基于四方相铁酸铋的mfis结构及制备方法
【专利摘要】本发明提供一种基于基于四方相铁酸铋的MFIS结构及制备方法，其中基于四方相铁酸铋的MFIS结构，包括：一单晶Si衬底；一绝缘介质层，其制作在半导体单晶Si衬底上，该绝缘介质层能有效防止单晶Si衬底中Si原子的高温扩散和化学反应，有效降低MFIS结构的电荷注入效应并防止击穿现象发生；一T-BiFeO3铁电功能层，其制作在绝缘介质层上，该T-BiFeO3铁电功能层是基于四方相铁酸铋MFIS结构的信息存储载体，它具有较大的铁电矫顽场和较高的铁电极化，能有效增大MFIS结构的存储窗口；一金属栅顶电极，其制作在T-BiFeO3铁电功能层上；一背电极，其制作在单晶Si衬底的背面。
【专利说明】基于四方相铁酸铋的MFIS结构及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非易失信息存储【技术领域】，尤其涉及一种基于四方相铁酸铋(T-BiFeO3)的MFIS (金属铁电-绝缘半导体)结构及制备方法，该T-BiFeO3铁电体具有较大的矫顽场和较高的铁电极化强度，能有效提高MFIS结构存储单元的记忆窗口。本发明首次实现T-BiFeO3与晶硅(Si)半导体的集成并完成了 MFIS存储器件的制备，在非易失信息存储应用领域具有巨大的应用前景。
【背景技术】
[0002]半导体信息存储器在与人们日常生活息息相关的计算机、半导体通讯、人工智能设备等领域扮演着极其重要的角色。当前半导体存储器可分为两类:一类是易失性的，即掉电后数据丢失，如计算机内存DRAM;另外一类是非易失性的，即数据在掉电后仍可长时间保存，如EEPR0M、USB卡等。然而，这类非易失存储器由于高写入电压、宽脉冲、操作复杂、读写次数非常有限(?IO6次)等特征，很难满足市场对存储器高集成度、低能耗、长寿命的需求。因此，人们将目光投向下一代基于新材料和新工作原理的新型非易失存储器，如铁电存储器(FeRAM)、相变存储器(PCM)、磁阻存储器(MRAM)以及阻变存储器(RRAM)等。
[0003]作为新型非易失存储器之一，FeRAM具有高的重复擦写次数，低功耗，理论上长达10年的存储寿命等优点，极具市场应用前景。目前，FeRAM在应用上又可分为两类:(I) ITlC结构，由一个晶体管(IT)和一个铁电电容器(IC)构成；(2)FeFET,由基于铁电栅极的场效应晶体管构成。相比ITlC结构而言，FeFET不仅具备其所有优点，还具有非破坏性数据读取、高集成度、低功耗等特点。FeFET核心结构主要是由金属铁电半导体组成，通过铁电体两种不同极化取向存储信息，极化方向不同可控制漏源间反型层沟道的导通和关闭，从而形成漏源电流高和低两种信息读取状态。然而，由于铁电层通常在高温下制备，容易与下层Si衬底发生互扩散，形成较大陷阱密度，这会使器件保持性能变差，严重时会使器件失效。为了提高界面质量，通常会在铁电层与Si衬底间加入一层高K绝缘层，形成金属-铁电-绝缘-半导体存储(MFIS)结构。
[0004]表征MFIS结构存储器件的一个重要的性能指标是记忆窗口(Vm)，窗口 Vm越大，器件在应用中的信号串扰就越小。理论上，Vm与铁电功能层的矫顽场E。、厚度df有一定比例关系，即Vm = 2民七，这意味着铁电层的矫顽场越大，器件的存储窗口就越大。四方相铁酸铋(T-BiFeO3)是目前发现具有最大矫顽场的铁电体，高达1000KV / cm左右，这对于T-BiFeO3在FeFET方面应用有着得天独厚的优势。然而，T-BiFeO3在热力学上是亚稳相，目前研究一般认为T-BiFeO3只有在与它有较大失配比的衬底(如:LaA103，YAlO3, LaSrAlO4等)上才能生长得到，还未见有在半导体Si衬底上生长T-BiFe03的报道。我们通过引入合适的缓冲层，如Ce02、Hf02和Bi2SiO5,与半导体Si衬底和T-BiFeO3铁电功能层的失配度均很小(I %左右)，比较适合T-BiFeO3在Si上生长。同时，CeO2, HfO2和Bi2SiO5也作为器件的绝缘介质层，它有较高的介电常数(15-30)，且Ce02、HfO2和Bi2SiO5与Si界面处电荷注入和捕获很少，因此是作为基于T-BiFeO3的金属-铁电-绝缘-半导体结构绝缘介质层的绝佳选择。本发明首次实现T-BiFeO3与半导体Si的集成，这将有效地提高金属-铁电-绝缘-半导体器件结构的记忆窗口，对器件的实际应用有着重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于，提供一种基于四方相铁酸铋的MFIS结构及制备方法，工艺上实现了铁酸铋与半导体Si的集成，这对于有效提高基于T-BiFeO3金属铁电绝缘半导体器件的记忆窗口、以及器件市场应用都有着极其重要的意义。
[0006]为达到上述目的，提供一种一种基于四方相铁酸秘的MFIS结构,包括:
[0007]一单晶Si衬底；
[0008]一绝缘介质层，其制作在半导体单晶Si衬底上，该绝缘介质层能有效防止单晶Si衬底中Si原子的高温扩散和化学反应，有效降低MFIS结构的电荷注入效应并防止击穿现象发生；
[0009]一 T-BiFeO3铁电功能层，其制作在绝缘介质层上，该T-BiFeO3铁电功能层是基于四方相铁酸铋MFIS结构的信息存储载体，它具有较大的铁电矫顽场和较高的铁电极化，能有效增大MFIS结构的存储窗口 ；
[0010]一金属栅顶电极，其制作在T-BiFeO3铁电功能层上；
[0011]一背电极，其制作在单晶Si衬底的背面。
[0012]本发明还提供一种基于基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，包括如下步骤:
[0013]步骤1:将一单晶Si衬底清洗；
[0014]步骤2:在单晶Si衬底上依次生长绝缘介质层和T-BiFeO3铁电功能层；
[0015]步骤3:退火；
[0016]步骤4:在T-BiFeO3铁电功能层上生长金属栅顶电极；
[0017]步骤5:在单晶Si衬底的背面制作一背电极。
[0018]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0019]1.本发明提供的一种基于四方相铁酸铋的MFIS结构及制备方法，通过选择合适的绝缘介质层，能在半导体Si衬底上实现具有高度择优取向T-BiFeO3铁电功能层的生长，并制备基于T-BiFeO3的MFIS器件。
[0020]2.通过实验发现，本发明制备得到基于T-BiFeOa铁电体的金属-铁电-绝缘一半导体器件能有效提高器件的记忆窗口，记忆窗口在12V扫描电压下可达2V。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0022]图1为本发明的结构示意图；
[0023]图2为本发明的方法流程图；
[0024]图3为四方相铁酸铋生长在覆有Bi2SiO5绝缘介质层的Si衬底上的X射线衍射谱；
[0025]图4为四方相铁酸铋铁电体的金属铁电绝缘半导体器件的CV特性曲线图。【具体实施方式】
[0026]请参阅图1所示,本发明提供一种基于四方相铁酸秘的MFIS结构,包括:
[0027]一单晶Si衬底20，该单晶Si衬底20是为基于四方相铁酸铋MFIS结构提供载流子(电子或空穴)的信息读取载体，需具有(100)取向，P型和η型等掺杂类型均可，掺杂溶度为I X IO15-SXIOiW30该单晶Si衬底20需进行清洗，具体的清洗方式为:单晶Si衬底20依次在丙酮，乙醇，去离子水的溶液中进行超声清洗，清洗时间均为lOmin。清洗完成后的Si衬底在10% HF溶液中浸泡10-30s，除去极薄的表层Si02。
[0028]一绝缘介质层30，在清洗过的单晶Si衬底20上生长绝缘介质层30，该绝缘介质层30能有效防止单晶Si衬底20中Si原子的高温扩散和化学反应，平整基于四方相铁酸铋MFIS结构的界面，有效降低MFIS结构的电荷注入效应并防止击穿现象发生，提高整个MFIS结构的电学存储功能的稳定性。所述的绝缘介质层30的材料为Ce02、Hf02和Bi2SiO5，所述的绝缘介质层30的生长温度为200-900°C，氧分压为0.0l-lOOPa，沉积时间为2_30min，厚度为 3-100nm ；
[0029]一 T-BiFeO3铁电功能层40，其制作在绝缘介质层30上，该T-BiFeO3铁电功能层40是基于四方相铁酸铋MFIS结构的信息存储载体，它具有较大的铁电矫顽场和较高的铁电极化，能有效增大MFIS结构的存储窗口，降低信号串扰，同时能极大地提高将来非易失存储器件集成度。所述的T-BiFeO3铁电功能层40的生长温度为550750°C，生长室内压强为0.l_20Pa，氧分压为020Pa，生长功率为10500W，厚度为301000nm ；
[0030]一金属栅顶电极50，其制作在氧退火完成后T-BiFeO3铁电功能层40上选择性区域内，该金属栅顶电极50能与T-BiFeO3铁电功能层40形成良好的电学接触，防止接触电容的出现。所述的栅顶电极50的材料包括:Pt、Au或Al，直径为0.Ι-lOOOum，厚度为IOlOOOnm;本发明具体以Au作为栅顶电极为例进行说明。Au作为栅顶电极可采用磁控溅射法、脉冲激光沉积、热蒸发等方式生长，其生长温度可为25400°C，工作气体为高纯Ar气体，生长功率为80W，沉积时间为1080min ；
[0031]一背电极10，其制作在单晶Si衬底20的背面，该背电极10能与单晶Si衬底20形成有效的欧姆接触，防止接触结电容的出现以实现T-BiFeO3铁电功能层40对栅压利用的最大化，同时形成良好电学接触。所述的栅顶电极50的材料包括:Pt、Au或Al，直径为
0.Ι-lOOOum，厚度为 10-1000nm。
[0032]请参阅图2所示，本发明提供一种基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，包括如下步骤:
[0033]步骤1:将一单晶Si衬底20清洗；
[0034]步骤2:在单晶Si衬底20上依次生长绝缘介质层30和T-BiFeO3铁电功能层40，所述的绝缘介质层30的材料为Ce02、HfO2和Bi2SiO5，所述的绝缘介质层30的生长温度为200-900°C，氧分压为0.0l-lOOPa，沉积时间为2_30min，厚度为3-100nm，所述的T-BiFeO3铁电功能层40的生长温度为550-750°C，生长室内压强为0.l_20Pa，氧分压为0_20Pa，生长功率为10-500W，厚度为30-1000nm ；
[0035]步骤3:退火，将生长完成后的T-BiFeO3铁电功能层40进行原位退火，退火在10-100000Pa的氧气氛下，降温速率控制在1_10°C / min。[0036]步骤4:在T-BiFeO3铁电功能层40上选择区域内生长金属栅顶电极50，所述的栅顶电极50的材料包括:Pt、Au或Al，直径为0.Ι-lOOOum，厚度为IO-1OOOnm ；
[0037]步骤5:在单晶Si衬底20的背面制作一背电极10。
[0038]实施效果
[0039]按照上述实施例的工艺条件，通过选择合适的高K绝缘介质层，能在半导体Si衬底上生长得到T-BiFeO3铁电功能层，并得到相关的金属铁电绝缘半导体器件。本发明提供的一种基于四方相铁酸铋铁电体的金属铁电绝缘半导体结构制备方法，该方法首次实现T-BiFeO3与半导体Si的集成，该T-BiFeO3有着较大的铁电矫顽场和较高的铁电极化，能有效金属金属铁电绝缘半导体的记忆窗口，这对于存储器件工业化的应用有着较好实用价值和市场前景。
[0040]下面以基于四方相铁酸铋铁电体的金属铁电绝缘半导体结构为例，说明本发明所提出方法的具体实施效果。具体方法如图1所示，图1所示方法可简单归纳为:1.单晶Si衬底的选择；2.利用合适的工艺进行绝缘介质层的生长；3.利用合适的工艺进行T-BiFeO3铁电功能层的生长；4.利用合适的工艺进行Au栅顶电极的生长；5.利用合适的工艺进行Al底背电极；6.切片，通过合适工艺退火得到器件。
[0041]图3是本发明所提供的四方相铁酸铋生长在覆有Bi2SiO5绝缘介质层的Si衬底上的XRD图谱。从XRD结果看，铁电功能层铁酸铋的峰位在19度左右，且出现与之对应的二级衍射峰，说明铁酸铋为四方相T-BiFeO315另外，绝缘介质层Bi2SiO5和铁电功能层T-BiFeO3均具有(001)择优取向，未出现任何其他的杂相。这种高度择优取向的铁电功能薄膜对金属-铁电-绝缘-半导体的应用非常重要，它能有效利用其铁电极化控制沟道电流。
[0042]图4是本发明提供的四方相铁酸铋铁电体的金属-铁电-绝缘-半导体器件的CV特性曲线。从图中可以看出，这种基于T-BiFeO3的金属-铁电-绝缘-半导体器件性能优异，记忆窗口明显，在lMHz，12V扫描电压等测试条件下达2V，比一般基于铁酸铋的金属-铁电-绝缘-半导体器件的窗口要大。另外，器件未出现明显的由界面陷阱电荷引起窗口非对称效应以及kirk现象，说明绝缘介质层与半导体Si衬底的界面质量较好。
[0043]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于四方相铁酸铋的MFIS结构，包括: 一单晶Si衬底； 一绝缘介质层，其制作在半导体单晶Si衬底上，该绝缘介质层能有效防止单晶Si衬底中Si原子的高温扩散和化学反应，有效降低MFIS结构的电荷注入效应并防止击穿现象发生； 一 T-BiFeO3铁电功能层，其制作在绝缘介质层上，该T-BiFeO3铁电功能层是基于四方相铁酸铋MFIS结构的信息存储载体，它具有较大的铁电矫顽场和较高的铁电极化，能有效增大MFIS结构的存储窗口 ； 一金属栅顶电极，其制作在T-BiFeO3铁电功能层上； 一背电极，其制作在单晶Si衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构，其中所述的绝缘介质层的材料为 CeO2、HfO2 和 Bi2SiO5。
3.根据权利要求2所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构，其中所述的绝缘介质层的生长温度为200-900°C，氧分压为0.0l-lOOPa，沉积时间为2_30min，厚度为3-100nm。
4.根据权利要求1所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构，其中所述的T-BiFeO3铁电功能层的生长温度为550-750°C，生长室内压强为0.l_20Pa，氧分压为0_20Pa，生长功率为10-500W，厚度为 30-1000nm。
5.根据权利要求1所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构，所述的栅顶电极的材料包括:Pt、Au 或 Al，直径为 0.Ι-lOOOum，厚度为 IO-1OOOnm0
6.一种基于基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，包括如下步骤: 步骤1:将一单晶Si衬底清洗； 步骤2:在单晶Si衬底上依次生长绝缘介质层和T-BiFeO3铁电功能层； 步骤3:退火； 步骤4:在T-BiFeO3铁电功能层上生长金属栅顶电极； 步骤5:在单晶Si衬底的背面制作一背电极。
7.根据权利要求6所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，其中所述的绝缘介质层的材料为CeO2、HfO2和Bi2SiO515
8.根据权利要求7所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，其中所述的绝缘介质层的生长温度为200-900°C，氧分压为0.0l-lOOPa，沉积时间为2_30min，厚度为3_100nmo
9.根据权利要求6所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，其中所述的T-BiFeO3铁电功能层的生长温度为550-750°C，生长室内压强为0.l_20Pa，氧分压为0-20Pa，生长功率为 10-500W，厚度为 30_1000nm。
10.根据权利要求6所述的基于四方相铁酸铋的MFIS结构的制备方法，所述的栅顶电极的材料包括:Pt、Au或Al，直径为0.Ι-lOOOum，厚度为10-1000nm。
【文档编号】H01L27/115GK103839946SQ201410085838
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】付振, 尹志岗, 张兴旺, 赵亚娟, 陈诺夫, 吴金良 申请人:中国科学院半导体研究所