区，阱(102)为p阱。
3、如权利要求1所述的铁电场效应晶体管存储器件结构，其特征在于，源区(104)为p+源区，漏区(105)为p+漏区，阱(102)为n阱。
4、如权利要求1所述的铁电场效应晶体管存储器件结构，其特征在于，所述绝缘层(103)材料为SiO2。
5、制备权利要求1所述的铁电场效应晶体管存储器件结构的方法，包括以下步骤：
(1)在Si基片上注入形成p阱(102)；
(2)表面热氧化一层薄SiO2(103)作为绝缘层，厚度5nm-30nm；
(3)淀积多晶硅(106)；
(4)注入磷离子形成n+源区(104)和n+漏区(105)，并对多晶硅(106)掺杂；
(5)对进行n+离子注入的衬底基片表面淀积PZT铁电薄膜(107)；
(6)刻蚀出PZT(107)铁电薄膜图形；
(7)制备上电极(108)，并采用剥离方法得到上电极(108)图形；
(8)对PZT铁电薄膜(107)实行快速退火；
(9)制备SiO2绝缘层(109)；
(10)刻蚀掉源区、漏区和栅区的SiO2(109)，得到源、漏和栅电极窗口；
(11)溅射Al(110)金属层，反刻Al(110)金属层得到源、漏和栅极。
6、制备权利要求1所述的铁电场效应晶体管存储器件结构的方法，包括以下步骤：
(1)在Si基片上注入形成n阱(102)；
(2)表面热氧化一层薄SiO2(103)作为绝缘层，厚度5nm-30nm；
(3)淀积多晶硅(106)；
(4)注入氮离子形成p+源区(104)和p+漏区(105)，并对多晶硅(106)掺杂；
(5)对进行p+离子注入的衬底基片表面淀积PZT铁电薄膜(107)；
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(7)制备上电极(108)，并采用剥离方法得到上电极(108)图形；
(8)对PZT铁电薄膜(107)实行快速退火；
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