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：

近年来，我国在航空航天领域的发展非常迅猛，如“神舟”系列飞船的成功发射和返回、“北斗”卫星导航系统的建设、“嫦娥”探月工程和“天宫”空间实验室的实施等，对存储器芯片长期使用的可靠性问题提出了更高的要求。然而，由于抗辐照加固技术在航空航天技术中属于高度敏感技术，世界上几乎所有航空航天大国的研究机构和大型微电子公司都在这个领域投入了大量的人力物力，开展半导体材料、器件、集成电路及存储器的辐照效应机理和加固技术研究，以抢占战略制高点、争夺制天权、获取最大的商业利益。以美日欧为首的西方33国制定了“导弹技术控制制度(mtcr)”，明确规定抗辐照加固与模拟试验技术等对我国一律实行严格控制或禁运。

铁电存储器是当今信息高新技术的重要前沿和研究热点之一。与传统的半导体存储器相比，铁电存储器除了有信息高密度存储和快速擦写特性，还具备了电压低、成本低、损耗低、体积小、抗辐照等显著优点，具有极大的产业化潜力。由于铁电存储器的存储单元是根据铁电材料的极化来控制其“开”“关”状态，因α粒子、宇宙射线、重离子、γ射线、x射线等辐射源不可能造成其极化改变而去改变一个单元已给定的存储状态，因此它具有极强的强耐辐射能力，特别适合于空间和航天技术应用。现有研究表明，铁电存储器抗电离辐射能力达到105gy以上，抗γ瞬时剂量率能力大于109gy/s，抗中子辐射能力达到1015cm-2，无单粒子扰动，而传统mos场效应管γ辐射损伤容限仅为102gy左右。

所以相对于传统的非挥发性存储器如flash而言，采用铁电薄膜材料作为存储介质的铁电存储器具有较好的抗辐射性能。但是铁电存储器中包含了si场效应晶体管阵列，其整体的抗辐射性能受限于si场效应晶体管的抗辐射能力。为了延长铁电存储器在空间辐射环境下的服役寿命，需要对铁电存储器中的si场效应晶体管进行抗辐射加固，与第一代半导体材料si相比，第二代和第三代半导体材料普遍具有更大的原子位移阈能和禁带宽度，所以具有更好的抗辐射性能和温度稳定性。因此，近年来铁电薄膜材料与gaas、sic、gan和金刚石等第二代和第三代半导体材料的集成受到了铁电领域科研工作者极大的关注。

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功耗低、抗辐射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沟道层；

在所述沟道层上形成的源极区和漏极区，所述源极区和所述漏极区对称形成于所述沟道层的两端；

在所述沟道层上且在所述源极区和所述漏极区之间形成的缓冲层；

在所述缓冲层上形成的铁电栅介质层；

在所述铁电栅介质层上形成的栅电极；

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，所述沟道层由β-ga2o3材料组成。

利用β-ga2o3作为沟道材料为fefet抗辐射加固和温度稳定性的提高提供保障。β-ga2o3作为一种热稳定性和化学稳定性都良好的宽禁带半导体材料，且预期具有非常好的抗辐射性能，比sic和gan更大的禁带宽度、更高的baliga品质因数(bfom)值和更便宜的价格，利用β-ga2o3作为沟道材料可以提高铁电薄膜fefet的整体抗辐射性能和温度稳定性。

优选地，所述沟道层还掺杂有锡，所述锡的掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3。

优选地，所述沟道层的厚度为200nm～300nm。

优选地，所述源电极包括ti源电极和au源电极，所述au源电极形成于所述ti源电极的上；所述漏电极包括ti漏电极和au漏电极，所述au漏电极形成于所述ti漏电极的上。

优选地，所述衬底由硅材料或锗材料组成。

优选地，所述缓冲层为绝缘层，或者所述缓冲层为绝缘层和金属层组成的双层结构。

优选地，所述铁电栅介质层的材料为bi4ti3o12、srbi2ta2o9、pbtio3、batio3、bifeo3中的至少一种，或la、nd、ce、sr、zr、mn、w、na中的至少一种与bi4ti3o12、srbi2ta2o9、pbtio3、batio3、bifeo3中的至少一种掺杂形成的物质，或zr掺杂hfo2、si掺杂hfo2、al掺杂hfo2、y掺杂hfo2中的至少一种。

优选地，当所述缓冲层为绝缘层和金属组成的双层结构时，所述绝缘层的厚度为2nm～10nm，所述金属层的厚度为50nm～80nm。

优选地，所述铁电栅介质层的厚度为5nm～600nm。

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)在衬底上形成沟道层；

(2)在步骤(1)上形成的沟道层上形成源极层、漏极层；

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

(4)对步骤(3)所得源极区和漏极区进行激活处理，得到源极和漏极；

(5)在经过步骤(4)处理后的沟道层上淀积缓冲层；

(6)在步骤(5)中的缓冲层上淀积铁电栅介质层；

(7)在步骤(6)中的铁电栅介质层上淀积栅金属，得到栅电极；

(8)去除经过步骤(7)处理后的源极区和漏极区上的缓冲层、铁电栅介质层及栅电极；

(9)在经过步骤(8)处理后的源极和漏极上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)中，采用低温固源分子束外延工艺，在衬底上外延生长一层沟道层，外延温度为500℃～700℃，沉积速率为0.6μm/h。

优选地，所述步骤(2)和(8)中采用365nmi线光刻工艺。本领域技术人员可根据需要选择合适的刻蚀配方。

优选地，所述步骤(2)中，离子注入工艺的条件为：在n⁺型源极区和n⁺型漏极区注入能量为20-25kev、剂量为10¹⁸-10¹⁹cm^-3的si⁺离子。

优选地，所述步骤(4)中激活处理的过程为：在800℃～950℃下对步骤(3)中的源极区和漏极区进行热退火处理。

所述步骤(6)中所采用的工艺为本领域所公认合适的薄膜淀积工艺，包括磁控溅射、脉冲激光沉积、原子层淀积等薄膜沉积工艺，但不局限于此。

优选地，所述步骤(7)中的栅金属为tin、tan、pt中的至少一种。

优选地，所述步骤(10)中采用磁控溅射工艺，所述磁控溅射工艺的温度为200℃～300℃，所述源、漏电极溅射ti金属厚度为20nm～30nm,所述源、漏电极溅射au金属的厚度为100nm～150nm。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明采用β-ga2o3作为沟道材料，一种热稳定性和化学稳定性都良好的宽禁带半导体材料，且预期具有非常好的抗辐射性能，可以加固沟道部位的抗辐射能力。

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、沟道层；3、源极区；4、缓冲层；5、铁电栅介质层；6、栅电极；7、漏极区；8、ti漏电极；9、au漏电极；10、ti源电极；11、au源电极。

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，衬底1由硅材料组成；

在衬底1上形成的沟道层2，沟道层2由β-ga2o3材料组成，沟道层2还掺杂有锡，所述锡的掺杂浓度为10¹⁵cm^-3；

在沟道层2上形成的源极区3和漏极区7，源极区3和漏极区7对称形成于沟道层2的两端；

在沟道层2上且在源极区3和漏极区7之间形成的缓冲层4；

在缓冲层4上形成的铁电栅介质层5；

在铁电栅介质层5上形成的栅电极6；

在源极区3上形成的源电极，所述源电极包括ti源电极10和au源电极11，au源电极11形成于ti源电极10的上；

以及

在漏极区7上形成的漏电极，所述漏电极包括ti漏电极8和au漏电极9，au漏电极9形成于ti漏电极8的上。

其中，所述沟道层的厚度为200nm；缓冲层由绝缘层组成，具体为铪基介电材料组成，所述铪基介电材料为hfo2，所述缓冲层的厚度为8nm；铁电栅介质层的材料为zr掺杂hfo2，所述铁电栅介质层的厚度为5nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的制备方法的一种实施例，包括如下步骤：

步骤1、外延生长β-ga2o3层：

利用低温固源分子束外延工艺，在衬底上外延生长一层β-ga2o3层，厚度为200nm，外延温度为500℃，沉积速率为0.6μm/h，图2(a)为衬底的结构示意图，图2(b)为外延生长β-ga2o3沟道后的结构示意图；

步骤2、光刻形成有源层：

利用光刻工艺，在β-ga2o3层上形成源极层、沟道和漏极层，其中沟道位于β-ga2o3层正中央，源极层和漏极层分别位于沟道两侧；

步骤3、掺杂形成源极区、漏极区：

采用离子注入工艺，对源极层和漏极层进行离子注入，注入条件：在n⁺型源极区和n⁺型漏极区注入能量为25kev、剂量为10¹⁹cm^-3的si⁺离子，形成源极区和漏极区；

步骤4、激活：

在950℃条件下对源极区和漏极区热退火30min进行激活处理，得到源极区和漏极区，图2(c)为激活处理得到源极区和漏极区的结果示意图；

步骤5、淀积缓冲层：

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形成的有源层上淀积厚度为8nm的hfo2层，形成绝缘电介质薄膜，图2(d)为淀积hfo2绝缘电介质薄膜后的结果示意图；

步骤6、淀积铁电栅介质层：

利用原子层淀积工艺，在温度为300℃，压强为20hpa的环境下，在步骤5形成绝缘电介质薄膜上淀积厚度为5nm的铁电zr掺杂hfo2薄膜，图2(e)为淀积铁电zr掺杂hfo2薄膜后的结果示意图；

步骤7、淀积栅电极：

利用磁控溅射工艺，在温度为300℃，压强为0.32pa，溅射功率为115w的条件下，在铁电zr掺杂hfo2薄膜上生长120nm的tin，图2(f)为淀积栅金属tin后的结果示意图；

步骤8、光刻和刻蚀：

通过光刻形成源漏电极窗口，刻蚀源极和漏极上的缓冲层/铁电hfo2/tin，图2(g)为刻蚀源极和漏极上的缓冲层hfo2/铁电hfo2/tin完成后的结果示意图；

步骤9、淀积源、漏电极：

利用磁控溅射工艺，在温度为260℃，压强为0.12pa，溅射功率为200w的条件下在步骤8中形成的源漏电极窗口中，淀积形成au/ti源漏电极，厚度分别为20nm/100nm，再通过剥离，完成晶体管的制作，图2(h)为晶体管制作完毕的结果示意图。

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，衬底1由锗材料组成；

在衬底1上形成的沟道层2，沟道层2由β-ga2o3材料组成，沟道层2还掺杂有锡，所述锡的掺杂浓度为10¹⁶cm^-3；

在沟道层2上形成的源极区3和漏极区7，源极区3和漏极区7对称形成于沟道层2的两端；

在沟道层2上且在源极区3和漏极区7之间形成的缓冲层4；

在缓冲层4上形成的铁电栅介质层5；

在铁电栅介质层5上形成的栅电极6；

在源极区3上形成的源电极，所述源电极包括ti源电极10和au源电极11，au源电极11形成于ti源电极10的上；

以及

在漏极区7上形成的漏电极，所述漏电极包括ti漏电极8和au漏电极9，au漏电极9形成于ti漏电极8的上。

其中，所述沟道层的厚度为300nm；缓冲层由绝缘层和金属层组成的双层结构组成，所述绝缘层为铪基介电材料组成，所述金属层为tin，所述铪基介电材料为al2o3，所述绝缘层的厚度为2nm，所述金属tin厚度为50nm；铁电栅介质层的材料为srbi2ta2o9，所述铁电栅介质层的厚度为100nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的制备方法的一种实施例，包括如下步骤：

步骤1、外延生长β-ga2o3层：

利用低温固源分子束外延工艺，在衬底上外延生长一层β-ga2o3层，厚度为300nm，外延温度为700℃，沉积速率为0.6μm/h，图2(b)为外延生长β-ga2o3沟道后的结果示意图；

步骤2、光刻形成有源层：

利用光刻工艺，在β-ga2o3层上形成源极层、沟道和漏极层，其中沟道位于β-ga2o3层正中央，源极层和漏极层分别位于沟道两侧；

步骤3、掺杂形成源极区、漏极区：

采用离子注入工艺，对源极层和漏极层进行离子注入，注入条件：在n⁺型源极区和n⁺型漏极区注入能量为20kev、剂量为10¹⁸cm^-3的si⁺离子，形成源极区和漏极区；

步骤4、激活：

在800℃条件下对源极区和漏极区热退火30min进行激活处理，得到源极区和漏极区，图2(c)为激活处理得到源极区和漏极区的结果示意图；

步骤5、淀积缓冲层：

利用原子层淀积工艺，在温度为260℃，压强为12hpa的环境下，在步骤4形成的有源层上淀积厚度为2nm的al2o3层，形成绝缘层薄膜，利用磁控溅射工艺，在温度为300℃，压强为0.32pa，溅射功率为115w的条件下，在绝缘层薄膜al2o3上生长50nm的tin，图2(d)为淀积缓冲层后的结果示意图；

步骤6、淀积铁电栅介质层：

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5形成绝缘电介质薄膜上淀积厚度为100nm的铁电srbi2ta2o9薄膜，图2(e)为淀积铁电srbi2ta2o9薄膜后的结果示意图；

步骤7、淀积栅电极：

利用磁控溅射工艺，在温度为300℃，压强为0.32pa，溅射功率为115w的条件下，在铁电srbi2ta2o9薄膜上生长120nm的tin，图2(f)为淀积栅金属tin后的结果示意图；

步骤8、光刻和刻蚀：

通过光刻形成源漏电极窗口，刻蚀源极和漏极上的缓冲层/srbi2ta2o9/tin，图2(g)为刻蚀源极和漏极上的缓冲层al2o3/srbi2ta2o9/tin完成后的结果示意图；

步骤9、淀积源、漏电极：

利用磁控溅射工艺，在温度为200℃，压强为0.12pa，溅射功率为200w的条件下在步骤8中形成的源漏电极窗口中，淀积形成au/ti源漏电极，厚度分别为25nm/125nm，再通过剥离，完成晶体管的制作，图2(h)为晶体管制作完毕的结果示意图。

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，衬底1由硅材料组成；

在衬底1上形成的沟道层2，沟道层2由β-ga2o3材料组成，沟道层2还掺杂有锡，所述锡的掺杂浓度为10¹⁵cm^-3；

在沟道层2上形成的源极区3和漏极区7，源极区3和漏极区7对称形成于沟道层2的两端；

在沟道层2上且在源极区3和漏极区7之间形成的缓冲层4；

在缓冲层4上形成的铁电栅介质层5；

在铁电栅介质层5上形成的栅电极6；

在源极区3上形成的源电极，所述源电极包括ti源电极10和au源电极11，au源电极11形成于ti源电极10的上；

以及

在漏极区7上形成的漏电极，所述漏电极包括ti漏电极8和au漏电极9，au漏电极9形成于ti漏电极8的上。

其中，所述沟道层的厚度为250nm；缓冲层由绝缘层和金属层组成的双层结构组成，所述绝缘层为铪基介电材料组成，所述金属层为tin，所述铪基介电材料为hfalo，所述绝缘层的厚度为10nm，所述金属tin厚度为80nm；铁电栅介质层的材料为zr掺杂pbtio3形成的物质，所述铁电栅介质层的厚度为280nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的制备方法的一种实施例，包括如下步骤：

步骤1、外延生长β-ga2o3层：

利用低温固源分子束外延工艺，在衬底上外延生长一层β-ga2o3层，厚度为250nm，外延温度为600℃，沉积速率为0.6μm/h，图2(b)为外延生长β-ga2o3沟道后的结果示意图；

步骤2、光刻形成有源层：

利用光刻工艺，在β-ga2o3层上形成源极层、沟道和漏极层，其中沟道位于β-ga2o3层正中央，源极层和漏极层分别位于沟道两侧；

步骤3、掺杂形成源极区、漏极区：

采用离子注入工艺，对源极层和漏极层进行离子注入，注入条件：在n⁺型源极区和n⁺型漏极区注入能量为25kev、剂量为10¹⁹cm^-3的si⁺离子，形成源极区和漏极区；

步骤4、激活：

在880℃条件下对源极区和漏极区热退火30min进行激活处理，得到源极区和漏极区，图2(c)为激活处理得到源极区和漏极区的结果示意图；

步骤5、淀积缓冲层：

利用原子层淀积工艺，在温度为260℃，压强为12hpa的环境下，在步骤4形成的有源层上淀积厚度为6nm的hfalo层，形成绝缘电介质薄膜，图2(d)为淀积hfalo绝缘电介质薄膜后的结果示意图；

步骤6、淀积铁电栅介质层：

利用脉冲激光沉积工艺，单脉冲能量300mj，使激光脉冲的能量密度为2j/cm²，激光重复频率为10hz沉积氧压100mtorr,沉积温度为700℃，在步骤5形成绝缘电介质薄膜hfalo上淀积厚度为280nm的pb(zr0.53ti0.47)o3铁电薄膜，图2(e)为淀积pb(zr0.53ti0.47)o3铁电薄膜后的结果示意图；

步骤7、淀积栅电极：

利用超高真空电子束工艺，在pb(zr0.53ti0.47)o3铁电薄膜上生长80nm的tan，图2(f)为淀积栅金属tan后的结果示意图；

步骤8、光刻和刻蚀：

通过光刻形成源漏电极窗口，刻蚀源极和漏极上的缓冲层hfalo/pb(zr0.53ti0.47)o3/tan，图2(g)为刻蚀源极和漏极上的缓冲层hfalo/pb(zr0.53ti0.47)o3/tan完成后的结果示意图；

步骤9、淀积源、漏电极：

利用磁控溅射工艺，在温度为300℃，压强为0.12pa，溅射功率为200w的条件下在步骤8中形成的源漏电极窗口中，淀积形成au/ti源漏电极，厚度分别为30nm/150nm，再通过剥离，完成晶体管的制作，图2(h)为晶体管制作完毕的结果示意图。

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，衬底1由锗材料组成；

在衬底1上形成的沟道层2，沟道层2由β-ga2o3材料组成，沟道层2还掺杂有锡，所述锡的掺杂浓度为10¹⁶cm^-3；

在沟道层2上形成的源极区3和漏极区7，源极区3和漏极区7对称形成于沟道层2的两端；

在沟道层2上且在源极区3和漏极区7之间形成的缓冲层4；

在缓冲层4上形成的铁电栅介质层5；

在铁电栅介质层5上形成的栅电极6；

在源极区3上形成的源电极，所述源电极包括ti源电极10和au源电极11，au源电极11形成于ti源电极10的上；

以及

在漏极区7上形成的漏电极，所述漏电极包括ti漏电极8和au漏电极9，au漏电极9形成于ti漏电极8的上。

其中，所述沟道层的厚度为250nm；缓冲层由铪基介电材料组成，所述铪基介电材料为hfn，所述缓冲层的厚度为10nm；铁电栅介质层的材料为nd与bi4ti3o12掺杂形成的物质，所述铁电栅介质层的厚度为600nm。

本实施例所述铁电场效应晶体管的制备方法的一种实施例，包括如下步骤：

步骤1、外延生长β-ga2o3层：

利用低温固源分子束外延工艺，在衬底上外延生长一层β-ga2o3层，厚度为250nm，外延温度为500℃，沉积速率为0.6μm/h，图2(b)为外延生长β-ga2o3沟道后的结果示意图；

步骤2、光刻形成有源层：

利用光刻工艺，在β-ga2o3层上形成源极层、沟道和漏极层，其中沟道位于β-ga2o3层正中央，源极层和漏极层分别位于沟道两侧；

步骤3、掺杂形成源极区、漏极区：

采用离子注入工艺，对源极层和漏极层进行离子注入，注入条件：在n⁺型源极区和n⁺型漏极区注入能量为25kev、剂量为10¹⁹cm^-3的si⁺离子，形成源极区和漏极区；

步骤4、激活：

在950℃条件下对源极区和漏极区热退火30min进行激活处理，得到源极区和漏极区，图2(c)为激活处理得到源极区和漏极区的结果示意图；

步骤5、淀积缓冲层：

利用原子层淀积工艺，在温度为280℃，压强为12hpa的环境下，在步骤4形成的有源层上淀积厚度为10nm的hfo2层，形成绝缘电介质薄膜，图2(d)为淀积hfo2缓冲层薄膜后的结果示意图；

步骤6、淀积铁电栅介质层：

利用脉冲激光沉积工艺，单脉冲能量320mj，使激光脉冲的能量密度为2.5j/cm²，激光重复频率为12hz，沉积氧压200mtorr，沉积温度为750℃，在步骤5形成绝缘电介质薄膜hfo2上淀积厚度为320nm的bi3.15nd0.85ti3o12铁电薄膜，图2(e)为淀积bi3.15nd0.85ti3o12铁电薄膜后的结果示意图；

步骤7、淀积栅电极：

利用超高真空电子束工艺，在bi3.15nd0.85ti3o12铁电薄膜上生长80nm的pt，图2(f)为淀积栅金属pt后的结果示意图；

步骤8、光刻和刻蚀：

通过光刻形成源漏电极窗口，刻蚀源极和漏极上的缓冲层hfo2/bi3.15nd0.85ti3o12/pt，图2(g)为刻蚀源极和漏极上的缓冲层hfo2/bi3.15nd0.85ti3o12/pt完成后的结果示意图；

步骤9、淀积源、漏电极：

利用磁控溅射工艺，在温度为260℃，压强为0.12pa，溅射功率为200w的条件下在步骤8中形成的源漏电极窗口中，淀积形成au/ti源漏电极，厚度分别为20nm/100nm，再通过剥离，完成晶体管的制作，图2(h)为晶体管制作完毕的结果示意图。

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。