一種鐵電場效應晶體管及其制備方法與流程

本發明涉及一種晶體管及其制備方法，尤其是一種鐵電場效應晶體管及其制備方法。

背景技術：

近年來，我國在航空航天領域的發展非常迅猛，如“神舟”系列飛船的成功發射和返回、“北斗”衛星導航系統的建設、“嫦娥”探月工程和“天宮”空間實驗室的實施等，對存儲器芯片長期使用的可靠性問題提出了更高的要求。然而，由于抗輻照加固技術在航空航天技術中屬于高度敏感技術，世界上幾乎所有航空航天大國的研究機構和大型微電子公司都在這個領域投入了大量的人力物力，開展半導體材料、器件、集成電路及存儲器的輻照效應機理和加固技術研究，以搶占戰略制高點、爭奪制天權、獲取最大的商業利益。以美日歐為首的西方33國制定了“導彈技術控制制度(mtcr)”，明確規定抗輻照加固與模擬試驗技術等對我國一律實行嚴格控制或禁運。

鐵電存儲器是當今信息高新技術的重要前沿和研究熱點之一。與傳統的半導體存儲器相比，鐵電存儲器除了有信息高密度存儲和快速擦寫特性，還具備了電壓低、成本低、損耗低、體積小、抗輻照等顯著優點，具有極大的產業化潛力。由于鐵電存儲器的存儲單元是根據鐵電材料的極化來控制其“開”“關”狀態，因α粒子、宇宙射線、重離子、γ射線、x射線等輻射源不可能造成其極化改變而去改變一個單元已給定的存儲狀態，因此它具有極強的強耐輻射能力，特別適合于空間和航天技術應用。現有研究表明，鐵電存儲器抗電離輻射能力達到105gy以上，抗γ瞬時劑量率能力大于109gy/s，抗中子輻射能力達到1015cm-2，無單粒子擾動，而傳統mos場效應管γ輻射損傷容限僅為102gy左右。

所以相對于傳統的非揮發性存儲器如flash而言，采用鐵電薄膜材料作為存儲介質的鐵電存儲器具有較好的抗輻射性能。但是鐵電存儲器中包含了si場效應晶體管陣列，其整體的抗輻射性能受限于si場效應晶體管的抗輻射能力。為了延長鐵電存儲器在空間輻射環境下的服役壽命，需要對鐵電存儲器中的si場效應晶體管進行抗輻射加固，與第一代半導體材料si相比，第二代和第三代半導體材料普遍具有更大的原子位移閾能和禁帶寬度，所以具有更好的抗輻射性能和溫度穩定性。因此，近年來鐵電薄膜材料與gaas、sic、gan和金剛石等第二代和第三代半導體材料的集成受到了鐵電領域科研工作者極大的關注。

技術實現要素：

基于此，本發明的目的在于克服上述現有技術的不足之處而提供一種功耗低、抗輻射性能好的鐵電場效應晶體管。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：一種鐵電場效應晶體管，包括：

襯底；

在所述襯底上形成的溝道層；

在所述溝道層上形成的源極區和漏極區，所述源極區和所述漏極區對稱形成于所述溝道層的兩端；

在所述溝道層上且在所述源極區和所述漏極區之間形成的緩沖層；

在所述緩沖層上形成的鐵電柵介質層；

在所述鐵電柵介質層上形成的柵電極；

在所述源極區上形成的源電極；

以及

在所述漏極區上形成的漏電極。

優選地，所述溝道層由β-ga2o3材料組成。

利用β-ga2o3作為溝道材料為fefet抗輻射加固和溫度穩定性的提高提供保障。β-ga2o3作為一種熱穩定性和化學穩定性都良好的寬禁帶半導體材料，且預期具有非常好的抗輻射性能，比sic和gan更大的禁帶寬度、更高的baliga品質因數(bfom)值和更便宜的價格，利用β-ga2o3作為溝道材料可以提高鐵電薄膜fefet的整體抗輻射性能和溫度穩定性。

優選地，所述溝道層還摻雜有錫，所述錫的摻雜濃度為10¹⁵～10¹⁶cm^-3。

優選地，所述溝道層的厚度為200nm～300nm。

優選地，所述源電極包括ti源電極和au源電極，所述au源電極形成于所述ti源電極的上；所述漏電極包括ti漏電極和au漏電極，所述au漏電極形成于所述ti漏電極的上。

優選地，所述襯底由硅材料或鍺材料組成。

優選地，所述緩沖層為絕緣層，或者所述緩沖層為絕緣層和金屬層組成的雙層結構。

優選地，所述鐵電柵介質層的材料為bi4ti3o12、srbi2ta2o9、pbtio3、batio3、bifeo3中的至少一種，或la、nd、ce、sr、zr、mn、w、na中的至少一種與bi4ti3o12、srbi2ta2o9、pbtio3、batio3、bifeo3中的至少一種摻雜形成的物質，或zr摻雜hfo2、si摻雜hfo2、al摻雜hfo2、y摻雜hfo2中的至少一種。

優選地，當所述緩沖層為絕緣層和金屬組成的雙層結構時，所述絕緣層的厚度為2nm～10nm，所述金屬層的厚度為50nm～80nm。

優選地，所述鐵電柵介質層的厚度為5nm～600nm。

同時，本發明還提供一種上述鐵電場效應晶體管的制備方法，包括如下步驟：

(1)在襯底上形成溝道層；

(2)在步驟(1)上形成的溝道層上形成源極層、漏極層；

(3)采用離子注入工藝，對步驟(2)中的源極層和漏極層進行離子注入，形成源極區和漏極區；

(4)對步驟(3)所得源極區和漏極區進行激活處理，得到源極和漏極；

(5)在經過步驟(4)處理后的溝道層上淀積緩沖層；

(6)在步驟(5)中的緩沖層上淀積鐵電柵介質層；

(7)在步驟(6)中的鐵電柵介質層上淀積柵金屬，得到柵電極；

(8)去除經過步驟(7)處理后的源極區和漏極區上的緩沖層、鐵電柵介質層及柵電極；

(9)在經過步驟(8)處理后的源極和漏極上形成源電極和漏電極，即得所述鐵電場效應晶體管。

優選地，所述步驟(1)中，采用低溫固源分子束外延工藝，在襯底上外延生長一層溝道層，外延溫度為500℃～700℃，沉積速率為0.6μm/h。

優選地，所述步驟(2)和(8)中采用365nmi線光刻工藝。本領域技術人員可根據需要選擇合適的刻蝕配方。

優選地，所述步驟(2)中，離子注入工藝的條件為：在n⁺型源極區和n⁺型漏極區注入能量為20-25kev、劑量為10¹⁸-10¹⁹cm^-3的si⁺離子。

優選地，所述步驟(4)中激活處理的過程為：在800℃～950℃下對步驟(3)中的源極區和漏極區進行熱退火處理。

所述步驟(6)中所采用的工藝為本領域所公認合適的薄膜淀積工藝，包括磁控濺射、脈沖激光沉積、原子層淀積等薄膜沉積工藝，但不局限于此。

優選地，所述步驟(7)中的柵金屬為tin、tan、pt中的至少一種。

優選地，所述步驟(10)中采用磁控濺射工藝，所述磁控濺射工藝的溫度為200℃～300℃，所述源、漏電極濺射ti金屬厚度為20nm～30nm,所述源、漏電極濺射au金屬的厚度為100nm～150nm。

相對于現有技術，本發明的有益效果為：

本發明采用β-ga2o3作為溝道材料，一種熱穩定性和化學穩定性都良好的寬禁帶半導體材料，且預期具有非常好的抗輻射性能，可以加固溝道部位的抗輻射能力。

附圖說明

圖1為本發明所述鐵電場效應晶體管的一種剖面結構圖；

圖2為本發明所述鐵電場效應晶體管制作方法的一種流程圖；

其中，1、襯底；2、溝道層；3、源極區；4、緩沖層；5、鐵電柵介質層；6、柵電極；7、漏極區；8、ti漏電極；9、au漏電極；10、ti源電極；11、au源電極。

具體實施方式

為更好的說明本發明的目的、技術方案和優點，下面將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。

實施例1

本發明所述鐵電場效應晶體管的一種實施例，本實施例所述鐵電場效應晶體管的一種剖面結構圖如附圖1所示，包括：

襯底1，襯底1由硅材料組成；

在襯底1上形成的溝道層2，溝道層2由β-ga2o3材料組成，溝道層2還摻雜有錫，所述錫的摻雜濃度為10¹⁵cm^-3；

在溝道層2上形成的源極區3和漏極區7，源極區3和漏極區7對稱形成于溝道層2的兩端；

在溝道層2上且在源極區3和漏極區7之間形成的緩沖層4；

在緩沖層4上形成的鐵電柵介質層5；

在鐵電柵介質層5上形成的柵電極6；

在源極區3上形成的源電極，所述源電極包括ti源電極10和au源電極11，au源電極11形成于ti源電極10的上；

以及

在漏極區7上形成的漏電極，所述漏電極包括ti漏電極8和au漏電極9，au漏電極9形成于ti漏電極8的上。

其中，所述溝道層的厚度為200nm；緩沖層由絕緣層組成，具體為鉿基介電材料組成，所述鉿基介電材料為hfo2，所述緩沖層的厚度為8nm；鐵電柵介質層的材料為zr摻雜hfo2，所述鐵電柵介質層的厚度為5nm。

本實施例所述鐵電場效應晶體管的制備方法的一種實施例，包括如下步驟：

步驟1、外延生長β-ga2o3層：

利用低溫固源分子束外延工藝，在襯底上外延生長一層β-ga2o3層，厚度為200nm，外延溫度為500℃，沉積速率為0.6μm/h，圖2(a)為襯底的結構示意圖，圖2(b)為外延生長β-ga2o3溝道后的結構示意圖；

步驟2、光刻形成有源層：

利用光刻工藝，在β-ga2o3層上形成源極層、溝道和漏極層，其中溝道位于β-ga2o3層正中央，源極層和漏極層分別位于溝道兩側；

步驟3、摻雜形成源極區、漏極區：

采用離子注入工藝，對源極層和漏極層進行離子注入，注入條件：在n⁺型源極區和n⁺型漏極區注入能量為25kev、劑量為10¹⁹cm^-3的si⁺離子，形成源極區和漏極區；

步驟4、激活：

在950℃條件下對源極區和漏極區熱退火30min進行激活處理，得到源極區和漏極區，圖2(c)為激活處理得到源極區和漏極區的結果示意圖；

步驟5、淀積緩沖層：

利用原子層淀積工藝，在溫度為280℃，壓強為15hpa的環境下，在步驟4形成的有源層上淀積厚度為8nm的hfo2層，形成絕緣電介質薄膜，圖2(d)為淀積hfo2絕緣電介質薄膜后的結果示意圖；

步驟6、淀積鐵電柵介質層：

利用原子層淀積工藝，在溫度為300℃，壓強為20hpa的環境下，在步驟5形成絕緣電介質薄膜上淀積厚度為5nm的鐵電zr摻雜hfo2薄膜，圖2(e)為淀積鐵電zr摻雜hfo2薄膜后的結果示意圖；

步驟7、淀積柵電極：

利用磁控濺射工藝，在溫度為300℃，壓強為0.32pa，濺射功率為115w的條件下，在鐵電zr摻雜hfo2薄膜上生長120nm的tin，圖2(f)為淀積柵金屬tin后的結果示意圖；

步驟8、光刻和刻蝕：

通過光刻形成源漏電極窗口，刻蝕源極和漏極上的緩沖層/鐵電hfo2/tin，圖2(g)為刻蝕源極和漏極上的緩沖層hfo2/鐵電hfo2/tin完成后的結果示意圖；

步驟9、淀積源、漏電極：

利用磁控濺射工藝，在溫度為260℃，壓強為0.12pa，濺射功率為200w的條件下在步驟8中形成的源漏電極窗口中，淀積形成au/ti源漏電極，厚度分別為20nm/100nm，再通過剝離，完成晶體管的制作，圖2(h)為晶體管制作完畢的結果示意圖。

實施例2

本發明所述鐵電場效應晶體管的一種實施例，本實施例所述鐵電場效應晶體管的一種剖面結構圖如附圖1所示，包括：

襯底1，襯底1由鍺材料組成；

在襯底1上形成的溝道層2，溝道層2由β-ga2o3材料組成，溝道層2還摻雜有錫，所述錫的摻雜濃度為10¹⁶cm^-3；

在溝道層2上形成的源極區3和漏極區7，源極區3和漏極區7對稱形成于溝道層2的兩端；

在溝道層2上且在源極區3和漏極區7之間形成的緩沖層4；

在緩沖層4上形成的鐵電柵介質層5；

在鐵電柵介質層5上形成的柵電極6；

在源極區3上形成的源電極，所述源電極包括ti源電極10和au源電極11，au源電極11形成于ti源電極10的上；

以及

在漏極區7上形成的漏電極，所述漏電極包括ti漏電極8和au漏電極9，au漏電極9形成于ti漏電極8的上。

其中，所述溝道層的厚度為300nm；緩沖層由絕緣層和金屬層組成的雙層結構組成，所述絕緣層為鉿基介電材料組成，所述金屬層為tin，所述鉿基介電材料為al2o3，所述絕緣層的厚度為2nm，所述金屬tin厚度為50nm；鐵電柵介質層的材料為srbi2ta2o9，所述鐵電柵介質層的厚度為100nm。

本實施例所述鐵電場效應晶體管的制備方法的一種實施例，包括如下步驟：

步驟1、外延生長β-ga2o3層：

利用低溫固源分子束外延工藝，在襯底上外延生長一層β-ga2o3層，厚度為300nm，外延溫度為700℃，沉積速率為0.6μm/h，圖2(b)為外延生長β-ga2o3溝道后的結果示意圖；

步驟2、光刻形成有源層：

利用光刻工藝，在β-ga2o3層上形成源極層、溝道和漏極層，其中溝道位于β-ga2o3層正中央，源極層和漏極層分別位于溝道兩側；

步驟3、摻雜形成源極區、漏極區：

采用離子注入工藝，對源極層和漏極層進行離子注入，注入條件：在n⁺型源極區和n⁺型漏極區注入能量為20kev、劑量為10¹⁸cm^-3的si⁺離子，形成源極區和漏極區；

步驟4、激活：

在800℃條件下對源極區和漏極區熱退火30min進行激活處理，得到源極區和漏極區，圖2(c)為激活處理得到源極區和漏極區的結果示意圖；

步驟5、淀積緩沖層：

利用原子層淀積工藝，在溫度為260℃，壓強為12hpa的環境下，在步驟4形成的有源層上淀積厚度為2nm的al2o3層，形成絕緣層薄膜，利用磁控濺射工藝，在溫度為300℃，壓強為0.32pa，濺射功率為115w的條件下，在絕緣層薄膜al2o3上生長50nm的tin，圖2(d)為淀積緩沖層后的結果示意圖；

步驟6、淀積鐵電柵介質層：

利用原子層淀積工藝，在溫度為280℃，壓強為15hpa的環境下，在步驟5形成絕緣電介質薄膜上淀積厚度為100nm的鐵電srbi2ta2o9薄膜，圖2(e)為淀積鐵電srbi2ta2o9薄膜后的結果示意圖；

步驟7、淀積柵電極：

利用磁控濺射工藝，在溫度為300℃，壓強為0.32pa，濺射功率為115w的條件下，在鐵電srbi2ta2o9薄膜上生長120nm的tin，圖2(f)為淀積柵金屬tin后的結果示意圖；

步驟8、光刻和刻蝕：

通過光刻形成源漏電極窗口，刻蝕源極和漏極上的緩沖層/srbi2ta2o9/tin，圖2(g)為刻蝕源極和漏極上的緩沖層al2o3/srbi2ta2o9/tin完成后的結果示意圖；

步驟9、淀積源、漏電極：

利用磁控濺射工藝，在溫度為200℃，壓強為0.12pa，濺射功率為200w的條件下在步驟8中形成的源漏電極窗口中，淀積形成au/ti源漏電極，厚度分別為25nm/125nm，再通過剝離，完成晶體管的制作，圖2(h)為晶體管制作完畢的結果示意圖。

實施例3

本發明所述鐵電場效應晶體管的一種實施例，本實施例所述鐵電場效應晶體管的一種剖面結構圖如附圖1所示，包括：

襯底1，襯底1由硅材料組成；

在襯底1上形成的溝道層2，溝道層2由β-ga2o3材料組成，溝道層2還摻雜有錫，所述錫的摻雜濃度為10¹⁵cm^-3；

在溝道層2上形成的源極區3和漏極區7，源極區3和漏極區7對稱形成于溝道層2的兩端；

在溝道層2上且在源極區3和漏極區7之間形成的緩沖層4；

在緩沖層4上形成的鐵電柵介質層5；

在鐵電柵介質層5上形成的柵電極6；

在源極區3上形成的源電極，所述源電極包括ti源電極10和au源電極11，au源電極11形成于ti源電極10的上；

以及

在漏極區7上形成的漏電極，所述漏電極包括ti漏電極8和au漏電極9，au漏電極9形成于ti漏電極8的上。

其中，所述溝道層的厚度為250nm；緩沖層由絕緣層和金屬層組成的雙層結構組成，所述絕緣層為鉿基介電材料組成，所述金屬層為tin，所述鉿基介電材料為hfalo，所述絕緣層的厚度為10nm，所述金屬tin厚度為80nm；鐵電柵介質層的材料為zr摻雜pbtio3形成的物質，所述鐵電柵介質層的厚度為280nm。

本實施例所述鐵電場效應晶體管的制備方法的一種實施例，包括如下步驟：

步驟1、外延生長β-ga2o3層：

利用低溫固源分子束外延工藝，在襯底上外延生長一層β-ga2o3層，厚度為250nm，外延溫度為600℃，沉積速率為0.6μm/h，圖2(b)為外延生長β-ga2o3溝道后的結果示意圖；

步驟2、光刻形成有源層：

利用光刻工藝，在β-ga2o3層上形成源極層、溝道和漏極層，其中溝道位于β-ga2o3層正中央，源極層和漏極層分別位于溝道兩側；

步驟3、摻雜形成源極區、漏極區：

采用離子注入工藝，對源極層和漏極層進行離子注入，注入條件：在n⁺型源極區和n⁺型漏極區注入能量為25kev、劑量為10¹⁹cm^-3的si⁺離子，形成源極區和漏極區；

步驟4、激活：

在880℃條件下對源極區和漏極區熱退火30min進行激活處理，得到源極區和漏極區，圖2(c)為激活處理得到源極區和漏極區的結果示意圖；

步驟5、淀積緩沖層：

利用原子層淀積工藝，在溫度為260℃，壓強為12hpa的環境下，在步驟4形成的有源層上淀積厚度為6nm的hfalo層，形成絕緣電介質薄膜，圖2(d)為淀積hfalo絕緣電介質薄膜后的結果示意圖；

步驟6、淀積鐵電柵介質層：

利用脈沖激光沉積工藝，單脈沖能量300mj，使激光脈沖的能量密度為2j/cm²，激光重復頻率為10hz沉積氧壓100mtorr,沉積溫度為700℃，在步驟5形成絕緣電介質薄膜hfalo上淀積厚度為280nm的pb(zr0.53ti0.47)o3鐵電薄膜，圖2(e)為淀積pb(zr0.53ti0.47)o3鐵電薄膜后的結果示意圖；

步驟7、淀積柵電極：

利用超高真空電子束工藝，在pb(zr0.53ti0.47)o3鐵電薄膜上生長80nm的tan，圖2(f)為淀積柵金屬tan后的結果示意圖；

步驟8、光刻和刻蝕：

通過光刻形成源漏電極窗口，刻蝕源極和漏極上的緩沖層hfalo/pb(zr0.53ti0.47)o3/tan，圖2(g)為刻蝕源極和漏極上的緩沖層hfalo/pb(zr0.53ti0.47)o3/tan完成后的結果示意圖；

步驟9、淀積源、漏電極：

利用磁控濺射工藝，在溫度為300℃，壓強為0.12pa，濺射功率為200w的條件下在步驟8中形成的源漏電極窗口中，淀積形成au/ti源漏電極，厚度分別為30nm/150nm，再通過剝離，完成晶體管的制作，圖2(h)為晶體管制作完畢的結果示意圖。

實施例4

本發明所述鐵電場效應晶體管的一種實施例，本實施例所述鐵電場效應晶體管的一種剖面結構圖如附圖1所示，包括：

襯底1，襯底1由鍺材料組成；

在襯底1上形成的溝道層2，溝道層2由β-ga2o3材料組成，溝道層2還摻雜有錫，所述錫的摻雜濃度為10¹⁶cm^-3；

在溝道層2上形成的源極區3和漏極區7，源極區3和漏極區7對稱形成于溝道層2的兩端；

在溝道層2上且在源極區3和漏極區7之間形成的緩沖層4；

在緩沖層4上形成的鐵電柵介質層5；

在鐵電柵介質層5上形成的柵電極6；

在源極區3上形成的源電極，所述源電極包括ti源電極10和au源電極11，au源電極11形成于ti源電極10的上；

以及

在漏極區7上形成的漏電極，所述漏電極包括ti漏電極8和au漏電極9，au漏電極9形成于ti漏電極8的上。

其中，所述溝道層的厚度為250nm；緩沖層由鉿基介電材料組成，所述鉿基介電材料為hfn，所述緩沖層的厚度為10nm；鐵電柵介質層的材料為nd與bi4ti3o12摻雜形成的物質，所述鐵電柵介質層的厚度為600nm。

本實施例所述鐵電場效應晶體管的制備方法的一種實施例，包括如下步驟：

步驟1、外延生長β-ga2o3層：

利用低溫固源分子束外延工藝，在襯底上外延生長一層β-ga2o3層，厚度為250nm，外延溫度為500℃，沉積速率為0.6μm/h，圖2(b)為外延生長β-ga2o3溝道后的結果示意圖；

步驟2、光刻形成有源層：

利用光刻工藝，在β-ga2o3層上形成源極層、溝道和漏極層，其中溝道位于β-ga2o3層正中央，源極層和漏極層分別位于溝道兩側；

步驟3、摻雜形成源極區、漏極區：

采用離子注入工藝，對源極層和漏極層進行離子注入，注入條件：在n⁺型源極區和n⁺型漏極區注入能量為25kev、劑量為10¹⁹cm^-3的si⁺離子，形成源極區和漏極區；

步驟4、激活：

在950℃條件下對源極區和漏極區熱退火30min進行激活處理，得到源極區和漏極區，圖2(c)為激活處理得到源極區和漏極區的結果示意圖；

步驟5、淀積緩沖層：

利用原子層淀積工藝，在溫度為280℃，壓強為12hpa的環境下，在步驟4形成的有源層上淀積厚度為10nm的hfo2層，形成絕緣電介質薄膜，圖2(d)為淀積hfo2緩沖層薄膜后的結果示意圖；

步驟6、淀積鐵電柵介質層：

利用脈沖激光沉積工藝，單脈沖能量320mj，使激光脈沖的能量密度為2.5j/cm²，激光重復頻率為12hz，沉積氧壓200mtorr，沉積溫度為750℃，在步驟5形成絕緣電介質薄膜hfo2上淀積厚度為320nm的bi3.15nd0.85ti3o12鐵電薄膜，圖2(e)為淀積bi3.15nd0.85ti3o12鐵電薄膜后的結果示意圖；

步驟7、淀積柵電極：

利用超高真空電子束工藝，在bi3.15nd0.85ti3o12鐵電薄膜上生長80nm的pt，圖2(f)為淀積柵金屬pt后的結果示意圖；

步驟8、光刻和刻蝕：

通過光刻形成源漏電極窗口，刻蝕源極和漏極上的緩沖層hfo2/bi3.15nd0.85ti3o12/pt，圖2(g)為刻蝕源極和漏極上的緩沖層hfo2/bi3.15nd0.85ti3o12/pt完成后的結果示意圖；

步驟9、淀積源、漏電極：

利用磁控濺射工藝，在溫度為260℃，壓強為0.12pa，濺射功率為200w的條件下在步驟8中形成的源漏電極窗口中，淀積形成au/ti源漏電極，厚度分別為20nm/100nm，再通過剝離，完成晶體管的制作，圖2(h)為晶體管制作完畢的結果示意圖。

最后所應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。