CN109920848A - 无界面层的ZrO2基反铁电存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无界面层ZrO₂基反铁电存储器，主要解决现有存储器存在的唤醒效应、印刻效应和极化疲劳而导致的保持特性较差的问题。其自下而上包括衬底(1)、栅介质层(2)、栅电极(3)；衬底(1)两边设有源电极(4)和漏电极(5)；其特征在于：栅介质层(2)采用ZrO₂基反铁电材料，以消除唤醒效应、印刻效应和极化疲劳。本发明可达到10ns级别的写入速度，具有长达十年以上的保持特性，能获得更好的耐久特性，且与CMOS工艺具有很好的兼容性，可用于非易失性存储设备。

Description

无界面层的ZrO2基反铁电存储器

技术领域

本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种ZrO₂基反铁电存储器，可用于非易失性存储设备。

技术背景

存储器作为集成电路产业里最重要的一部分，产量大，应用广，一直备受关注。存储器主要分为易失性存储器和非易失性存储器，传统的易失性存储器要求读写速度快，但断电时数据丢失，需不断周期性刷新数据；非易失性存储器可以保持数据，但写入速度慢，写入功耗大。随着电子信息领域的迅速发展，人们对高性能的存储器的需求也越来越高。相对于传统存储器，新型材料和新型结构的存储器具有更高的密度，更快的写入速度和更低的功耗等优点。

铁电存储器作为一种最具潜力的新型存储器，因其具有低功耗，高存储密度，读写速度快，非易失性和CMOS工艺兼容的优点，而被广泛应用于电子信息领域，这些优点都得益于铁电材料的特殊物理特性。铁电材料具有自发极化的特性，调节铁电材料上的电场，使铁电电畴具有两种不同极化取向，铁电材料可以保持在不同的剩余极化状态，利用非易失特性使铁电材料应用于非易失性铁电存储器。但目前研究的基于HfO₂的铁电薄膜的存储器由于在铁电薄膜和衬底之间界面质量较差，因而会产生唤醒效应、印刻效应和极化疲劳，导致存储器可靠性严重降低。同时由于铁电薄膜本身具有相对较高的剩余极化强度，会造成明显的极化退化现象，使得存储器的保持特性和耐久性较差。

目前有研究表明，反铁电材料具有较低的剩余极化，并且可以有效避免唤醒效应、印刻效应和极化疲劳，将反铁电材料应用于存储器会有更好的数据保持特性，具有非常好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无界面层ZrO₂基反铁电存储器，以避免存储器中存在的唤醒效应、印刻效应和极化疲劳，提高存储器保持特性。

为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案：

技术方案1，一种无界面层ZrO₂基反铁电存储器，自下而上包括衬底、栅介质层、栅电极；衬底两边设有源电极和漏电极；其特征在于：栅介质层采用无掺杂ZrO₂材料，以避免存储器中的唤醒效应、印刻效应和极化疲劳。

进一步，所述衬底采用硅Si，锗Ge，硅锗SiGe，绝缘体上硅SOI，绝缘体上锗GOI中的任意一种。

进一步，所述栅电极采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。

技术方案2，一种ZrO₂基反铁电负电容场效应晶体管，自下而上包括衬底、栅介质层、栅电极；衬底两边设有源电极和漏电极；其特征在于：栅介质层采用含掺杂ZrO₂材料，以避免存储器中的唤醒效应、印刻效应和极化疲劳。

进一步，所述含掺杂的ZrO₂材料，其掺杂剂包括碳C、硅Si、镁Mg、铝Al、钇Y、氮N、锗Ge、锡Sn、锶Sr、铅Pb、钙Ca、钡Ba、钛Ti、钆Gd和镧La中的至少一种元素。

本发明与现有技术相比，由于将反铁电材料ZrO₂基应用到存储器，可以达到10ns级别的写入速度，长达十年以上的保持特性，可获得更好的耐久特性，且与CMOS工艺具有很好的兼容性。

附图说明

图1为本发明第一实例无界面层ZrO₂基反铁电存储器的截面示意图；

图2为本发明第一实例的制作流程示意图；

图3为本发明第二实例无界面层ZrO₂基反铁电存储器的截面示意图；

图4为本发明第二实例的制作流程示意图；

具体实施方式

实施例1

参照图1，本实例包括衬底1、栅介质层2、栅电极3、源电极4和漏电极5。衬底1、栅介质层2和栅电极3自下而上设置；源电极4和漏电极5设置在衬底1的两边。其中，衬底1采用硅Si，锗Ge，硅锗SiGe，绝缘体上硅SOI，绝缘体上锗GOI中的任意一种，本实例采用锗Ge；栅介质层2采用氧化锆材料，以避免存储器中的唤醒效应、印刻效应和极化疲劳；栅电极3采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种,本实例采用但不限于氮化钽；源电极4和漏电极5都采用NiGe，能有效减小源漏金属接触电阻。

参照图2，本实例1的制作步骤如下；

步骤1，选择衬底。

本实例选择n型锗片Ge作为衬底1，该衬底的表面为(100)晶面。

步骤2，沉积反铁电ZrO₂薄膜，图2(a)所示。

用等离子体增强型原子层沉积PEALD设备在衬底1上沉积5nm反铁电ZrO₂作为栅介质层2，沉积的工艺条件为：使用四二甲氨基锆作为前驱体锆源，水为前驱体氧源，沉积温度为250度。

步骤3，采用射频反应磁控溅射设备在反铁电ZrO₂栅介质2上沉积100nm氮化钽TaN，作为栅电极，如图2(b)所示。

步骤4，定义栅电极图形及离子注入，如图2(c)所示。

在TaN表面先进行光刻定义栅电极图形，再刻蚀形成栅电极3和源漏区域，然后进行BF₂ ⁺离子注入，注入能量为30Kev，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2。

步骤5，在图2(c)所示的结构表面进行光刻，定义出需要沉积金属镍的区域，沉积20nm厚的Ni，放入丙酮溶液中进行剥离处理，形成源电极4和漏电极5，如图2(d)所示。

步骤6，将整个制作完的器件在500度30s条件下退火激活。

实施例2

参照图3，本实例包括衬底1、栅介质层2、栅电极3、源电极4和漏电极5。衬底1、栅介质层2和栅电极3自下而上设置；源电极4和漏电极5设置在衬底1的两边。其中衬底1，采用绝缘体上锗片GOI；栅介质层2，采用含掺杂的氧化锆材料；栅电极3，采用但不限于氮化钽；源电极4，采用NiGe；漏电极5，采用NiGe。

所述含掺杂的ZrO₂材料，其掺杂剂包括碳C、硅Si、镁Mg、铝Al、钇Y、氮N、锗Ge、锡Sn、锶Sr、铅Pb、钙Ca、钡Ba、钛Ti、钆Gd和镧La中的至少一种元素。本实例采用但不限于掺杂钇的ZrO₂材料。

参照图4，本实例2的制作步骤如下；

步骤一，选择衬底。

本实例选择n型绝缘体上锗片GeOI作为衬底1，该衬底的表面为(100)晶面。

步骤二，沉积掺杂钇的ZrO₂薄膜，如图4(a)所示。

用等离子体增强型原子层沉积PEALD设备在氧化铝薄膜上沉积5nm掺杂钇的ZrO₂作为栅介质层2，沉积的工艺条件为：使用四二甲氨基锆作为前驱体锆源，三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)钇作为Y源，水为前驱体氧源，沉积温度为250度。

步骤三，采用射频反应磁控溅射设备在反铁电ZrO₂栅介质2上沉积100nm氮化钽TaN，作为栅金属如图4(b)所示。

步骤四，定义栅电极图形及离子注入，如图4(c)所示。

在TaN表面先进行光刻定义栅电极图形，然后刻蚀形成栅电极3和源漏区域，接着进行BF₂ ⁺离子注入，注入能量为30Kev，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2。

步骤五，在图4(c)所示的结构表面进行光刻，定义出需要沉积金属镍的区域，沉积20nm厚的Ni，放入丙酮溶液中进行剥离处理，形成源电极4和漏电极5，如图2(d)所示。

步骤六，将整个制作完的器件在500度30s条件下退火激活。

以上描述仅是本发明的两个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无界面层ZrO₂基反铁电存储器，自下而上包括衬底(1)、栅介质层(2)、栅电极(3)、源电极(4)和漏电极(5)，该源、漏电极位于衬底(1)的两边，其特征在于：栅介质层(2)采用无掺杂ZrO₂材料，以避免唤醒效应、印刻效应和极化疲劳。

2.根据权利要求1所述的无界面层ZrO₂基反铁电存储器，其特征在于，衬底(1)为半导体材料，包括硅Si，锗Ge，硅锗SiGe，绝缘体上硅SOI，绝缘体上锗GOI。

3.根据权利要求1所述的无界面层ZrO₂基反铁电存储器，其特征在于栅电极(3)采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的一种。

4.一种无界面层ZrO₂基反铁电存储器，自下而上包括衬底(1)、栅介质层(2)、栅电极(3)、源电极(4)和漏电极(5)，该源、漏电极位于衬底的两边，其特征在于：栅介质层(2)采用含掺杂的ZrO₂材料，以避免唤醒效应、印刻效应和极化疲劳。

5.根据权利要求4所述的无界面层ZrO₂基反铁电存储器，所述含掺杂的ZrO₂材料，其掺杂剂包括碳C、硅Si、镁Mg、铝Al、钇Y、氮N、锗Ge、锡Sn、锶Sr、铅Pb、钙Ca、钡Ba、钛Ti、钆Gd和镧La中的至少一种元素。