一种铁电栅极叠层和铁电场效应晶体管及其制备方法

本发明涉及微电子，尤其涉及一种铁电栅极叠层和铁电场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、随着大数据时代的到来，人们对于高性能存储器的需求日益增大。传统非易失性flash存储器结构受到挑战，新型存储器结构待开发。目前最具竞争力的挥发类存储器有：flash、feram、mram、pcm、rram。一般作为存储器的搭建架构为1t1c或1t1r。flashi存储器写入电压大，重写次数低。而四种新兴器件中，只有feram、pcm、rram可实以现电场控制，其中feram因施加在两端的电压变化产生极化、pcm因电流产生焦耳热而发生相变、rram则靠两端电压控制发生阻变。

2、其中铁电存储技术与晶体管结合形成铁电晶体管(fefet)结构。单个晶体管即可完成信息存储。有望实现更小单元信息存储。然而对于氧化铪基的fefet，铁电层在稍低于矫顽电场(如周围电场串扰)的多次激励下会发生不期望的翻转，晶体管产生不正常的开启，造成信息丢失，称为铁电层的积累翻转效应(accumulation switching)。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种铁电栅极叠层和铁电场效应晶体管及其制备方法，用以解决现有技术中铁电场效应晶体在低于矫顽电压时，易出现积累翻转效应的问题。

2、一方面，本发明提供了一种铁电栅极叠层，所述铁电栅极叠层自下而上包括依次叠加设置的栅氧层、介质薄层、其他栅介质层；

3、其中，所述介质薄层和所述栅氧层之间还设置有铁电层，所述介质薄层与所述其他栅介质层之间还设置有阻变层；

4、或所述介质薄层和所述栅氧层之间还设置有阻变层，所述介质薄层与所述其他栅介质层之间还设置有铁电层。

5、进一步的，所述阻变层的材料包括氧化铪、氧化硅、氧化锌或氧化铜中的一种或几种，阻变层的厚度为5-25nm。

6、进一步的，所述栅氧层的材料为氧化硅或氮化硅。

7、进一步的，所述栅氧层的厚度为0-20nm。

8、进一步的，所述介质薄层的材料为氧化铝。

9、进一步的，所述介质薄层的厚度为1-5nm。

10、进一步的，所述铁电层为为hzo，氧化铪与氧化锆摩尔比为4:1-1:2，所述铁电层的厚度为5-15nm。

11、第二方面，本发明提供了一种铁电场效应晶体管，包括上述的铁电栅极叠层。

12、进一步的，所述的铁电场效应晶体管包括体硅平面晶体管、绝缘体上硅晶体管、鳍式晶体管或环栅晶体管。

13、另一方面，本发明提供了一种所述的铁电栅极叠层的制备方法，具体包括如下步骤：

14、(1)提供衬底，在所述衬底上制备栅氧层；

15、(2)在所述栅氧层上制备铁电层或阻变层；

16、(3)在步骤(2)所述铁电层或阻变层制备介质薄层；

17、(4)在所述介质薄层上制备阻变层或铁电层；

18、(5)在步骤(4)所述阻变层或铁电层上制备其他栅介质层；

19、其中，所述介质薄层上下两层不同时选择铁电层或阻变层。

20、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

21、(1)本发明的铁电栅极叠层上堆叠铁电层和阻变层，由于铁电层的积累翻转效在电压低于矫顽电压的情况下施加的电压越大越明显，会受周围串扰影响在不希望翻转的情况下翻转；且串扰越大，不期望的翻转出现的越快，串扰越小，不期望的翻转出现的越慢。本发明通过加入阻变层，阻变层会在关键电压(设置大于铁电层的矫顽电压)到来的时候电阻变小，将阻变层串联到铁电层上，在关键电压到来前，阻变层电阻变大，会分去较多电压，铁电层上受到的串扰减少，在关键电压到来后，阻变层分压减少，大部分电压施加到铁电层上，铁电层上的电压小于矫顽电压时，不会受周围串扰而积累翻转，因此，铁电层达到期望的矫顽电压后，晶体管正常开启，阻变层削弱了积累翻转效应；

22、(2)本发明的铁电栅极叠层的制备方法简单，方便制作，可以大规模生产。

23、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述铁电栅极叠层自下而上包括依次叠加设置的栅氧层、介质薄层、其他栅介质层；

2.根据权利要求1所述的一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述阻变层的材料包括氧化铪、氧化硅、氧化锌或氧化铜中的一种或几种，阻变层的厚度为5-25nm。

3.根据权利要求1所述的一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述栅氧层的材料为氧化硅或氮化硅。

4.根据权利要求3所述的一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述栅氧层的厚度为0-20nm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述介质薄层的材料为氧化铝。

6.根据权利要求5所述的一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述介质薄层的厚度为1-5nm。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种铁电栅极叠层，其特征在于，所述铁电层为为hzo，氧化铪与氧化锆摩尔比为4:1-1:2，所述铁电层的厚度为5-15nm。

8.一种铁电场效应晶体管，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的铁电栅极叠层。

9.根据权利要求8所述的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述的铁电场效应晶体管包括体硅平面晶体管、绝缘体上硅晶体管、鳍式晶体管或环栅晶体管。

10.一种权利要求1-7任一项所述的铁电栅极叠层的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种铁电栅极叠层和铁电场效应晶体管及其制备方法，属于微电子技术领域，用以解决现有中铁电场效应晶体管易出现积累翻转问题。所述铁电栅极叠层自下而上包括依次叠加设置的栅氧层、介质薄层、其他栅介质层；其中，所述介质薄层和所述栅氧层之间还设置有铁电层，所述介质薄层与所述其他栅介质层之间还设置有阻变层；或所述介质薄层和所述栅氧层之间还设置有阻变层，所述介质薄层与所述其他栅介质层之间还设置有铁电层，本发明通过在铁电栅极叠层中加入阻变层，使得铁电栅极叠层上的电压小于翻转电压时，不易受周围串扰而积累翻转，达到期望的矫顽电压后，正常开启，削弱积累翻转效应。

技术研发人员：罗军,陈博涵,许静
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14