一种高线性度高耐久FeFET及其制备方法

本发明属于微纳电子学，具体涉及一种新型的基于铪锆氧和铪铝氧混合铁电层的高线性度高耐久fefet及其制备方法。

背景技术：

1、随着人工智能领域的快速发展，深度神经网络(dnn)在处理诸如图像、语言和模式识别等认知任务方面取得了巨大的成功。然而目前其全部应用潜力依然受到较大限制，这主要是因为在传统的片外训练模式下，计算单元与片外存储权重的单元之间频繁的数据传输导致了显著的能量和速度开销。基于非易失性存储器(envms)的存内计算(cim)架构有望突破以上瓶颈。片上的非易失性存储器作为模拟权重单元，通过直接在内存中进行计算的方式，避免了频繁的数据搬运，从而实现快速和低功耗的运算。

2、在众多非易失性存储器候选中，氧化铪基铁电场效应晶体管(fefet)由于其铁电层随外加电场极化部分切换的行为，对于模拟权重单元应用十分有潜力。其中，fefet的电导值作为模拟权重，可以随极化状态改变，也即可以被外加电场调制。除此之外，与其他非易失性存储器相比，硅沟道氧化铪基fefet可以轻松兼容先进cmos工艺节点(<22nm)，制备高度微缩的器件，同时还具有高写入速度和超低功耗等优点，非常适合面向片上存内计算的应用。

3、尽管氧化铪基fefet在片上存内计算应用方面有巨大的潜力，基于fefet的模拟权重单元仍然存在着权重更新线性度和耐久性有限的问题，制约着fefet在片上存内计算领域的进一步应用和发展。这是由于fefet权重单元较差的线性度会导致在权重更新的过程中容易产生错误，从而导致训练准确度下降。同时，在面向复杂任务的训练过程中，fefet需要进行频繁的权重更新，而氧化铪基硅沟道fefet通常具有较低的耐久性，典型值为105～108次循环，经过多次电循环后的器件性能耐久退化可能会导致权重更新错误，训练精度退化。尽管已有一些研究工作提出了改善fefet线性度的方法，但同时兼顾耐久性的fefet线性度优化工作还有待深入研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于利用铪锆氧和铪铝氧的混合铁电层，结合氧化铝界面层，提出一种新型的高线性度高耐久的fefet及其制备方法。一方面，通过将一层铪锆氧(hzo，其中铪和锆原子比例为1:1)和一层铪铝氧(hao，其中铪和铝原子比例为24:1)结合，中间以一薄氧化铝层进行隔离，形成混合铁电层作为铁电材料；另一方面，另外一层氧化铝(al2o3)被用作混合铁电层和硅衬底之间的界面层。对于权重更新线性度的优化，鉴于hzo和hao铁电层的矫顽电场(ec)分布存在差异，其中hzo的矫顽电场更大，而hao的矫顽电场较小，因此二者结合的混合铁电层相比于只有单一铁电材料的铁电层具有更加分散的矫顽电场分布。当施加电压的时候，混合铁电层中的铁电极化畴会随着电场的增大逐步翻转，而不会像单铁电层中一样在矫顽电场附近发生整体突变，因此外加电场对fefet的电导调制更加线性，从而优化fefet的权重更新的线性度。而对于耐久性的优化，首先是来自于铁电层和硅衬底之间的al2o3界面层。其相比常规的二氧化硅界面层有更高的相对介电常数(约等于9)，从而降低了界面层的分压，减小界面层的电场强度，有效抑制了电荷从硅衬底隧穿到栅叠层被俘获，并且还可以有效防止界面层击穿导致的性能失效，从而有效优化耐久性。其次，通过与矫顽电场和极化强度较小的hao层的结合，hzo和hao混合铁电层整体的极化强度和矫顽电场相比单层hzo或两层hzo结合的铁电层更小，这也有利于减小界面层的电场强度，抑制电荷俘获效应，提高耐久性。最后，混合铁电层中用于隔离hzo和hao的薄al2o3层能够在电循环过程中抑制混合铁电层内缺陷的迁移和大量聚集，从而有效防止铁电层的介质击穿，进一步提高耐久性。

2、本发明的基于铪锆氧和铪铝氧混合铁电层的fefet针对存内计算片上训练应用，同时优化了权重更新线性度和耐久性，并且结构制备工艺简单，与先进结点cmos前端工艺兼容，具有高读写速度和超低功耗等优势。

3、具体的，本发明的技术方案如下：

4、一种高线性度高耐久fefet，包括一硅衬底，其特征在于，硅衬底表面是一图形化的氧化铝界面层，氧化铝界面层上是一混合铁电层，所述混合铁电层由铪铝氧铁电层、铪锆氧铁电层和位于这两个铁电层之间的氧化铝薄层组成，栅极位于混合铁电层上，源漏分别位于混合铁电层下方的沟道区两侧。

5、上述高线性度高耐久fefet中，对于n型fefet所述硅衬底选用p型硅衬底，对于p型fefet所述硅衬底选用n型硅衬底。p型硅衬底可以采用较低浓度硼掺杂的硅衬底等，n型硅衬底可以采用较低浓度砷或磷掺杂的硅衬底等。优选的，所述硅衬底厚度大于100nm。

6、上述高线性度高耐久fefet中，所述氧化铝界面层优选是通过原子层淀积方式生长的氧化铝层，可以保证其高质量并可以精确控制其厚度。所述氧化铝界面层的厚度优选为1～3nm。

7、上述高线性度高耐久fefet中，所述混合铁电层中的铪铝氧层可以是通过原子层淀积的方式生长的，在原子层淀积循环过程中通过控制氧化铪和氧化铝的循环次数来控制掺杂的原子比例，最后形成的hao固溶层中铪原子和铝原子的比例为24:1，从而保证具有较小的矫顽电场，其厚度优选为6～10nm。

8、上述高线性度高耐久fefet中，所述混合铁电层中的氧化铝薄层可以是通过原子层淀积的方式生长的，具有较薄的厚度，其厚度优选为1～2nm。

9、上述高线性度高耐久fefet中，所述混合铁电层中的铪锆氧层可以是通过原子层淀积的方式生长的，在原子层淀积循环过程中通过控制氧化铪和氧化锆的循环次数来控制掺杂的原子比例，最后形成的hzo固溶层中铪原子和锆原子的比例为1:1，从而保证具有较大的矫顽电场，其厚度优选为6～10nm。

10、上述高线性度高耐久fefet上覆盖钝化层，位于混合铁电层上的栅极通过钝化层中的通孔与位于钝化层上的栅接触金属电极连接。栅极材料需要具有合适的功函数和较小的电阻率，需要具有一定的耐热性和机械强度，另外还需要对铁电层形成一定的应力，可选用tin、tan、pt、w等常见金属性材料制备栅极。

11、上述高线性度高耐久fefet，在混合铁电层两侧的硅衬底表面通过自对准离子掺杂形成源漏区域，源漏区域分别通过钝化层中的通孔与钝化层上的源漏接触金属电极连接。源漏区域是在对栅极区域图形化后通过自对准离子注入的方式形成的，源漏区域之间是沟道区域。对于n型fefet可采用高浓度砷或磷等元素掺杂，对p型fefet可采用高浓度硼等元素掺杂，并通过高温退火激活掺杂离子，形成源漏区域。

12、上述高线性度高耐久fefet，其源漏接触金属电极应与源漏形成良好的欧姆接触，以降低接触电阻，可供选择的金属包括但不限于al、pt、cr、pd、au、ti等材料。

13、本发明还提供了上述高线性度高耐久fefet的一种制备方法，包括以下步骤：

14、(1)在硅衬底上定义有源区并形成器件隔离；

15、(2)去除有源区硅衬底表面的自然氧化层；

16、(3)淀积氧化铝界面层；

17、(4)淀积混合铁电层，首先是淀积hao铁电层，然后是氧化铝薄层，最后淀积hzo铁电层；

18、(5)淀积栅极材料；

19、(6)通过光刻定义栅极区域，然后去除非栅极区域的栅极材料和混合铁电层、氧化铝界面层；

20、(7)自对准离子注入形成源漏区域；

21、(8)通过快速热退火处理(rtp)，同时激活混合铁电层的铁电性和激活注入到源漏区域中的离子；

22、(9)在全片生长钝化层，然后通过光刻定义栅、源、漏的接触孔区域，刻蚀去除接触孔区域的钝化层，随后光刻定义接触金属电极图形，生长接触金属并进行剥离，最后进行合金退火，使接触金属与源漏间形成欧姆接触。

23、上述步骤(1)可以在硅衬底上全片通过湿法氧化或化学气相淀积(cvd)的方式生长一层厚二氧化硅层作为隔离层，之后通过光刻定义有源区，用干法刻蚀和湿法刻蚀去除有源区的二氧化硅层，暴露出底下的硅衬底。

24、上述步骤(2)一般用稀释的氢氟酸溶液漂去有源区硅衬底表面的自然氧化层。

25、上述步骤(3)和步骤(4)中优选采用原子层淀积(ald)的方法在生长氧化铝界面层和混合铁电层，其中生长混合铁电层时使用三甲基铝(tma)、四(二甲氨基)铪(tdmahf)、四(二甲氨基)锆(tdmazr)和水分别作为铝、铪、锆和氧的前驱体。进一步的，步骤(3)和(4)原子层淀积氧化铝界面层和混合铁电层可以在同一步ald步骤中完成淀积，从而简化工艺步骤。

26、优选的，上述步骤(5)通过溅射或其他物理气相淀积(pvd)的方式在全片淀积栅金属电极材料；然后在步骤(6)利用干法刻蚀去除非栅极区域的栅金属电极材料和混合铁电层、氧化铝界面层。

27、上述步骤(7)自对准离子注入中，栅极区域由于有光刻胶的阻挡，离子不会注入到下方的栅极中，离子注入到栅极左右两侧的衬底区域中，形成源和漏的区域，源和漏区域中间即为沟道区域。

28、上述步骤(8)快速热退火过程的温度和时间需要同时满足混合铁电层激活和源漏激活的合适条件，需要根据铁电层材料、栅极材料、注入离子类型和剂量不同而灵活调整，大致范围为：退火温度为500～900℃，退火时间为10～120s。

29、一般的，上述步骤(9)在全片通过化学气相淀积(cvd)的方式生长一层较厚的二氧化硅钝化层，然后通过光刻定义栅和源漏的接触孔区域，利用干法刻蚀和湿法刻蚀将接触孔区域的二氧化硅去除，随后通过光刻定义栅和源漏上方的接触金属图形，通过溅射、蒸镀等方法生长接触金属并进行剥离，最后进行合金退火，使接触金属与源漏间形成欧姆接触。

30、可以看到，上述基于铪锆氧和铪铝氧混合铁电层的高线性度高耐久fefet的制备方法与成熟的cmos前端工艺完全兼容，与常规mosfet主要结构的区别仅在于多了一层铁电层。因此上述基于铪锆氧和铪铝氧混合铁电层的高线性度高耐久fefet可以和cmos逻辑电路在同一个芯片上混合集成，实现复杂的存内计算功能。

31、本发明的技术效果如下：

32、一、通过将原子比为1:1的hzo铁电层和原子比为24:1的hao铁电层结合，形成混合铁电层，相比于常规的只有单一铁电材料铁电层的fefet，基于混合铁电层的fefet在写入电压改变时表现出更加线性的电导变化，从而提高了权重更新的线性度。这对于改善面向存内计算片上训练应用的训练精度具有重要意义。

33、在本发明中，我们采用的原子比1:1的hzo铁电层和原子比24:1的hao铁电层具有不同的矫顽电场特性。两种铁电层的具有各自的矫顽电场分布，其中hzo的矫顽电场分布中心(即平均矫顽电场)相较hao显著更大。因此，当hzo和hao结合形成混合铁电层时，原本各自的矫顽电场分布会相互结合，形成更加分散的铁电畴矫顽电场分布(即方差更大)。由于混合铁电层其铁电畴的矫顽电场分布相比单一铁电层更加均匀，因此当施加电压时，铁电极化畴的翻转随电场强度的变化更为线性，从而导致混合铁电层fefet的阈值电压变化更加线性。因此，通过逐渐增加写入电压的方式，可以实现混合铁电层内的铁电极化畴逐渐切换，从而微调fefet的电导，以实现权重更新线性度的优化。通过对权重更新线性度进行分析，我们发现基于hzo和hao混合铁电层制备的fefet，其对应的兴奋和抑制权重更新的非线性系数分别为αp＝-0.48和αd＝-1.73。与仅含一层hzo或hao铁电层以及两层hzo结合作为铁电层的fefet相比，混合铁电层fefet的非线性系数均更小，这验证了hzo和hao混合铁电层fefet中由于矫顽电场分布更分散从而实现线性度优化的结果。

34、二、利用原子层淀积生长的高相对介电常数氧化铝作为界面层，结合hzo和hao混合铁电层中较小的矫顽场强和极化强度，可以有效减小界面层电场强度，有利于抑制界面陷阱电荷俘获；同时，混合铁电层中hzo和hao之间的氧化铝薄层可以防止混合铁电层击穿，二者共同优化fefet的耐久性。

35、与fefet中通常使用的相对介电常数为3.9的二氧化硅作为界面层相比，本发明中采用的氧化铝界面层具有更高的相对介电常数，约为9。在fefet栅叠层中，铁电层和界面层形成串联电容结构。由于氧化铝的相对介电常数更高，因此在相同厚度下，氧化铝界面层的分压更小，大部分电压降在铁电层上。这降低了界面层的电场强度，有效抑制了电荷注入、界面陷阱俘获以及界面层的击穿，从而提高了fefet的耐久性。此外，由于hao的矫顽电场和极化强度都比hzo小，混合铁电层中的hzo和hao的整体矫顽电场和极化强度比单层hzo或双层hzo铁电层更小。这意味着混合铁电层fefet需要更小的操作电压来进行写入，并且由于极化在界面层引起的电场更小，从而可以进一步减小界面层的电场强度，有效抑制电荷俘获，提升耐久性。

36、另外，在混合铁电层中间插入的铁电薄层不仅可以隔离hzo和hao铁电层，防止二者之间的相互扩散，还可以作为缺陷阻挡层，避免在耐久循环中混合铁电层内氧空位等缺陷的大量迁移和聚集，从而抑制导电通路的形成，进而避免混合铁电层的击穿导致性能失效，进一步优化耐久性。

37、三、制备工艺成熟，与先进结点cmos工艺兼容，可以与cmos逻辑电路实现混合集成。

38、该制备工艺中所使用的材料、设备、技术等大多已被广泛应用在cmos制造中，与先进结点的cmos工艺完全兼容，该基于铪锆氧和铪铝氧混合铁电层的高线性度高耐久fefet存储器有望与cmos逻辑电路在同一芯片上实现混合集成，实现复杂的片上存内计算任务。