[发明专利]基于金属氧化物气相沉积铁电动态随机存储器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子新材料与器件技术领域，特别涉及一种基于高介电常数薄膜(简称：高K介质薄膜)的铁电动态随机存储器(FEDRAM)的制备技术。

背景技术

铁电材料具有自发极化且自发极化能随外加电场而取向，去掉外电场后，铁电材料的极化可以处于大小相等、方向相反的两个剩余极化(±P_r)状态，这两种稳定的极化状态可以在外电场的作用下实现“1”和“0”状态之间的转换，因而可作为存储器的二进制代码。由于不需要依靠外电场来保持记忆，因此，早在1952年，Anderson就利用这种原理首次提出了非挥发性铁电随机存储器(Nonvolatile Ferroelectric Random AccessMemory-NVFRAM)的概念。

非挥发性铁电存储器主要有两种结构形式：一种是铁电随机存取存储器(FeRAM)，一种是铁电场效应晶体管(FeFET)。FeRAM的存储单元主要是依靠铁电电容来进行数据的存储，铁电电容是其核心。FeRAM具有不挥发、写入快、功耗低、可擦写次数多以及抗辐射能力强等特点，已成为非挥发铁电存储器中发展最快的一类。但是存在的缺点是：对数据的读出具有破坏性，必须采取回写方式；同时，由于采用电容结构也限制了存储容量的进一步提高。

FeFET是将铁电薄膜直接沉积在场效应管(FET)的栅区，利用铁电材料的自发极化对源漏间电流的控制来实现对数据的存取，由于这种结构不含铁电电容，因而尺寸较小，可以得到较FeRAM更高的存储密度；同时FeFET的存储原理决定了其非破坏性的数据读出。理论上，FeFET较FeRAM更能体现铁电存储器的优势。因此，早在1955年，贝尔实验室就首次提出了关于FeFET的想法，但直到1974年，S.Y.Wu等人才首次报道了基于钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)铁电薄膜的FET器件。但是由于铁电薄膜与Si(F-S)之间的界面存在着注入电荷、界面陷阱以及薄膜本身的缺陷等问题，使得FeFET的保持时间不够长。为了有效利用FeFET结构本身的一些优势，又克服FeFET在实现中遇到的困难，2000年，美国耶鲁大学电子工程系T.P.Ma教授的铁电存储器研究小组认为这种有限次的保持时间总比动态随机存储器(DRAM)的刷新时间长得多，因此，首次提出了铁电动态随机存储器(FEDRAM)的概念(见T.P.Ma，J.P.Han，A ferroelectric dynamic randomaccess memory，U.S.Patent 6067244(2000))。FEDRAM是将铁电薄膜用作MOSFET的栅介质，并在铁电薄膜与Si之间加入隔离层，从而形成金属-铁电薄膜-隔离层-Si(MFIS-FET)场效应晶体管结构，如图1所示，包括：硅衬底11，源区12、漏区13，隔离层介质膜14，铁电薄膜层15，栅电极16，源极17，漏极18。在硅衬底11中形成源区12和漏区13，在硅衬底11的上面形成隔离层介质膜14，在隔离层介质膜14上面形成铁电薄膜层15，在铁电薄膜层15上形成栅电极16。源极17和漏极18在栅电极16的两侧。

在上述结构中，硅衬底11中形成源区12和漏区13，其端部分别与隔离层介质膜14中的一部分接触。隔离层介质膜14为氮化物(Si₃N₄)。铁电薄膜层15为钽酸锶铋(SrBi₂Ta₂O₉:SBT)。栅电极16为金(Au)或者铂(Pt)。源极17和漏极18为铝(Al).

上述器件结构的制备工艺包括：

(1)对p型Si基片先进行清洗和氧化

p型Si基片电阻率为：6-9Ω·cm或者21-24Ω·cm，氧化层厚度为1000nm；

(2)利用磷(P₂O₅)进行注入形成源漏区

(3)制备隔离层介质薄膜

利用喷射气相沉积(JVD)方法生长氮化硅(Si₃N₄)隔离层介质薄膜，薄膜厚度约为5～6nm；之后在氮气中退火30分钟，温度为800℃；

(4)制备铁电薄膜

利用金属氧化物沉积(MOD)方法生长钽酸锶铋(SrBi₂Ta₂O₉，简写为SBT)铁电薄膜，厚度为200～260nm；并在氧气中退火1小时，温度为800～900℃；

(5)制备栅电极