场效应晶体管及其制备方法与流程

1.本公开涉及一种场效应晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.碳纳米管材料具有优异的电学性能，随着摩尔定律的发展，硅基器件在尺寸缩减的过程中短沟道效应接近物理极限，碳纳米管材料被认为是最有可能取代硅基的半导体材料之一。
3.此外，氧化铪基铁电薄膜的发现，引起了研究人员的广泛关注。氧化铪基铁电薄膜与硅基材料良好的兼容性，解决了传统铁电薄膜无法小型化的问题。铁电介质存储器相较于其他存储单元具有更长的存储时间，更高的读写速度，更低的功耗以及良好的抗辐照特性。如何将氧化铪基铁电薄膜引入场效应晶体管的性能，以提高铁电介质存储器的读写速率、存储窗口等性能，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种场效应晶体管及其制备方法。
5.本公开的第一方面，提供了一种场效应晶体管，包括：
6.衬底层；
7.沟道层，通过在所述衬底层上沉积碳纳米管而形成；
8.铁电栅介质层，位于所述沟道层的源漏沟道中间，通过在所述沟道层之上沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜而形成；
9.栅极，形成于所述铁电栅介质层之上；
10.源极，形成于所述沟道层之上；
11.漏极，形成于所述沟道层之上。
12.本公开第一方面的一些实施方式中，所述衬底层为：氧化硅片衬底、熔融石英衬底、单晶石英衬底或蓝宝石衬底。
13.本公开第一方面的一些实施方式中，所述碳纳米管为阵列碳纳米管或者网络碳纳米管。
14.本公开第一方面的一些实施方式中，所述碳管碳纳米管为单壁碳纳米管，所述碳纳米管的直径为0.5nm-5nm。
15.本公开第一方面的一些实施方式中，所述碳纳米管为排列密度为1根每微米～500根每微米的阵列碳纳米管。
16.本公开第一方面的一些实施方式中，所述铁电栅介质层的厚度为1nm-20nm。
17.本公开第一方面的一些实施方式中，所述掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜的掺杂元素为如下之一或其任意组合：锆、钇、硅、铝、镧、钆。
18.本公开第一方面的一些实施方式中，所述掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜中氧化铪
的质量含量为1％-99％。
19.本公开第一方面的一些实施方式中，所述栅极为如下金属中之一或其任意组合：钛、金、铝、氮化钛、氮化钽、钨。
20.本公开第一方面的一些实施方式中，所述栅极的厚度为1nm-100nm。
21.本公开第一方面的一些实施方式中，所述源极和漏极为如下金属之一或其任意组合：钯、金、钨、钇、铪、钛。
22.本公开第一方面的一些实施方式中，所述源极和漏极的厚度为1nm-100nm。
23.本公开的第二方面提供了一种场效应晶体管的制备方法，包括：
24.提供衬底；
25.在所述衬底上沉积碳纳米管，以形成沟道层；
26.在所述沟道层上沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜；
27.在所述掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜上沉积覆盖层薄膜；
28.采用高温快速热退火工艺进行退火；
29.去除所述覆盖层薄膜，暴露所述掺杂氧化铪的铁电栅介质，以形成铁电栅介质层；
30.制备源极和漏极，使所述源极和漏极位于所述沟道层之上且所述铁电栅介质层位于所述沟道层的源漏沟道中间；
31.制备栅极，使所述栅极位于所述铁电栅介质层之上。
32.本公开第二方面的一些实施方式中，所述掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜的掺杂元素为如下之一或其任意组合：锆、钇、硅、铝、镧、钆。
33.本公开第二方面的一些实施方式中，所述掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜中氧化铪的质量含量为1％-99％。
34.本公开第二方面的一些实施方式中，所述掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜的厚度为1nm-20nm。
35.本公开第二方面的一些实施方式中，所述覆盖层薄膜为如下之一：氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)。
36.本公开第二方面的一些实施方式中，所述覆盖层薄膜的厚度为50nm-200nm。
37.本公开第二方面的一些实施方式中，所述采用高温快速热退火工艺进行退火的步骤中，退火温度为400℃-1000℃；和/或，所述采用高温快速热退火工艺进行退火的步骤中，退火时间为1s-120s；和/或，所述采用高温快速热退火工艺进行退火的步骤中，退火气氛为氮气、氩气或者氧气。
38.本公开第二方面的一些实施方式中，在所述碳纳米管上沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜，包括：采用原子层沉积工艺在所述碳纳米管上沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜。
39.本公开第二方面的一些实施方式中，所述去除所述覆盖层薄膜，包括：采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺去除所述覆盖层薄膜。
40.本公开第二方面的一些实施方式中，所述制备源极和漏极，包括：采用光刻、刻蚀以及沉积工艺制备所述源极和漏极。
41.本公开第二方面的一些实施方式中，所述制备栅极，包括：采用光刻和薄膜沉积工艺制备所述栅极。
42.本公开第二方面的一些实施方式中，场效应晶体管的制备方法还包括：在所述衬底上沉积碳纳米管后，制备碳纳米管有源区。
43.本公开第二方面的一些实施方式中，所述制备碳纳米管有源区，包括：采用光刻和干法刻蚀工艺制备碳纳米管有源区。
44.本公开的场效应晶体管结构简单、易于制备，存储窗口大，便于大面积制备，与现有硅基产线兼容性好。
45.此外，本公开的场效应晶体管采用了碳纳米管沟道铁电场效应晶体管结构，结合了碳纳米管作为沟道材料的优异特性，引入氧化铪基铁电薄膜制备了具有铁电栅介质的碳纳米管沟道场效应晶体管，具有读写速率块、存储窗口大、高擦写次数、功耗低的优点，在计算机存储领域有着重大的应用价值和广阔的市场前景，为研究碳纳米管铁电存储器件提供了保证，为拓展碳纳米管在铁电存储器等方面的应用提供了支持。
附图说明
46.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
47.图1是根据本公开的一些实施方式的场效应晶体管的结构示意图。
48.图2是根据本公开的一些实施方式的场效应晶体管制备方法的流程示意图。
49.图3是根据本公开的一些实施方式的场效应晶体管制备方法的具体实现流程示意图。
50.附图标记说明
51.10场效应晶体管
52.101衬底层
53.201沟道层
54.301源极
55.302漏极
56.401铁电介质层
57.501栅极
具体实施方式
58.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
59.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
60.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
61.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
62.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
63.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
64.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
65.图1是本公开的一些实施方式的场效应晶体管的结构示意图。如图1所示，本公开的一些实施方式中，场效应晶体管10可以包括：衬底层101、沟道层201、源极301、漏极302、铁电栅介质层401和栅极501。
66.一些实施方式中，衬底层101位于最底层，采用绝缘材料。示例性地，衬底层101可以为氧化硅片衬底、熔融石英衬底、单晶石英衬底或蓝宝石衬底。
67.一些实施方式中，沟道层201通过在衬底层101上沉积碳纳米管而形成。例如，碳纳米管可以为阵列碳纳米管、网络碳纳米管或者其他类型的碳纳米管。
68.一些实施方式中，碳纳米管可以为单壁碳纳米管，碳纳米管的直径可以为0.5nm-5nm。例如，碳纳米管的直径可以为0.5nm、1nm、2nm、4nm或者5nm。此外，还可根据需要选用其他直径的碳纳米管。
69.一些实施方式中，碳纳米管可以为排列密度为1根每微米～500根每微米的阵列碳
纳米管。例如，碳纳米管可以为排列密度为1根每微米的阵列碳纳米管、100根每微米的阵列碳纳米管、200根每微米的阵列碳纳米管、400根每微米的阵列碳纳米管或者500根每微米的阵列碳纳米管等。
70.一些实施方式中，铁电栅介质层401位于沟道层201的源漏沟道中间，通过在沟道层201之上沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜而形成。
71.一些实施方式中，铁电栅介质层401的厚度可以为1nm-20nm。例如，铁电栅介质层401的厚度可以为1nm、3nm、5nm、10nm、14nm或者20nm等。
72.一些实施方式中，掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜的掺杂元素可以为如下之一或其任意组合：锆(zr)、钇(y)、硅(si)、铝(al)、镧(la)、钆(gd)。例如，掺杂氧化铪的铁电栅介质可以为锆掺杂氧化铪(hf
0.5
zr
0.5
o2)的铁电栅介质或其他。
73.一些实施方式中，掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜中氧化铪的质量含量为1％-99％。例如，掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜中氧化铪的质量含量可以为1％、20％、50％、99％等。
74.一些实施方式中，栅极501形成于铁电栅介质层401之上。
75.一些实施方式中，栅极501可以为如下金属中之一或其任意组合：钛(ti)、金(au)、铝(al)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、钨(w)。
76.一些实施方式中，栅极501的厚度可以为1nm-100nm。例如，栅极501的厚度可以为1nm、50nm、100nm或其他。
77.一些实施方式中，源极301形成于沟道层101之上，漏极302形成于沟道层101之上。
78.一些实施方式中，源极和漏极为如下金属之一或其任意组合：钯(pd)、金(au)、钨(w)、钇(y)、铪(hf)、钛(ti)。
79.一些实施方式中，源极301和漏极302的厚度可以为1nm-100nm。例如，源极301和漏极302的厚度可以为1nm、5nm、20nm、50nm、100nm或其他。
80.图2示出了本公开的一些实施方式中场效应晶体管制备方法的流程示意图。
81.一些实施方式中，如图2所示，场效应晶体管制备方法s20可以包括如下步骤：
82.步骤s22，提供衬底；
83.一些实施方式中，衬底可以为氧化硅衬底、熔融石英衬底、单晶石英衬底或者蓝宝石衬底。
84.步骤s24，在衬底上沉积碳纳米管，以形成沟道层；
85.一些实施方式中，步骤s24还可以包括：制备碳纳米管有源区，以定义出沟道层的有源区，便于在该有源区中形成源极、漏极和沉积铁电栅介质层。
86.一些实施方式中，可以采用光刻和干法刻蚀工艺制备碳纳米管有源区。当然，还可采用其他工艺实现碳纳米管有源区的制备，对此，本公开不作限制。
87.步骤s26，在沟道层上沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜；
88.一些实施方式中，可以采用原子层沉积(atomic layer deposition，ald)工艺在碳纳米管上(也即，沟道层上)(例如，碳纳米管有源区)沉积掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜。
89.一些实施方式中，掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜的掺杂元素可以为如下之一或其任意组合：锆、钇、硅、铝、镧、钆，掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜中氧化铪的质量含量可以为1％-99％。
90.一些实施方式中，掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜的厚度可以为1nm-20nm。
91.步骤s28，在掺杂氧化铪的铁电栅介质薄膜上沉积覆盖层薄膜；
92.一些实施方式中，覆盖层薄膜可以为如下之一：氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)。
93.一些实施方式中，覆盖层薄膜的厚度可以为50nm-200nm。例如，覆盖层的厚度具体可以为50nm、100nm、150nm、200nm等。当然，还可根据需要选择其他材料或其他厚度，本公开对覆盖层的材料、厚度等均不作限制。
94.步骤s21，采用高温快速热退火工艺进行退火；
95.一些实施方式中，采用高温快速热退火工艺进行退火时的退火温度可以为400℃-1000℃。例如，退火温度具体可以为400℃、500℃、800℃、1000℃等。
96.一些实施方式中，采用高温快速热退火工艺进行退火时的退火时间为1s-120s。例如，退火时间具体可以为1s、10s、50s、80s、100s、120s等。
97.一些实施方式中，采用高温快速热退火工艺进行退火时的退火气氛可以为如下之一或其任意组合：氮气、氩气、氦气。
98.当然，还可采用其他退火温度、退火时间、退火气氛。本公开对退火温度、退火时间和退火气氛均不作限制。
99.步骤s23，去除覆盖层薄膜，暴露掺杂氧化铪的铁电栅介质，以形成铁电栅介质层，该铁电栅介质层位于沟道层之上；
100.一些实施方式中，可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺去除覆盖层薄膜。
101.步骤s25，制备源极和漏极，使源极和漏极位于沟道层之上且铁电栅介质层位于沟道层的源漏沟道中间；
102.一些实施方式中，可以采用光刻、刻蚀以及沉积工艺制备场效应晶体管的源极和漏极，以使源极和漏极位于沟道层之上且铁电栅介质层位于沟道层的源漏沟道中间。
103.一些实施方式中，源极和漏极可以为如下金属之一或其任意组合：钯、金、钨、钇、铪、钛。
104.步骤s27，制备栅极，使栅极位于铁电栅介质层之上。
105.一些实施方式中，可以采用光刻和薄膜沉积工艺制备场效应晶体管的栅极，使栅极位于铁电栅介质层之上。
106.一些实施方式中，栅极可以采用如下金属中之一或任意组合：钛(ti)、金(au)、铝(al)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、钨(w)。
107.本公开的场效应晶体管的结构简单、易于制备，存储窗口大，便于大面积制备，与现有硅基产线兼容性好。
108.此外，本公开的场效应晶体管采用碳纳米管沟道铁电场效应晶体管结构，结合了碳纳米管作为沟道材料的优异特性，引入氧化铪基铁电薄膜制备了具有铁电栅介质的碳纳米管沟道场效应晶体管，具有读写速率块、存储窗口大、高擦写次数、功耗低的优点，在计算机存储领域有着重大的应用价值和广阔的市场前景，为研究碳纳米管铁电存储器件提供了保证，为拓展碳纳米管在铁电存储器等方面的应用提供了支持。
109.下面以锆掺杂氧化铪(hf
0.5
zr
0.5
o2)的铁电栅介质为例，说明本公开提供的场效应晶体管的制备方法的示例性实现过程。
110.图3示出了以锆掺杂氧化铪(hf
0.5
zr
0.5
o2)的铁电栅介质为例的场效应晶体管制备流程示意图。
111.参见图3所示，以锆掺杂氧化铪(hf
0.5
zr
0.5
o2)的铁电栅介质为例的场效应晶体管制备流程s30可以包括如下步骤：
112.步骤s32，提供单晶石英衬底；
113.步骤s34，在单晶石英衬底上沉积阵列碳纳米管，从而形成沟道层；
114.步骤s36，定义有源区：采用光刻和干法刻蚀工艺定义碳纳米管有源区；
115.步骤s38，在沟道层上沉积hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜；
116.具体地，可以采用ald工艺在阵列碳纳米管上沉积厚度为5nm-15nm的hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜；
117.这里，hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜的厚度可以为5nm、10nm、15nm或其他数值，优选为10nm。
118.步骤s31，沉积50nm厚的sio2薄膜；
119.具体地，可以采用等离子体增强化学的气相沉积法(plasma enhancedchemical vapor deposition，pecvd)在hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜上沉积50nm厚的sio2薄膜，形成sio2覆盖层。
120.步骤s33，采用快速热退火炉(rta)在500℃氮气气氛中退火30s；
121.步骤s35，去除sio2覆盖层，暴露出hf
0.5
zr
0.5
o2的铁电栅介质，从而形成hf
0.5
zr
0.5
o2的铁电栅介质层：
122.例如，可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀氧化硅以去除sio2覆盖层。
123.优选地，可以采用缓冲氧化物刻蚀液(buffered oxide etch，boe)去除sio2覆盖层。
124.步骤s37，制备源极和漏极；
125.具体地，先采用光刻工艺在hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜(即，hf
0.5
zr
0.5
o2铁电栅介质层)上定义出源极区域与漏极区域，再湿法刻蚀去掉源极区域与漏极区域的hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜(即，源极区域与漏极区域的hf
0.5
zr
0.5
o2铁电栅介质层)以使源极区域与漏极区域暴露碳纳米管，然后在源极区域与漏极区域上沉积pd和au(厚度约为20nm和50nm)以形成源极金属层和漏极金属层，最后剥离源极金属层和漏极金属层后即可制备出源极和漏极，如此，源极和漏极位于沟道层之上且铁电栅介质层位于沟道层的源漏沟道中间。
126.步骤s39：制备栅极。
127.具体地，先采用光刻工艺在hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜(即，hf
0.5
zr
0.5
o2铁电栅介质层)上定义栅极区域，再在栅极区域沉积厚度为100nm的铝金属以形成栅极金属层，最后剥离栅极金属层后即可制备出材料为铝金属的栅极，栅极位于铁电栅介质层上且处于沟道层的源漏沟道中间。
128.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
129.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
130.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。