一种铁电存储器的单元结构及其制备方法

本发明涉及微电子器件设计与制备领域，尤其涉及一种铁电存储器的单元结构及其制备方法。

背景技术：

铁电存储器作为一种新型非易失存储器，具有低功耗、高密度、高速度、抗辐射和非挥发性等优点，尤其符合航天领域对电子设备抗辐射、小型化、低功耗、长寿命等要求，因此被认为具有很大的空间应用潜力。

铁电存储器的两种主要类型为铁电电容型存储器和铁电场效应晶体管型存储器，目前商用的铁电存储器为铁电电容型存储器，但其存在破坏性读取、单元结构复杂等不足。相对铁电电容型存储器而言，铁电场效应晶体管型存储器还具有单元结构简单、存储密度更高和符合超大规模集成电路的按比例缩小定律等更多优点，成为了铁电研究者们关注的焦点。但是，铁电场效应晶体管由于保持性能较差，仍没有得到实用化。理论研究表明，在合适的条件下，铁电场效应晶体管的保持性能达到商用的十年是没有任何问题的。铁电场效应晶体管的保持性能达不到商用要求的原因可能有单元结构的设计不合理、单元结构中各部分所用材料不合适、制备工艺不完善等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种铁电存储器的单元结构及其制备方法，旨在解决铁电场效应晶体管存储器保持性能差的问题，即通过合理的单元结构设计和合适的制备方法解决铁电场效应晶体管存储器保持性能难以达到商用目标的问题，以期实现铁电场效应晶体管存储器的实用化。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种铁电存储器的单元结构的制备方法，包括如下步骤：

在衬底上表面均匀沉积第一氧化层；

在所述第一氧化层上距离其宽边d1处对称地刻蚀宽度为d2、在所述第一氧化层的宽度方向上贯通的第一矩形窗口以及第二矩形窗口，使所述衬底的上表面在所述第一矩形窗口以及第二矩形窗口处外露，所述第一矩形窗口以及第二矩形窗口的邻边距离为d3；

在所述第一矩形窗口以及第二矩形窗口处通过离子注入n型杂质，通过高温扩散形成两个n+区以组成两个重掺杂n型区；

去除所述第一矩形窗口以及第二矩形窗口未扩散进入所述衬底内的n型杂质，在所述第一矩形窗口以及第二矩形窗口处沉积与所述第一氧化层齐平的导电层，构成源极和漏极；

在所述第一氧化层和所述源极和所述漏极之上均匀沉积第二氧化层；

在所述第二氧化层的中心区域刻蚀宽度为s1、长度为l1的第三矩形窗口；

在所述第三矩形窗口处沉积与所述第二氧化层齐平的铁电薄膜，并对所述铁电薄膜进行退火处理和极化处理；

在所述第二氧化层和所述铁电薄膜之上均匀沉积第三氧化层；

在所述第三氧化层上设置的宽度为s2、长度为l2的矩形区域沉积导电材料形成栅极。

优选地，上述衬底的类型为p型si衬底。

优选地，所述第三矩形窗口与所述第二氧化层的中心重合，所述第三矩形窗口的宽度方向与所述第二氧化层的长度方向一致，且所述第三矩形窗口的宽度s1小于所述邻边距离d3，所述第三矩形窗口的长度l1小于所述第二氧化层的宽度。

优选地，所述栅极与所述铁电薄膜的中心重合，所述栅极的宽度方向与所述铁电薄膜的宽度方向一致。

优选地，所述栅极的宽度s2大于所述第三矩形窗口的宽度s1、且小于所述邻边距离d3，所述栅极的长度l2大于所述第三矩形窗口的长度l1。

优选地，在所述第二氧化层和所述铁电薄膜之上均匀沉积第三氧化层的步骤之前，先对所述铁电薄膜进行极化处理。

优选地，所述第一氧化层、所述第二氧化层、所述第三氧化层由不同的氧化物绝缘材料制备得到。

优选地，所述第一氧化层、所述第二氧化层、所述第三氧化层由相同的氧化物绝缘材料制备得到。

本发明还提供了一种铁电存储器的单元结构，该铁电存储器的单元结构包括：衬底、两个重掺杂n型区、源极、漏极、第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层、铁电薄膜和栅极；

所述衬底之上沉积有第一氧化层，在所述第一氧化层上刻蚀有第一矩形窗口以及第二矩形窗口，在所述第一矩形窗口以及第二矩形窗口处的衬底中形成有所述两个重掺杂n型区，且在第一矩形窗口以及第二矩形窗口处分别设置有源极和漏极，所述第一氧化层、所述源极和所述漏极之上沉积有所述第二氧化层，第二氧化层中设置有第三矩形窗口，所述铁电薄膜沉积在所述第三矩形窗口内，所述第二氧化层以及所述铁电薄膜之上沉积有所述第三氧化层，在所述第三氧化层之上沉积有栅极。

总之，单元结构的各个组成部分构成一个mos结构，但又不同于传统的mos结构，不同之处在于氧化层由所述第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层和所述铁电薄膜构成，并且所述铁电薄膜由所述第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层所包围，从而提高了整个铁电存储器的单元结构的相关性能。

除此之外，本发明还提供了一种新颖的铁电薄膜的退火方法，即将制备好铁电薄膜的铁电存储器单元置于一气氛可调节的密闭腔体中，利用特定波长的激光以一定时间间隔反复照射铁电薄膜一段时间，同时给铁电薄膜施加一方向垂直于铁电薄膜平面的电场，所施加电场为恒定电场或交变电场、或为恒定电场与交变电场的组合。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的沉积第一氧化层后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的刻蚀第一矩形窗口以及第二矩形窗口后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的两个重掺杂n型区制成后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的漏极和源极制成后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的沉积第二氧化层后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图6为本发明实施例提供的刻蚀第三矩形窗口后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的沉积铁电薄膜后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的沉积第三氧化层后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的栅极制成后的铁电存储器单元的正视及俯视结构示意图。

附图标记：

1-第一氧化层，2-第二氧化层，3-第三氧化层，4-衬底，5-第一矩形窗口，6-第二矩形窗口，7-第三矩形窗口，8-重掺杂n型区，9-源极，10-漏极，11-铁电薄膜，12-栅极。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例

第一方面，本发明实施例提供了一种铁电存储器单元结构，所述铁电存储器单元结构包括：

p型si衬底4、两个重掺杂n型区8、源极9、漏极10、第一氧化层1、第二氧化层2、第三氧化层3、铁电薄膜11和栅极12，所述p型si衬底4为n型轻掺杂立方体si，所述单元结构的各个组成部分构成一个mos结构，但又不同于传统的mos结构，不同之处在于氧化层由所述第一氧化层1、所述第二氧化层2、所述第三氧化层3和所述铁电薄膜11构成，并且所述铁电薄膜11由所述第一氧化层1、所述第二氧化层2、所述第三氧化层3所包围，如图9所示。

第二方面，为实现本发明提供的铁电存储器单元结构，本发明实施例提供了一种制备铁电存储器单元结构的方法：

1)在所述p型si衬底4上表面均匀沉积第一氧化层1，沉积第一氧化层1后的铁电存储器单元结构如图1所示；

2)在所述第一氧化层1上距离其宽边d1处对称地刻蚀宽度为d2、在所述第一氧化层1的宽度方向上贯通的第一矩形窗口5以及第二矩形窗口6，使所述p型si衬底4上表面在第一矩形窗口5及第二矩形窗口6处外露，第一矩形窗口5及第二矩形窗口6的邻边距离为d3，刻蚀第一矩形窗口5及第二矩形窗口6后的铁电存储器单元结构如图2所示；

3)在第一矩形窗口5及第二矩形窗口6处通过离子注入足够剂量的n型杂质，并通过一定时间的高温扩散形成两个n+区，即重掺杂n型区8，两个n+区制成后的铁电存储器单元结构如图3所示；

4)去除第一矩形窗口5及第二矩形窗口6处未扩散进入所述p型si衬底4内的n型杂质，在所述第一矩形窗口5及第二矩形窗口6处沉积与所述第一氧化层1齐平的导电层，构成所述的源极9和漏极10，源极9和漏极10制成后的铁电存储器单元结构如图4所示；

5)在所述第一氧化层1和所述源极9和所述漏极10之上均匀沉积第二氧化层2，沉积第二氧化层2后的铁电存储器单元结构如图5所示；

6)在所述第二氧化层2的中心区域刻蚀一宽度为s1、长度为l1的第三矩形窗口7，第三矩形窗口7与所述第二氧化层2的中心重合，第三矩形窗口7的宽度方向与所述第二氧化层2的长度方向一致，且所述宽度s1小于d3，所述长度l1小于所述第二氧化层的宽度，刻蚀第三矩形窗口7后的铁电存储器单元结构如图6所示；

7)在第三矩形窗口7处沉积与所述第二氧化层2齐平的铁电薄膜11，并对所述铁电薄膜11进行退火处理和极化处理，沉积铁电薄膜11后的铁电存储器单元结构如图7所示；

8)在第二氧化层2和所述铁电薄膜11之上均匀沉积第三氧化层3，沉积第三氧化层3后的铁电存储器单元结构如图8所示，并且最好在沉积所述第三氧化层3之前，对所述铁电薄膜11进行极化处理；

9)在第三氧化层3上设置的一宽度为s2、长度为l2的矩形区域沉积导电材料，形成所述栅极12，所述栅极12与所述铁电薄膜11的中心重合，所述栅极12的宽度方向与所述铁电薄膜11的宽度方向一致，且所述宽度s2大于所述宽度s1、且小于d3，所述长度l2大于所述长度l1，栅极12制成后的铁电存储器单元结构如图9所示。

上述第一氧化层1、第二氧化层2和第三氧化层3可以由相同的氧化物绝缘材料制备，也可以由不同的氧化物绝缘材料制备。在图1-图9中，位于上部的结构为铁电存储器单元的正视结构示意图，位于下部的结构为铁电存储器单元的俯视结构示意图，在此进行说明。

第三方面，本发明实施例提供的铁电薄膜11的退火处理采用一种新颖的退火方法，具体操作步骤为：将制备好铁电薄膜11的铁电存储器单元置于一气氛可调节的密闭腔体中，利用特定波长的激光以一定时间间隔反复照射铁电薄膜11一段时间，同时给铁电薄膜11施加一方向垂直于铁电薄膜11平面的电场，所施加电场为恒定电场或交变电场、或为恒定电场与交变电场的组合。

本发明专利提供的设计结构使铁电薄膜11被氧化层包围，减小甚至避免漏电流对铁电极化保持性能的影响，同时这种包围结构给铁电薄膜11适当的应力约束，在一定程度上提高铁电薄膜11的矫顽场，这能提高铁电极化的保持性能。在本发明专利提供的设计结构中，栅极12的长、宽尺寸均大于铁电薄膜11的长和宽，对铁电薄膜11实现完全覆盖，减小边缘效应对铁电极化的影响。

本发明提供的制备方法中，采用的铁电薄膜11的退火处理方法使铁电薄膜11在退火处理时处于相对独立的高温状态，避免了整个铁电存储器单元结构都处于铁电薄膜11退火的高温环境，进而避免了铁电存储器单元结构的其它部分在传统铁电薄膜11炉式退火的高温下可能发生的性能褪变，即实现了铁电薄膜11的退火工艺与cmos工艺的兼容性；同时，在沉积所述第三氧化层3之前，对所述铁电薄膜11进行极化处理，这能给铁电薄膜11提供一种有利于铁电极化保持的应力约束，因此可以进一步提高铁电极化的保持性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。