一种铁电场效应晶体管及其制备方法与流程

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一种铁电场效应晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及一种晶体管及其制备方法,尤其是一种铁电场效应晶体管及其制备方法。



背景技术:

电子信息产业对于扩大社会就业、推动经济增长、增强国际竞争力和维护国家安全具有极其重要的作用。存储器,作为信息计算和存储的基石,肩负着各国信息安全的重任,其发展所需的新材料、新结构和新工艺一直都被各半导体强国列入重点发展对象。铁电存储器是最具潜力的新型存储器之一,采用铁电薄膜作为存储介质,通过微电子工艺技术与半导体集成所制成的非挥发性存储器。与传统的存储器如Flash相比,铁电存储器具备高的读写速度、抗疲劳性能突出、低功耗以及优异的抗辐射性能等优点,已经在许多领域已经得到了应用。作为其组成单元的铁电场效应晶体管,则已经成为目前器件研究领域的重要研究课题。然而,传统铁电存储器存在的主要问题是:(1)FeRAM存储密度低,目前最大容量是128Mbit;(2)与硅工艺平台不兼容;一方面,由于传统钙钛矿结构的铁电薄膜材料中含有高化学活性重金属离子,而重金属离子是导致集成电路失效的一个致命的污染源;另一方面,传统铁电薄膜的制备温度较高,这在提高了工艺难度的同时,也增加了铁电薄膜与硅集成电路的交叉污染。目前交叉污染问题主要是通过建立铁电存储器专用生产线和增加工序保护元件衬底来解决。这种解决途径不仅提高了铁电存储器的研制门槛,而且还增加了芯片的制造成本。(3)FeFET的保持性能没有达到商业化要求。由于传统钙钛矿结构的铁电薄膜被直接制备于硅衬底上时,很容易在铁电薄膜材料与硅衬底之间形成缺陷非常多的界面层,界面缺陷会消耗铁电薄膜的极化电荷,导致FeFET 的保持性能非常差。

电子科技大学在申请号为200710048216.5的专利“铁电场效应晶体管存储器件结构及制备方法”中公开了一种MFPIS结构的铁电场效应晶体管存储器件。该晶体管单元结构为: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。该晶体管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。但PZT材料为含Pb铁电材料,会造成存储器的铅污染,与现有绿色工艺无法兼容。

中国科学院上海技术物理研究所在申请号为201410546599.9的专利“一种基于二硫化钼薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法”中公开了一种基于二硫化钼薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法。该晶体管单元结构为:在热氧化生长SiO2的Si衬底上制备MoS2薄膜,然后采用光刻、lift off方法刻蚀出场效应管结构的源漏电极,然后将聚偏氟乙烯基有机铁电聚合物薄膜转移至有源漏电极的MoS2薄膜上,经过退火处理,去除界面残留溶剂及保证薄膜具有良好结晶特性。最后再通过光刻、刻蚀方法制备金属栅电极从而制备完成MoS2 铁电场效应晶体管器件。该晶体管实现了方法及工艺简单,为研究铁电极化调控MoS2的电子输运特性以及相关光电、存储器件提供了保证。但是PVDF为有机材料,其与现有的场效应晶体管制备工艺无法兼容。



技术实现要素:

基于此,本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种兼容现有工艺、功耗低、保持性能好的铁电场效应晶体管。

为实现上述目的,本发明所采取的技术方案为:一种铁电场效应晶体管,包括:

衬底;

在所述衬底上形成的源极区;

在所述衬底上且同所述源极区分离形成的漏极区;

在所述衬底上且在所述源极区和所述漏极区之间形成的绝缘层;

在所述绝缘层上形成的铁电薄膜层;

在所述铁电薄膜层上形成的栅电极;

在所述源极区上形成的源电极;

以及

在所述漏极区上形成的漏电极。

优选地,所述铁电薄膜层由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Zr掺杂HfO2材料、Si掺杂HfO2材料、Al掺杂HfO2材料、Y掺杂HfO2材料中的至少一种。

非中心对称的正交相氧化铪及其掺杂系列材料具有铁电性,氧化铪基铁电薄膜在10nm(甚至<10nm)仍可保持优异的铁电性,在130nm以下工艺节点及 3D结构的铁电存储器方面展现了巨大的潜力。氧化铪基铁电材料与传统铁电材料相比,具有更高的热稳定性、绿色环保、介质层薄、可微型化能力强、漏电流小。

优选地,所述铁电薄膜层的厚度为5nm~30nm。铁电薄膜层在该厚度范围,对于形成具有铁电特性的正交相的氧化铪及其掺杂氧化铪有利。

优选地,所述衬底由硅材料组成。

优选地,所述绝缘层由HfN材料组成。引入HfN作为缓冲层,和掺杂铁电氧化铪界面匹配良好,且该缓冲层能有效地抑制氧的扩散,从而减少由于氧缺陷造成的漏电流,所用淀积薄膜的工艺可以为脉冲激光沉积、磁控溅射和原子层沉积中的一种。

优选地,所述栅电极的厚度为10nm~100nm。

优选地,所述源电极的厚度为10nm~120nm,所述漏电极的厚度为 10nm~120nm。

同时,本发明还提供一种上述铁电场效应晶体管的制备方法,包括如下步骤:

(1)在衬底上形成源极层和漏极层;

(2)采用离子注入工艺,对步骤(1)中的源极层和漏极层进行离子注入,形成源极区和漏极区;

(3)对步骤(2)所得源极区和漏极区进行激活处理,得到源极和漏极;

(4)在经过步骤(3)处理后的衬底上淀积绝缘层;

(5)在步骤(4)中的绝缘层上淀积铁电薄膜层;

(6)在步骤(5)中的铁电薄膜层上淀积栅金属,得到栅电极;

(7)去除源极区和漏极区上的绝缘层、铁电薄膜层及栅电极;

(8)在经过步骤(7)处理后的源极和漏极上淀积金属,形成源电极和漏电极,即得所述铁电场效应晶体管。

优选地,所述步骤(1)和步骤(7)中采用光刻工艺。所述光刻工艺为本领域所公认有效的光刻工艺即可。

优选地,所述步骤(2)中,离子注入工艺的条件为:若源极区和漏极区为 P+型源极区和P+型漏极区,注入能量为20~25KeV、剂量为1018cm-3的BF2+离子;若源极区和漏极区为N+型源极区和N+型漏极区,注入能量为30~35KeV、剂量为1019cm-3的31P+离子。

优选地,所述步骤(3)中激活处理的过程为:在900℃~1000℃下对步骤(2) 中的源极区和漏极区进行热退火处理5min。

步骤(4)磁控溅射温度为室温,得到无定形的绝缘层,有利于后面工艺中的氧化铪退火结晶形成具有铁电特性的正交相,且可以减少栅漏电流。

优选地,所述步骤(5)中采用的是原子层沉积工艺,所述原子层淀积工艺的温度为200℃~300℃。此原子层淀积工艺温度范围,是氧化铪及其掺杂氧化铪工艺窗口温度,低于或高于该范围,不利于氧化铪及其掺杂氧化铪的附着生长。

优选地,所述步骤(6)和步骤(8)中,采用磁控溅射工艺,所述磁控溅射工艺的温度为室温。

优选地,所述步骤(6)和步骤(8)中的栅金属为TiN。

优选地,所述步骤(7)中采用光刻和刻蚀工艺。

相对于现有技术,本发明的有益效果为:

第一、本发明晶体管的制备工艺步骤,与现有Si工艺兼容性好,并且无毒、无害、绿色环保、成分简单、热稳定性良好、均匀生长薄膜的工艺容易控制,可广泛应用于集成电路中铁电存储器领域中。

第二、本发明采用了氧化铪基铁电薄膜,其在10nm(甚至<10nm)仍可保持优异的铁电性,而且其禁带宽度大,不易漏电与击穿,从而降低晶体管工作时产生的功耗。

第三、本发明采用了HfN绝缘层材料,HfN绝缘材料较高的介电常数和抑制氧扩散的特性,可以减少的漏电流,提高铁电场效应晶体管保持性。

第四、由于本发明采用了Gate-last工艺制备,是用于制作金属栅极结构的一种工艺技术,这种技术的特点是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的高温退火步骤完成之后再形成金属栅极,可以避免在制作绝缘层、铁电氧化铪和制作金属栅极的材料必须经受漏源极退火步骤的高温,进一步提高了铁电场效应晶体管的性能。

附图说明

图1为本发明所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图;

图2为本发明所述铁电场效应晶体管制作方法的一种流程图;

其中,1、衬底;2、绝缘层;3、铁电薄膜层;4、栅电极;5、源电极;6、源极区;7、漏极区;8、漏电极。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Zr掺杂HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为5nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由HfN材料组成;栅电极4的厚度为10nm;源电极6的厚度为10nm,漏电极7的厚度为10nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层、漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺,图2(a)为衬底的结构示意图;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

对源极层和漏极层进行离子注入,形成源极区和漏极区,形成P+型源极区和P+型漏极区需注入能量为20KeV、剂量为1018cm-3的BF2+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区需注入能量为30KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子;

步骤3、激活:

在900℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为280℃、压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为5nm,图2(d)为淀积 Zr掺杂HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为10nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Zr掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例2

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Si掺杂HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为10nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由HfN材料组成;栅电极4的厚度为30nm;源电极6的厚度为30nm,漏电极7的厚度为30nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层、漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

对源极层和漏极层进行离子注入,形成源极区和漏极区。形成P+型源极区和 P+型漏极区需注入能量为25KeV、剂量为1018cm-3的BF2+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区需注入能量为35KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子;

步骤3、激活:

在900℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为200℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为10nm,图2(d)为淀积Si掺杂HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为30nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Si掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例3

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Al掺杂 HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为15nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由 HfN材料组成;栅电极4的厚度为50nm;源电极6的厚度为40nm,漏电极7 的厚度为40nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层,漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

对源极层和漏极层进行离子注入,形成源极区和漏极区,形成P+型源极区和 P+型漏极区需注入能量为22KeV、剂量为1018cm-3的BF2+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区需注入能量为31KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子;

步骤3、激活:

在920℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为230℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为15nm,图2(d)为淀积 Al掺杂HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为50nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Al掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例4

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Y掺杂HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为20nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由HfN材料组成;栅电极4的厚度为70nm;源电极6的厚度为50nm,漏电极7的厚度为50nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层,漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

对源极层和漏极层进行离子注入,形成源极区和漏极区。形成P+型源极区和P+型漏极区需注入能量为23KeV、剂量为1018cm-3的BF2+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区需注入能量为33KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子;

步骤3、激活:

在940℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为280℃,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为250℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为20nm,图2(d)为淀积 Al掺杂HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为70nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Al掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例5

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Zr掺杂HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为25nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由HfN材料组成;栅电极4的厚度为90nm;源电极6的厚度为70nm,漏电极7的厚度为70nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层,漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

在源极区和漏极区中注入能量为30KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区;

步骤3、激活:

在960℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为270℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为25nm,图2(d)为淀积 Zr掺杂HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为90nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Zr掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例6

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Si掺杂HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为30nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由HfN材料组成;栅电极4的厚度为100nm;源电极6的厚度为85nm,漏电极7的厚度为85nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层,漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

在源极区和漏极区中注入能量为30KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区;

步骤3、激活:

在980℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为290℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为30nm,图2(d)为淀积 Si:HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为100nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Si掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例7

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Al掺杂 HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为15nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由 HfN材料组成;栅电极4的厚度为80nm;源电极6的厚度为100nm,漏电极7 的厚度为100nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层,漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

在源极区和漏极区中注入能量为30KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区;

步骤3、激活:

在1000℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为300℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为15nm,图2(d)为淀积 Al:HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为80nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Al掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

实施例8

本发明所述铁电场效应晶体管的一种实施例,本实施例所述铁电场效应晶体管的一种剖面结构图如附图1所示,包括:

衬底1;

在衬底1上形成的源极区6;

在衬底1上且同源极区6分离形成的漏极区7;

在衬底1上且在源极区6和漏极区7之间形成的绝缘层2;

在绝缘层2上形成的铁电薄膜层3;

在铁电薄膜层3上形成的栅电极4;

在源极区6上形成的源电极5;

以及

在漏极区7上形成的漏电极8。

其中,铁电薄膜层3由氧化铪基材料组成,所述氧化铪基材料为Y掺杂HfO2材料,铁电薄膜层3的厚度为20nm;衬底1由硅材料组成;绝缘层2由HfN材料组成;栅电极4的厚度为100nm;源电极6的厚度为120nm,漏电极7的厚度为120nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的一种制备方法,包括如下步骤:

步骤1、光刻形成源漏区:

利用光刻工艺,在衬底上形成源极层、漏极层,所采用的光刻工艺是365nm I线工艺;

步骤2、掺杂形成源极区、漏极区:

在源极区和漏极区中注入能量为30KeV、剂量为1019cm-3的P(31)+离子,形成N+型源极区和N+型漏极区;

步骤3、激活:

在900℃条件下对源极区和漏极区,热退火5min进行激活处理,得到源极和漏极,图2(b)为激活处理得到源极和漏极的结果示意图;

步骤4、淀积绝缘层:

利用磁控溅射工艺,设置溅射温度为室温,在步骤3生成的源极和漏极上淀积HfN绝缘层,图2(c)为淀积完HfN绝缘层的结果示意图;

步骤5、淀积铁电薄膜:

利用原子层淀积工艺,在温度为280℃,压强为15hPa的环境下,在步骤4 淀积的HfN绝缘层上淀积铁电薄膜,该铁电薄膜的厚度为20nm,图2(d)为淀积Y:HfO2铁电薄膜层后的结果示意图;

步骤6、淀积栅金属:

利用磁控溅射工艺,在步骤5生成的掺杂铁电HfO2上淀积TiN,设置溅射温度为室温,淀积厚度为100nm的TiN,图2(e)为淀积栅金属后的结果示意图;

步骤7、光刻和刻蚀形成铁电薄膜图形:

利用光刻和刻蚀工艺,去掉源极区和漏极区上的绝缘层/铁电薄膜/TiN,形成绝缘层HfN,铁电Y掺杂HfO2和栅电极,图2(f)为光刻和刻蚀后的结果示意图;

步骤8、淀积源、漏电极:

利用磁控溅射工艺,在步骤7生成的源极和漏极上淀积Ni,再去掉步骤中栅电极上的光刻胶,完成晶体管的制作,图2(g)为晶体管的制作完毕结果示意图。

最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

再多了解一些
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