垂直铁电场效应晶体管的制备方法及垂直铁电场效应晶体管

1.本发明涉及晶体管技术领域，尤其涉及一种垂直铁电场效应晶体管的制备方法及垂直铁电场效应晶体管。


背景技术：

2.随着对高性能器件的需求越来越多，器件尺寸的持续微缩是必然趋势。随着器件小型化至纳米尺度，晶体管开始出现迁移率降低、漏电流增大、功耗增加等严重的短沟道效应，这使得传统平行晶体管的微缩方法逼近物理极限。垂直晶体管具有天然的短沟道特性，但是传统的垂直晶体管，源漏电极之间是半导体沟道层，由于电极直接沉积在沟道上，制备过程中，上电极的制备不可避免会对半导体沟道层造成损伤。因此，有必要提供一种改进的垂直铁电场效应晶体管制备方法，实现短沟道垂直晶体管的制备，并不会对半导体沟道层造成损伤。


技术实现要素：

3.为了克服上述缺陷，本发明提供了一种垂直铁电场效应晶体管的制备方法及垂直铁电场效应晶体管，能够制备垂场效应直晶体管的制备，同时也不会对半导体沟道层造成损伤。
4.本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：根据本发明的一个方面，提供一种垂直铁电场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
5.提供衬底；
6.在衬底上形成第一电极；
7.形成图形化的绝缘层和第二电极；
8.形成半导体沟道层，其中，半导体沟道层形成于覆盖部分第一电极，部分第二电极以及绝缘层的侧壁处；
9.形成栅绝缘层；以及
10.形成第三电极；
11.其中，所述第一电极被设计为源极或漏极，第二电极被设计为漏极或者源极，第三电极被设计为栅极；
12.形成栅绝缘层的材料为铁电材料。
13.作为本发明的进一步改进，所述形成图形化的绝缘层和第二电极的步骤包括：
14.在第一电极表面形成覆盖第一电极的绝缘层；
15.在绝缘层表面形成图形化的第二电极，该第二电极覆盖部分绝缘层；
16.刻蚀第二电极和未被第二电极覆盖的绝缘层，暴露出第一电极。
17.作为本发明的进一步改进，所述图形化的第二电极是通过掩模板的方式沉积形成。
18.作为本发明的进一步改进，所述形成图形化的绝缘层和第二电极的步骤包括：
19.在第一电极表面形成覆盖第一电极的绝缘层；
20.在绝缘层表面形成覆盖绝缘层的第二电极层；
21.形成图形化的绝缘层和第二电极，暴露出第一电极。
22.作为本发明的进一步改进，所述形成图形化的绝缘层和第二电极，暴露出第一电包括涂光刻胶，曝光，显影，刻蚀，去光刻胶的步骤。
23.作为本发明的进一步改进，所述铁电材料包括聚偏氟乙烯(pvdf)或其共聚物、氧化锆铪(hzo)、锆钛酸铅(pzt)、铁酸铋(bfo)、铌镁酸铅—钛酸铅(pmnpt)或钛酸钡(bto)中的至少一种。
24.作为本发明的进一步改进，形成半导体沟道层的材料是有机半导体材料或者无机半导体材料。
25.作为本发明的进一步改进，形成绝缘层的材料是有机聚合物材料或者无机绝缘材料。
26.本发明的另一个方面，提供一种根据前述垂直铁电场效应晶体管制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管，包括：
27.衬底；
28.形成于衬底上的第一电极；
29.覆盖部分第一电极的绝缘层；
30.位于绝缘层表面覆盖绝缘层的第二电极；
31.位于第二电极表面覆盖部分第二电极，部分第一电极以及绝缘层侧壁的半导体沟道层；
32.位于半导体沟道层表面覆盖部分第二电极，半导体沟道层以及部分第一电极的栅绝缘层；
33.位于栅绝缘层表面覆盖栅绝缘层的第三电极；
34.其中，所述第一电极被设计为源极或漏极，第二电极被设计为漏极或者源极，第三电极被设计为栅极
35.栅绝缘层的材料为铁电材料。
36.作为本发明的进一步改进，所述铁电材料包括聚偏氟乙烯(pvdf)或其共聚物、氧化锆铪(hzo)、锆钛酸铅(pzt)、铁酸铋(bfo)、铌镁酸铅—钛酸铅(pmnpt)或钛酸钡(bto)中的至少一种。
37.本发明的有益效果是：一方面，本发明提供一种垂直铁电场效应晶体管的制备方法，该方法通过将可用作源漏极的第一电极和第二电极用绝缘层间隔，刻蚀掉多余的绝缘层之后，将半导体沟道层形成于第一电极和第二电极的交界处，覆盖部分第一电极，部分第二电极以及绝缘层的侧壁，避免传统的电极直接沉积在半导体沟道层导致电极材料渗入半导体沟道层损伤半导体沟道层的情形发生，该制备方法具有操作步骤简单，成本低，易于实施的优点。另一方面，本发明提供一种垂直铁电场效应晶体管，该晶体管的第一电极和第二电极用绝缘层间隔，半导体沟道层覆盖部分第一电极，部分第二电极以及绝缘层侧壁，栅绝缘层的材料为铁电材料，该晶体管具有高开关比和良好的保持特性。
附图说明
38.图1为本发明一个实施例提供的垂直铁电场效应晶体管的制备方法流程图；
39.图2～7为对应各个步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的剖面结构示意图；
40.图4-1a～4-1c是对应形成图形化的绝缘层和第二电极的一个实施方式的各个步骤的垂直铁电场效应晶体管的剖面结构示意图；
41.图4-2a～4-2c是对应形成图形化的绝缘层和第二电极的另一个实施方式的各个步骤的垂直铁电场效应晶体管的剖面结构示意图；
42.图8为通过本发明实施例提供的制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管的转移特性曲线；
43.图9为通过本发明实施例提供的制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管的输出特性曲线；
44.图10为通过本发明实施例提供的制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管的输出特性曲线的保持特性；
45.结合附图，作以下说明：
46.11——衬底；
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12——第一电极；
47.13——绝缘层；
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14——第二电极；
48.15——半导体沟道层；
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16——栅绝缘层；
49.17——第三电极；
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80——光刻胶。
具体实施方式
50.以下结合附图，对本发明的一个较佳实施例作详细说明。
51.本发明提供一种垂直沟道场效应晶体管的制备方法以及垂直沟道场效应晶体管，该制备方法的核心在于将源漏电极用绝缘层隔开，刻蚀掉多余的绝缘层后，再在源漏电极之间制备半导体，最后制备栅绝缘层和栅极。该制备方法将源漏电极用绝缘层隔开之后，将半导体沟道层形成于覆盖部分源漏电极以及绝缘层的侧壁处，避免了传统的垂直铁电场效应晶体管制备方法中将源/漏极直接沉积在半导体沟道成上，对半导体沟道层的损伤。
52.需要说明的是，用作沟道的半导体可以是有机半导体，也可以是无机半导体，无机半导体可以是n型半导体或者p型半导体，还可以是二维半导体材料。
53.以下详细介绍本发明实施例提供的垂直铁电场效应晶体管的制备方法。图1是本发明一个实施例提供的垂直铁电场效应晶体管的制备方法流程图，图2～7是对应各个步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的剖面结构示意图，请参考图1和图2～7所示，该制备方法包括如下步骤：
54.步骤101，提供衬底11；
55.对应本步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的结构示意图如图2所示，请结合图2所示，在本步骤中，衬底例如是硅(si)衬底，或者二氧化硅(sio2)衬底，或者是硅和二氧化硅的复合衬底，当然还可以是其他合适的衬底材料，在此并不做特别限定。较佳地，对衬底进行清洗，例如将衬底放入清洗溶液例如丙酮中超声清洗1～8分钟，较佳地例如3分钟，然后再放入酒精溶液中超声清洗1～8分钟，例如3分钟，再放入去离子水中超声1～8分钟，例如3分钟，之后将衬底用氮气枪吹干。
56.步骤102，形成第一电极12；
57.对应本步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的结构示意图如图3所示，请结合图3所示，在本步骤中，例如采用掩模板的方法通过热蒸发或磁控溅射在衬底11表面沉积形成图形化的第一电极层，用作第一电极12，沉积速率例如为当然本领域技术人员可以理解，还可以采用其它方法例如先形成第一电极膜层，然后通过涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀、去光刻胶的步骤形成第一电极12。第一电极12例如可被设计作为漏电极或者源电极，在本实施例中，形成第一电极层的材料例如是铝，本领域技术人员可以理解，形成第一电极层的材料还可以是其他材料，例如金、银、铜、铟锡氧化物等导电金属。在本实施例中，第一电极层的厚度例如为100nm。
58.步骤103，形成图形化的绝缘层13和第二电极14；
59.对应本步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的结构示意图如图4所示，请结合图4所示，在本步骤中，可通过两种实施方式形成图形化的绝缘层13和第二电极14。
60.具体地，其中一个实施方式是，如图4-1a～4-1c所示，在第一电极12上通过例如原子层沉积(atomic layer deposition；ald)的方法沉积覆盖第一电极12的绝缘层13例如氧化铝薄膜层(如图4-1a)，再在绝缘层13上面沉积图形化第二电极14(如图4-1b)，例如通过掩模板的方式沉积形成，第二电极14覆盖部分绝缘层13，然后通过氩离子或者氧离子对第二电极14和绝缘层13进行蚀刻，从而暴露出第一电极12(如图4-1c)，在这一实施方式中，先形成图形化的第二电极14，第二电极14覆盖部分绝缘层13，然后再去除未被第二电极14覆盖的绝缘层13，在刻蚀未被第二电极14覆盖的绝缘层13时，氩离子或者氧离子同时会刻蚀第二电极14，因此，在本实施方式中，第二电极层沉积的厚度要较其他实施方式中厚一些，例如在本实施方式中，第二电极层沉积的厚度为100nm，形成图形化的绝缘层13和第二电极14后，保留的第二电极14的厚度例如为70nm。
61.另一个形成图形化的绝缘层13和第二电极14的实施方式是，如图4-2a～4-2d所示，在第一电极12上通过例如原子层沉积(atomic layer deposition；ald)的方法沉积覆盖第一电极层12的绝缘层13例如氧化铝薄膜层(如图4-2a)，再在绝缘层13上面沉积覆盖绝缘层13的第二电极层14(如图4-2b)，然后通过涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀、最后去光刻胶的方式同时图形化绝缘层13和第二电极14，从而暴露出第一电极12(如图4-2c和4-2d)。本实施方式中，在进行刻蚀步骤时，由于存在着光刻胶80的保护，因此无需沉积较厚的第二电极层，例如第二电极层沉积的厚度可以是70nm。另外，在本实施方式中，由于是在同一个步骤中刻蚀掉多余的第二电极层和绝缘层，暴露出第一电极12的，因此在图形化绝缘层13和第二电极层之前，第二电极层14是完整覆盖绝缘层13的。
62.需要说明的是，在本发明实施方式中，用作绝缘层13的材料可以是致密的有机聚合例如pva、pmma、pvdf，也可以是致密的无极绝缘材料，例如氧化铝、氧化铪、二氧化硅。在本发明的实施例中，例如是采用氧化铝薄膜层用作绝缘层13，绝缘层13的厚度可以是1nm～500nm，例如是30nm。第二电极层的材料可以是例如金、银、铝、铜、铟锡氧化物等导电金属材料，具体地，在本发明实施例中，使用铝为第二电极的材料。第二电极14可被设计作为源电极或者漏电极。
63.步骤104，形成半导体沟道层15，半导体沟道层15形成于覆盖部分第二电极、部分第一电极以及绝缘层的侧壁处；
64.对应本步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的结构示意图如图5所示，请结合图5所示，半导体沟道层15形成于覆盖部分第二电极14，部分第一电极12，以及绝缘层13的侧壁处，其中覆盖部分第二电极14应理解为包括覆盖第二电极14的侧壁。半导体沟道层15的厚度例如15nm，当然并不以此为限。
65.在本发明提供的实施例中，用于形成半导体沟道层15的材料可以是有机半导体材料，还可以是无机半导体材料，无机半导体材料可以是n型半导体或者p型半导体，用于形成半导体沟道层的材料还可以是二维半导体材料，例如二硫化钼，石墨烯，二硒化钨。在本实施例中，半导体沟道层材料例如是氧化锌。具体地，在本实施例中，例如采用磁控溅射技术，通过掩模板的方式形成半导体沟道层15，具体地，例如在0.8pa的腔压、50sccm的氩(ar)流量、80w的工作功率下，溅射形成氧化锌半导体沟道层，当然并不以此为限。
66.步骤105，形成栅绝缘层16；
67.对应本步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的结构示意图如图6所示，请结合图6所示，在本步骤中，形成该栅绝缘层的材料为铁电材料，例如可以是聚偏氟乙烯(pvdf)及其共聚物、氧化锆铪(hzo)、锆钛酸铅(pzt)、铁酸铋(bfo)、铌镁酸铅—钛酸铅(pmnpt)或钛酸钡(bto)中的一种或多种。采用铁电材料作为栅绝缘层，所制备的垂直铁电场效应晶体管具有加大的记忆窗口，优异的抗疲劳特性和保持特性。(记忆窗口是指器件正扫和反扫时转移曲线的回滞窗口横跨的电压范围；疲劳特性指的是在循环电场作用下，铁电材料因铁电畴壁活性降低而呈现出宏观电学性能衰退的现象，主要表现为饱和、剩余极化强度减小，介电常数降低，损耗增加等现象)。本实施例中，栅绝缘层材料采用的是聚偏氟乙烯共聚物p(vdf-trfe)，具体地，例如将p(vdf-trfe)(70:30mol％)铁电聚合物溶于2.5wt％的碳酸二乙酯中，配制成旋涂液，p(vdf-trfe)是通过在初始均相蒸发溶液中自旋涂层聚合物形成的，然后在135℃下进行4h的热退火，以促进铁电β相的生长，从而形成铁电材料的栅绝缘层16。铁电材料的栅绝缘层16形成于覆盖部分第二电极14，半导体沟道层15以及部分第一电极12，铁电材料的栅绝缘层16的厚度例如是300nm，当然并不完全以此为限。
68.步骤106，形成第三电极17；
69.对应本步骤形成的垂直铁电场效应晶体管的结构示意图如图7所示，请结合图7所示，在本步骤中，例如采用掩模板的方法通过热蒸发或磁控溅射在栅绝缘层16上形成图形化的第三电极17，用作栅极，沉积速率例如为当然本领域技术人员可以理解，还可以采用其它方法例如先形成第三电极薄膜层然后通过涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀、去光刻胶的步骤形成第三电极17。第三电极17用作栅极，在本实施例中，形成第三电极层的材料例如是铝，本领域技术人员可以理解，形成第三电极层的材料还可以是其他材料，例如金、银、铜、铟锡氧化物等导电金属。在本实施例中，第三电极层的厚度例如为30nm，当然并不完全以此为限。
70.以上详细介绍了本发明实施例提供的垂直铁电场效应晶体管的制备方法，该制备方法通过将可用作源漏极的第一电极和第二电极用绝缘层间隔，刻蚀掉多余的绝缘层之后，将半导体沟道层形成于第一电极和第二电极的交界处，覆盖部分第一电极，部分第二电极以及绝缘层的侧壁，避免传统的电极直接沉积在半导体沟道层导致电极材料渗入半导体沟道层损伤半导体沟道层的发生，该制备方法具有操作步骤简单，成本低，易于实施的优点。
71.本发明的另一方面提供一种垂直铁电场效应晶体管，该垂直铁电场效应晶体管根据前文所述的垂直铁电场效应晶体管制备方法制备。如图7所示，该垂直铁电场效应晶体管包括衬底11，配置于衬底表面上的第一电极12，覆盖部分第一电极的绝缘层13，位于绝缘层13上的第二电极14，覆盖部分第一电极12，部分第二电极14以及绝缘层13侧壁的半导体沟道层15，位于半导体沟道层15上的栅绝缘层16，栅绝缘层覆盖部分第二电极14，半导体沟道层15，部分第一电极12；位于栅绝缘层16上的第三电极层17。其中，第一电极12可被设计作为源极或漏极，第二电极14可被设计作为漏极或源极。该垂直铁电场效应晶体管先形成第一电极和第二电极，并将可用作源漏极的第一电极和第二电极用绝缘层13间隔开，再将半导体沟道层15形成于第一电极12和第二电极14的交界处，覆盖部分第一电极12，第二电极14以及绝缘层13的侧壁，避免先形成半导体沟道层，然后电极直接沉积在半导体沟道层导致电极材料渗入半导体沟道层损伤半导体沟道层的情形发生。其中，用作栅绝缘层的材料为铁电材料，例如可以是聚偏氟乙烯(pvdf)及其共聚物、氧化锆铪(hzo)、锆钛酸铅(pzt)、铁酸铋(bfo)、铌镁酸铅—钛酸铅(pmnpt)或钛酸钡(bto)中的一种或多种。本发明实施例提供的垂直铁电场效应晶体管，采用铁电材料形成栅绝缘层，该垂直铁电晶体管具有优异保持特性。
72.图8为通过本发明实施例提供的制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管的转移特性曲线，如图8所示，从图中可以看出，在0v栅压状态下，该晶体管的开关比为106，开关比较高，同时记忆窗口达到30v,具有优异的存储特性。
73.图9为通过本发明实施例提供的制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管的输出特性曲线，如图9所示，从图中可以看到明显的饱和区与和线性区，证明该晶体管形成了良好的欧姆接触；
74.图10为通过本发明实施例提供的制备方法制备的垂直铁电场效应晶体管的输出特性曲线的保持特性，如图10所示，从图中可以看出，保持性》10000s，由此可以证明该晶体管具有良好的保持特性。
75.在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。