专利名称：一种基于半导体纳米材料的铁电场效应晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明属于纳电子器件领域，具体涉及一种使用一维半导体纳米材料作为导电通道的铁电场效应晶体管。本发明还涉及该铁电场效应晶体管的制备方法。
背景技术：
铁电场效应晶体管(以下简称“FeFET”)以金属/铁电体/半导体(Metal/Ferroelectric/Semiconductor，MFS)结构作为基本存储单元，它以铁电薄膜取代半导体场效应晶体管中的栅介质层，通过改变栅极极化状态(±Pr)实现对源-漏电流的调制，使它或者处于导电的“开通”状态或者处于断开的“截止”状态。当给栅极施加写脉冲时，铁电薄膜被永久极化，源漏关闭，处于“0”态；若再施加一个反向的脉冲，源漏则导通为“1”态。这样，根据源漏电流的大小可以读出存储在铁电薄膜中的信息(“0”或“1”)，而无需使栅介质的极化状态反转。因此，FeFET存储器具有非破坏性读出(Non-destructive Read Out，NDRO)的特性。与其它非挥发性存储器，如快闪存储器(Flash Memory)、电可擦写存储器(EEPROM)相比，更具有低驱动电压、低功耗和高擦写次数等优点；与另一种商用化铁电存储器-铁电随机存储器(Ferroelectric RandomAccess Memory，FRAM)相比，FeFET存储器具有存储密度更高、读写速度更快、功耗更低、电路更简单和非破坏性读出的优势，在计算机存储领域有着重大的应用价值和广阔的市场前景。
回顾铁电存储器的发展历程，早在1952年，Bell实验室的J.R.Anderson(见J.R.Anderson，Ferroelectric storage elements fordigital computers and switching system，Electr.Engineering，1952，71916-922)就提出了铁电电容存储器的构想。但是由于当时对于铁电体认识上的局限性特别是“半选干扰”和“疲劳”问题，这种结构的铁电存储器的研究工作暂时被搁置了。J.L.Moll和Y.Tarui在1963年提出了早期的FeFET存储器设想(见J.L.Moll，Y.Tarui，A new solidstate memory resistor.IEEE Trans.Electron Devices，1963，ED-10338-341)。这种早期的铁电体-半导体器件是在一块铁电单晶上蒸发一层半导体薄膜而制备的共平面底栅台面结型FeFET。直到1974年，Y.S.Wu(见Y.S.Wu，A new ferroelectric memory device，metal-ferroelectric-semiconductor transistor，IEEE Trans.Electron Devices，1974，ED-21(8)499-504)发布了第一个由MFS结构所构成的FeFET。这种结构与标准的金属-绝缘体-半导体结构(MIS)相似，只是用铁电体取代了绝缘体。但是这种结构的器件存在一个F-S的直接界面，从而导致了FeFET性能上极大的折损，虽然通过在F-S界面之间加入一层过渡缓冲层(见Arimoto and Ishiwara H.MRS Bull，2004，29，823)降低界面态能够改善漏电流和保持力，但是界面问题并没有从根本上得到解决，F-S界面问题成为制约FeFET存储器发展的最大障碍。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出了一种从根本上解决FeFET存储器中存在的F-S界面问题的方法，从而为FeFET存储器的产业化应用铺平道路。本发明采用具有完美结构的一维半导体纳米材料(如单壁碳纳米管)替代硅材料作为FeFET的导电通道，利用其优异的力、热学性能，从根本上克服硅基器件遇到的F-S界面问题，而一维半导体纳米材料优异的电学特性又保证了器件具有媲美硅基器件的工作特性。同时，由于本发明采用更短更小的一维纳米材料，以及“自下而上”的纳器件制备方法，故而将对工艺流程的简化和器件集成度的提高产生深远的影响。本发明还提供了制备基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管存储器的具体方法，此方法工艺简洁，与半导体IC工艺兼容。
为实现上述目的，本发明的铁电场效应晶体管由硅衬底(1)和沉积在其上的栅区(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维半导体纳米材料导电通道(4)组成，源区(3)和漏区(5)均为几十纳米厚的铂金层，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上，栅区(2)为铁电材料薄膜层，进一步，所述硅衬底(1)由重掺杂的硅片或铂硅基片制成；所述栅区(2)由由铁电材料薄膜制成。
进一步，所述铁电材料为钛酸钡(BTO)、钛酸锆铅(PZT)、钽酸锶铋(SBT)、钛酸铋镧(BLT)等。
进一步所述源区(3)和漏区(5)的金属膜优选为均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。
上述基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管的制备方法，依次采取以下步骤(1)清洗硅基片，以用作衬底(2)在硅基片上沉积铁电材料薄膜；(3)在铁电薄膜上所需部分布散一维半导体纳米材料；(4)在硅基片上和半导体纳米材料上涂布光刻胶，通过光刻形成了源/漏区的光刻图形，(5)在光刻图形上镀上金属膜，再清洗掉光刻胶，得到源/漏电极；(6)最后将器件在氮气或氩气下退火。
本发明以BaTiO3铁电薄膜(或其它铁电材料)作为存储栅介质，制作了Pt-BaTiO3-SWCNT的MFS结构，成功得到了具有一定存储特性的基于单壁碳纳米管的非易失铁电场效应晶体管。由于采用了具有完美结构和优异力、热、电、光学性能的一维材料(如单壁碳纳米管)作为导电通道，本发明从根本上克服了一般铁电场效应晶体管的F-S界面问题，从而扫清这一制约FeFET存储器发展的最大障碍；并且由于采用更短更小的一维纳米线材料，和“自下而上”的纳器件制备方法，更加便于未来器件的制备工艺的简化以及集成度的提升。该“自下而上”工艺是从纳米材料单元做起，实现微电子器件功能，它相对于“自上而下”而言，“自上而下”是从块材做起，通过工艺加工使之尺寸变小到微米甚至纳米量级。“自下而上”是微电子领域公知的常识。
同时，这一工艺与现有的半导体IC工艺完全兼容，而且简洁的制作工艺能够有效地提高器件的成品率。最后，本发明的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管存储器，不仅具有铁电随机存储器的所有优点，如高集成度，高速，低功耗，并且具有非破坏性读取和结构更加简单紧凑的额外优势。本发明将为未来的铁电场效应晶体管存储器的应用开辟广阔的空间。
图1a为本发明铁电场效应晶体管单元截面示意图；
图1b为本发明铁电场效应晶体管俯视图；图2为本发明铁电场效应晶体管制备方法流程图；图3为本发明铁电场效应晶体管的制备过程示意图；图4为本发明铁电场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-VGS转移特性曲线图；图5为本发明铁电场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-VDS输出特性曲线。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1a-图1b所示，本发明基于一维半导体纳米材料(此处以“单壁碳纳米管”材料为例)的铁电场效应晶体管由衬底1、栅区2、源区3、漏区5和位于源区3和漏区5之间的单壁碳纳米管材料导电通道4组成。栅区2由300纳米的BaTiO3铁电薄膜构成，源区3和漏区5均为几十纳米的铂金，单壁碳纳米管材料导电通道4在制作源区3和漏区5之前已经被均匀布散在栅区2上。若干个类似的上述铁电场效应晶体管可以集成为铁电场效应晶体管集成。
平面铁电场效应晶体管的制备是一个复杂的工艺过程，需要涉及光刻，离子注入，薄膜制备等诸多技术。本发明由于用一维纳米线材料取代硅材料做为导电通道，并且采用“自下而上”的纳器件制备方法，使得工艺流程大为简化。根据反复试验，本发明给出了如图2所示的工艺流程，具体为1.清洗基片以用作衬底将基片依次放入丙酮、酒精和去离子水中各超声波清洗5分钟2.沉积BaTiO3铁电材料薄膜在清洗过的基片衬底上均匀沉积一层BaTiO3铁电薄膜，膜厚约300纳米。
3.布散单壁碳纳米管材料将上述沉积上BaTiO3铁电薄膜的基片取出，在所需部分均匀布散上单壁碳纳米管材料。本申请并不限于使用上述的单壁碳纳米管纳米材料，其他公知的一维半导体纳米材料，如纳米管、纳米线、纳米带均可适用。
其中用来布散一维半导体纳米材料的液体是二氯乙烷。
4.通过光刻形成源/漏区的光刻图形用匀胶机在基片和半导体纳米材料上涂布光刻胶，烘烤后用电极掩模版对光刻胶进行曝光，然后进行显影和烘烤，这样就形成了源/漏区的光刻图形；光刻时源漏电极相距300纳米到2微米。
5.在光刻图形上镀上金属膜得到源/漏电极在光刻图形上镀上金属膜，后采用“剥离(Lift-off)”工艺，清洗掉光刻胶得到几十纳米厚的源/漏电极。优选为源/漏电极的结构均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。
6.最后退火在氮气或氩气保护下于350-400摄氏度进行后退火，以改善源/漏电极与一维半导体纳米材料导电通道之间的接触，提高器件性能。
至此，基于单壁碳纳米管材料的铁电场效应晶体管制备完毕，其器件结构和整个工艺过程分别如图1和图3所示。
图4-图5从几个方面对本发明的技术效果作进一步详述。
图4为一维半导体纳米材料铁电场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-VGS的特性曲线。测试时保持源漏电压VDS＝0.1V不变，而栅极电压VGS逐步从+6V减小到-6V，再从-6V逐步增加到+6V，每步步长均为0.3V。可以看到，栅极电压上升和下降过程所对应的IDS-VGS曲线并不重合，说明不同的栅极电压变化过程对应的沟道电流IDS不同，而传统MOS场效应晶体管并没有这种现象，这种“顺时针”的回滞现象可以归因于栅极铁电薄膜的极化效应。发明人还进一步看到，栅极电压下降时，只有当栅极电压小于2V时沟道才开始导通，而上升时只有当栅极电压大于4V时沟道才能够被截至。这说明FeFET的阀值电压不是唯一的，它与栅极电压的变化过程即铁电薄膜的极化过程相关联。从图4还可以得到，栅极电压上升或者下降时的跨导均约为15nA/V；该器件的铁电记忆窗口约为4V；在源漏电压VDS＝0.1V下，读栅极电压VGS＝2V时，该FeFET的铁电开关比约为100。。
图5为单壁碳纳米管材料铁电场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-VDS输出特性曲线。从图中我们可以看到，当VGS＝5V时，器件处于截至状态；而当VGS减小到2V时，器件开始导通。这与我们从图4中得到的结论是相一致的。
1.存储特性本发明采用与上述IDS-VDS特性测试同样的测试设备和结构，进行了器件存储性能的测试。具体的方法是先在栅极上施加一写栅极电压，如6V，使栅极铁电薄膜极化，撤除写栅极电压1分钟后，当该写栅极电压为0V时，在源漏电压为0.1V的条件下，重复测试其沟道电流。我们发现，施加+6V或-6V的写栅极电压，分别得到了2nA的截止电流(对应铁电薄膜为“0”态)或35nA的导通电流(对应铁电薄膜为“1”态)，如图4所示，表示存储特性的数百个测量点分别聚集在“0”态和“1”态两处。实际上，撤去写栅极电压数小时后，存储性能测试仍给出相同的结果。这些说明该FeFET存储器具有非破坏性读取的功能，并且其开关特性具有一定保持力，即经过较长时间，沟道电流仍能够维持不变。综上所述，本发明基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管实现了信息存储和非破坏读取的功能。利用一维半导体纳米材料作为铁电场效应晶体管的导电通道，制作了基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管存储器，克服一般铁电场效应晶体管存储器界面特性差的缺点，同时采用“自下而上”的纳器件制备方法，简化了制作工艺，并且给予器件更高潜在的集成度。鉴于一维半导体纳米材料具有完美的结构和优异的力、热、电学性能，这种FeFET存储器将会有更优越的应用性能。
权利要求
1.一种基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，该铁电场效应晶体管由衬底(1)和沉积在其上的铁电材料薄膜作为栅区(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维半导体纳米材料导电通道(4)组成，源区(3)和漏区(5)均为几十纳米厚的金属膜，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上，其中栅区(2)为铁电材料薄膜层，与硅衬底同时作为栅极。
2.如权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的场效应晶体管，其特征在于，所述衬底(1)由重掺杂的硅片或铂硅基片制成或其它材料；所述栅区由铁电材料薄膜制成。
3.如权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述源区(3)和漏区(5)的金属膜均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。
4.如权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述一维半导体纳米材料为半导体纳米管或纳米线或纳米带。
5.如权利要求1-3中任一项所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述铁电材料薄膜可为钛酸钡(BTO)、钛酸锆铅(PZT)、钽酸锶铋(SBT)、钛酸铋镧(BLT)材料中任意一种。
6.根据权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管的制备方法，其具体步骤如下(1)清洗基片，以用作衬底(2)在基片上沉积铁电材料薄膜；(3)在铁电薄膜上所需部分布散一维半导体纳米材料；(4)在基片上和半导体纳米材料上涂布光刻胶，通过光刻形成了源/漏区的光刻图形，(5)在光刻图形上镀上金属膜，再清洗掉光刻胶，得到源/漏电极；(6)最后将器件在氮气或氩气下退火。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)光刻时源漏电极相距300纳米到2微米。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)退火的温度为350-400℃。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，其中一维半导纳米材料为半导体纳米管或纳米线或纳米带。
10.如权利要求5-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述铁电材料薄膜可为钛酸钡(BTO)、钛酸锆铅(PZT)、钽酸锶铋(SBT)、钛酸铋镧(BLT)材料中任意一种。
全文摘要
本发明公开了一种采用一维半导体纳米材料替代硅材料作为导电通道的铁电场效应晶体管及其制备方法。该铁电场效应晶体管由衬底(1)和沉积在其上的栅区(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维半导体纳米材料导电通道(4)组成，源区(3)和漏区(5)均为几十纳米厚的金属层，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上，栅区(2)为铁电材料薄膜层。其是一种在断电时不会丢失信息的非易失存储器，它除了具有铁电随机存储器的高密度、高速度、低功耗和抗辐射等优点，还具有非破坏性读出以及结构更加简单紧凑的特点。同时，该种铁电场效应晶体管制作工艺简单，并且给予器件更高潜在的集成度。
文档编号H01L21/336GK101075636SQ20071009932
公开日2007年11月21日 申请日期2007年5月16日 优先权日2007年5月16日
发明者王恩哥, 符汪洋, 白雪冬 申请人:中国科学院物理研究所