[发明专利]铁电场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铁电场效应晶体管及其制备方法。该铁电场效应晶体管包括衬底、源/漏极、栅堆叠和侧墙，栅堆叠由沿远离衬底的方向顺序层叠的栅介质层、下电极层、铁电层、绝缘介质层和栅极组成。由于该铁电场效应晶体管下电极和铁电层通过绝缘介质层与栅极相分离，达到在改善铁电层铁电特性的同时，还能降低下电极与栅极间的漏电的目的，借此改善器件工作特性，并保证铁电场效应晶体管的正常工作。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种铁电场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

随着CMOS器件集成密度的提升，日益增长的功耗将成为制约集成电路进一步发展的重要瓶颈。通过减小器件的亚阈值摆幅来降低工作电压是降低功耗的有效方案，而负电容场效应晶体管是实现该方案的有效技术路线。

基于浮栅或电荷俘获基理的存储器在擦写过程中，载流子需要在较高电场(栅电压大于5V)下隧穿越过栅介质，因此给电路设计提出挑战，并且限制了器件的工作寿命。基于极化翻转的铁电存储器件由于只需要较小的摖写电压，并且不涉及隧穿机制，因此能避免相关问题。

铁电场效应晶体管在负电容场效应晶体管和存储器件方面都有重要应用前景。由于基于氧化铪(铪基)的铁电氧化物与现有的大规模集成制造工艺具有良好的兼容性，因此采用该类材料的铁电场效应晶体管具有重要应用潜力。在现有的铪基铁电场效应晶体管器件中，金属电极层/铁电材料层/金属电极层通常集成到栅介质层之上，与晶体管的栅极串联，构成铁电场效应晶体管。当铁电薄膜层的负电容绝对值大于晶体管的栅极电容时，该铁电场效应晶体管可用作负电容场效应晶体管(低功耗)，反之，则可用于1T结构的铁电存储器件。在现有铪基铁电场效应晶体管中，由于铪基铁电氧化物薄膜的形成需历经结晶过程，导致位于铁电氧化物薄膜两侧的金属电极层之间出现较大漏电，从而导致铁电场效应晶体管难以正常工作。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铁电场效应晶体管及其制备方法，以解决现有技术中铁电场效应晶体管难以正常工作的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铁电场效应晶体管，包括衬底、源/漏极、栅堆叠和侧墙，栅堆叠由沿远离衬底的方向顺序层叠的栅介质层、下电极层、铁电层、绝缘介质层和栅极组成。

进一步地，形成绝缘介质层的材料选自SiO₂、HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和Si₃N₄中的任一种或多种。

进一步地，绝缘介质层的厚度为2～10nm。

进一步地，形成铁电层的原料为铪基铁电氧化物，铪基铁电氧化物为掺有锆、硅、铝、钇、钆、锶和镧中任一种或多种的氧化铪，优选铁电层的厚度为1～10nm。

进一步地，形成下电极层的材料为TiN和/或TaN，优选下电极层的厚度为1～5nm。

进一步地，栅介质层包括依次远离衬底的SiO₂中间层和高-k介质层，优选形成高-k介质层的材料选自HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和Si₃N₄中的任一种或多种。

进一步地，SiO₂中间层的厚度为

根据本发明的另一方面，提供了一种铁电场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：S1，提供具有源/漏极的衬底；S2，在位于源/漏极之间的衬底表面形成栅介质层，并在栅介质层表面形成包括下电极层、铁电层和上电极层的铁电电容；S3，去除上电极层，并在铁电层上形成绝缘介质层；以及S4，在绝缘介质层上形成栅极。