一种超晶格结构薄膜及其应用
阅读说明：本技术 一种超晶格结构薄膜及其应用 (Superlattice structure film and application thereof ) 是由 彭悦 韩根全 张悦媛 肖文武 刘艳 郝跃 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超晶格结构薄膜及其应用。本发明的超晶格结构薄膜为多层膜结构,由HfO-(2)和ZrO-(2)周期性交替叠加形成,总厚度为6-20nm；一个周期里所述HfO-(2)和ZrO-(2)的层数相同。本发明的超晶格结构薄膜铁电特性优异,可作为铁电栅介质层替代传统铁电场效应晶体管中的铁电栅介质层,极大地降低栅泄漏电流,优化介质层的介电常数,在提升铁电极化的同时提高器件的抗疲劳特性。(The invention discloses a superlattice structure film and application thereof. The superlattice structure film of the invention is a multilayer film structure and is made of HfO 2 And ZrO 2 Periodically and alternately stacked to form the composite material, and the total thickness is 6-20 nm; said HfO during one cycle 2 And ZrO 2 The number of layers is the same. The superlattice structure film disclosed by the invention has excellent ferroelectric property, can be used as a ferroelectric gate dielectric layer to replace a ferroelectric gate dielectric layer in a traditional ferroelectric field effect transistor, greatly reduces gate leakage current, optimizes the dielectric constant of the dielectric layer, and improves the anti-fatigue property of a device while improving ferroelectric polarization.)
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种超晶格结构薄膜及其应用。
背景技术
半导体存储器作为电子系统信息保存的器件，是保障系统正常运行的核心部件，对其要求为存储密度高、写入速度快、功耗低、可擦写次数多、存储状态稳定等。在这样的背景下，包括阻变存储器(RRAM)、相变存储器(PCM)、磁存储器(MRAM)以及铁电存储器等新型低功耗、非易失性存储器技术成为微电子器件研究的重要方向。在铁电存储器中，铁电场效应晶体管(FeFET)具有很多明显的优势，包括非易失性数据存储、纳秒范围内的编程/擦除时间、低工作电压、几乎无限的耐久性和无损读出。
基于HfO2薄膜的铁电场效应晶体管作为新兴的非易失存储器因其可扩展性和CMOS兼容性而备受关注，然而其抗疲劳特性与传统的钙钛矿铁电材料相比存在较大差距，不能满足高性能器件的应用要求。
原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)因其精确的厚度控制、优异的三维贴合性和均匀的大面积成膜特性，成为制备栅介质薄膜的首选方法。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种超晶格结构薄膜。
本发明的另一目的在于提供上述超晶格结构薄膜的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述超晶格结构薄膜在铁电场效应晶体管中的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超晶格结构薄膜，为多层膜结构，由多层HfO2和多层ZrO2交替叠加形成，总厚度为6-20nm。
优选地，一个周期里所述HfO2和ZrO2的层数相同；更优选地，层数分别为5-15层；最优选地，层数分别为5层、10层或15层。
优选地，一个周期里所述HfO2和ZrO2总厚度分别为4.16埃、8.33埃、12.5埃。
所述HfO2和ZrO2周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长。
上述超晶格结构薄膜的制备方法，是通过原子层沉积(ALD)、磁控溅射或脉冲激光沉积的方法，采用TDMAHf和TDMAZr作为铪源和锆源，将HfO2和ZrO2分别叠加后交替叠加形成。
上述超晶格结构薄膜在铁电场效应晶体管、铁电(MFM)电容中的应用。
一种铁电场效应晶体管，上述超晶格结构薄膜作为铁电栅介质层。
所述铁电场效应晶体管包括：衬底(1)、源极区(2)、漏极区(3)、沟道(4)、铁电栅介质层(5)、栅电极(6)、漏电极(7)、源电极(8)；所述沟道(4)位于衬底(1)上方中央位置，所述源极区(2)和漏极区(3)分布在沟道(4)两侧，所述漏电极(7)和源电极(8)分别分布在漏极区(3)和源极区(2)上方，所述铁电栅介质层(5)及栅电极(6)依次由下至上竖直分布在沟道(4)上方。
优选地，所述衬底的材料为半导体或金属；更优选地，为Ge、Si0.55Ge0.45或Si。
上述铁电场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底(1)上沉积超晶格结构薄膜，形成铁电栅介质层(5)；
(2)利用磁控溅射工艺，在步骤(1)所述铁电栅介质层上沉积TaN，形成栅电极(6)；
(3)利用光刻工艺，在栅电极上标定源极区域、栅极区域和漏极区域；
(4)利用刻蚀工艺，将源极区域和漏极区域四周多余部分刻蚀至衬底表面，将栅极区域两侧的源极区域和漏极区域刻蚀至衬底表面；
(5)对刻蚀后的源极区域、漏极区域的衬底进行离子注入，形成源极区(2)和漏极区(3)，其之间同一水平高度、未被离子注入的区域的衬底即为沟道(4)；
(6)利用退火工艺，对步骤(5)所述源极区和漏极区进行激活；
(7)利用电子束工艺，在步骤(6)所述源极区和漏极区上表面沉积金属，形成源电极(8)和漏电极(7)，得到铁电场效应晶体管。
优选地，所述铁电场效应晶体管的制备方法中步骤的顺序可根据衬底进行调整：先对源极区域和漏极区域进行离子注入，退火，再沉积超晶格结构薄膜，溅射TaN，沉积Ni。
优选地，步骤(1)所述沉积的方法为原子层沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积。
优选地，步骤(2)所述磁控溅射工艺为：在氮气和氩气环境下，以固体Ta作为溅射靶，1×10-7-1.5×10-7pa压强下生长TaN；
优选地，步骤(2)所述TaN的厚度为50-100nm；更优选地，厚度为80nm。
优选地，步骤(4)所述刻蚀采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下进行。
优选地，步骤(5)所述离子注入的工艺为：注入能量20-30keV、离子剂量为1×1015-2×1015cm-3。
优选地，步骤(5)所述离子注入的离子为：在P型晶体管制备中注入BF2 +离子，在N型晶体管制备中注入P+离子。
优选地，步骤(6)所述退火工艺为：在400-900℃条件下对源极和漏极热退火2-5min。
优选地，步骤(7)所述沉积金属的工艺为：以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上表面沉积Ni。
优选地，步骤(7)所述金属的厚度为20-100nm；更优选地，厚度为30nm。
一种铁电电容，包括上电极(1)、铁电栅介质层(2)、衬底(3)，所述铁电栅介质层为上述超晶格结构薄膜。
优选地，所述衬底的材料为半导体或金属；更优选地，为Ge、Si0.55Ge0.45或Si。
所述铁电电容的制备方法包括以下步骤：在衬底上沉积铁电栅介质层，在所述铁电栅介质层上采用光刻剥离工艺形成上电极，或者采用原子层沉积或磁控溅射在所述铁电栅介质层上沉积TaN，光刻刻蚀形成上电极，得到铁电电容。
优选地，所述沉积的方法为原子层沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积。
优选地，所述沉积TaN是在氮气或氩气环境下进行。
优选地，所述沉积TaN的压强为1×10-7-1.5×10-7pa。
优选地，所述沉积TaN的厚度为50-100nm。
优选地，所述刻蚀采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下进行。
优选地，所述铁电电容在氮气氛围下热退火30-60s进行激活。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的超晶格结构薄膜铁电特性优异，可作为铁电栅介质层替代传统铁电场效应晶体管、铁电电容中的铁电栅介质层，极大地降低栅泄漏电流，优化介质层的介电常数，在提升铁电极化的同时提高器件的抗疲劳特性。
附图说明
图1为实施例3超晶格结构薄膜作为铁电栅介质层制备的铁电场效应晶体管截面示意图；其中，1为衬底、2为源极区、3为漏极区、4为沟道、5为铁电栅介质层、6为栅电极、7为漏电极、8为源电极。
图2为MFM(Metal-Ferroelectric-Metal)电容的HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的TEM示意图与元素分析图；其中，a为TEM示意图；b为元素分析图，从上至下依次为DF4、Hf、Zr、O、Si。
图3为常规HfZrOx薄膜的TEM示意图与元素分析图；其中，a为TEM示意图；b为元素分析图，从上至下依次为DF4、Hf、Zr、O、Si。
图4为实施例4超晶格结构薄膜作为介质层制备的铁电电容结构示意图；其中，1为上电极，2为介质层，3为衬底。
图5为实施例4基于HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的铁电电容与基于常规HfZrOx薄膜的MFM电容的P-V对比图；其中，(a)、(c)为基于常规HfZrOx薄膜的MFM电容在不同退火时间下的P-V图，(b)、(d)为基于HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的MFM电容在不同退火时间下的P-V图；横坐标为外加电压，纵坐标为极化强度，表征材料的极化程度。
图6是基于HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的铁电栅介质场效应晶体管与常规铁电栅介质场效应晶体管的±Pr随cycles增大的变化对比图。
图7为基于HfO2-ZrO2超晶格结构的铁电栅介质场效应晶体管与常规铁电栅介质场效应晶体管的±Vc随cycles增大的变化对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1制作Ge基p型场效应晶体管
步骤1：利用原子层沉积工艺，在Ge衬底上沉积一个周期为15层HfO2+15层ZrO2的超晶格结构薄膜，形成15nm厚的超晶格结构的铁电栅介质层；
步骤2：利用溅射工艺，在超晶格结构的铁电栅介质薄膜上，在室温下以固体Ta作为溅射靶，在氮气和氩气环境下，压强为1×10-7pa条件下生长80nm厚的TaN，形成栅电极；
步骤3：利用光刻工艺，在栅电层上标定源极区域、栅极区域、漏极区域；
步骤4：利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将源极区域和漏极区域四周多余部分刻蚀至衬底表面，将源极区域和漏极区域刻蚀至衬底表面；
步骤5：对刻蚀后的源极区域、漏极区域的衬底进行离子注入：
在源极区域的衬底注入能量为20keV、剂量为1×1015cm-3的BF2 +离子，形成P+掺杂的源极区；
在漏极区域的衬底注入能量为20keV、剂量为1×1015cm-3的BF2 +离子，形成P+掺杂的漏极区；
步骤6：利用退火工艺在400℃条件下对源极和漏极热退火5min进行激活处理，得到源极区和漏极区；
步骤7：利用电子束沉积工艺，在室温环境下，以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上表面沉积30nm Ni，形成源电极和漏电极，得到铁电场效应晶体管。
实施例2制作Si0.55Ge0.45基p型场效应晶体管
步骤1：利用原子层沉积工艺，在Si0.55Ge0.45衬底上沉积一个周期为10层HfO2+10层ZrO2的超晶格结构薄膜，形成20nm厚的超晶格结构的铁电栅介质层；
步骤2：利用溅射工艺，在超晶格结构的铁电栅介质薄膜上沉积TaN，形成栅电极，本步骤的具体实现与实施例1的步骤2相同；
步骤3：利用光刻工艺，在TaN层上标定源极区域、栅极区域、漏极区域，本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同；
步骤4：利用刻蚀工艺，将源极区域和漏极区域刻蚀至衬底表面，将栅极区域、源极区域和漏极区域四周多余的部分刻蚀至衬底表面，本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
步骤5：对刻蚀后的源极区域、漏极区域的衬底进行离子注入，形成P+掺杂的源极区和漏极区，本步骤的具体实现与实施例1的步骤5相同。
步骤6：利用退火工艺，在600℃条件下对源极和漏极热退火5min进行激活处理，得到源极区和漏极区。
步骤7：利用电子束沉积工艺，在室温环境下，以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上方沉积30nm Ni，形成源电极和漏电极，得到铁电场效应晶体管。
实施例3制作Si基n型场效应晶体管
步骤1：利用光刻工艺，在Si衬底上标定源极区域、栅极区域、漏极区域。
步骤2：对光刻后的源极区域、漏极区域进行离子注入：
在源极区域注入能量为30keV、剂量为2×1015cm-3的P元素，形成N+掺杂的源极区；
在漏极区域注入能量为30keV、剂量为2×1015cm-3的P元素，形成N+掺杂的源极区；
步骤3：利用退火工艺在900℃条件下对源极和漏极热退火2min进行激活处理，得到源极区和漏极区。
步骤4：利用原子层沉积工艺，在Si衬底上栅极区域沉积一个周期为5层HfO2+5层ZrO2的超晶格结构薄膜，形成10nm厚的超晶格结构的铁电栅介质；
步骤5：利用溅射工艺，在超晶格结构的铁电栅介质薄膜上，在室温下，以固体Ta作为溅射靶，在氮气和氩气环境下，压强为1×10-7pa条件下生长TaN，形成栅电极。
步骤6：利用光刻工艺，在栅极层上，利用光刻工艺，在TaN层上标定源极区、栅极区域、漏极区。
步骤7：利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将源极区和漏极区四周多余部分刻蚀至衬底表面，将栅极区两侧的源极区域和漏极区上表面溅射的TaN刻蚀掉，沟道位于超晶格结构的铁电栅介质薄膜正下方。
步骤8：利用电子束沉积工艺，在室温环境下，以固态Ni作为源，在源极区和漏极区上方沉积30nm Ni，形成源电极和漏电极，得到铁电场效应晶体管。结构如图1所示。
本实施例中通过多个cycles的HfO2和ZrO2交替沉积为HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜，透射电镜(TEM)结果见图1。此薄膜的超晶格结构保持严格周期性，两种原子层薄膜呈现周期性交替排列，且周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此能得到图2a中完整的原子排布，且该多层结构完整性好，并没有发生层与层之间的混叠、融合等情况。结合图1中示出的元素分析(图2b)，Hf元素与Zr元素沿分层结构呈现与原子层分层相同的、周期的、交替的分层情况，说明该周期性交替层结构是由HfO2和ZrO2两种材料构成的，由此证明通过多个cycles的HfO2和ZrO2交替沉积的薄膜结构为超晶格结构薄膜。
采用TDMAHf和TDMAZr作为铪源和锆源制备HfZrOx薄膜(一个周期为1层HfO2+1层ZrO2)，此HfZrOx薄膜结构见图3，薄膜并没有出现分层现象(图3a)，结合元素分析，虽然也出现了Hf元素与Zr元素，但不同元素的原子是混合在一起的(图3b)，因此是单一层的薄膜，即不是超晶格结构。
实施例4制作铁电电容
步骤1：利用原子层沉积工艺，在Ge衬底上沉积超晶格结构薄膜，为铁电栅介质层；
步骤2：利用磁控溅射工艺，在氮气环境下，以固体Ta作为溅射靶、压强范围为1×10-7pa条件下生长80nm厚的TaN，为上电极。
步骤3：利用365nm I线光刻工艺，在上电极上标定电极区域；
步骤4：利用刻蚀工艺刻蚀标定电极区域外的多余部分，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将上电极标定电极区域两侧的区域刻蚀至衬底表面，并进行去胶。
步骤5：利用退火工艺在550℃条件下对电容在氮气氛围下热退火30s、60s进行激活处理，得到铁电电容，结构如图4所示。
效果检测
(1)通过对实施例4铁电电容施加三角波读取其极化强度随电压变化的曲线，检测铁电电容的极化强度。结果如图5所示。对比图5的(a)和(b)，外加电压为零时，常规HfZrOx薄膜的剩余极化强度为22.87μC/cm2，而(b)中HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的剩余极化强度为24.29μC/cm2；此外，两者的饱和极化强度也有差别，当铁电薄膜中极化情况达到饱和时，常规HfZrOx薄膜的的饱和极化强度为32.78μC/cm2(c)，而HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的饱和极化强度达到34.72μC/cm2(d)。在退火时间为60s和30s的电容中，可以观察到相同的极化提高，证明了超晶格结构薄膜极化提高具有普遍性。因此，我们可以得到结论，相对于常规HfZrOx薄膜，HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的极化提高。
(2)通过向实施例3的铁电栅介质场效应晶体管施加一系列脉冲来测试器件的疲劳特性。疲劳特性指铁电薄膜极化经过多次翻转后，其可翻转极化变小，从而丧失了存储功能，因此抗疲劳特性是衡量器件存储性能的重要指标。图6和图7中，空心圆曲线表示基于常规HfZrOx薄膜的铁电场效应晶体管，方形曲线为基于HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的铁电场效应晶体管；横坐标为脉冲的周期数，纵坐标分别为±Pr、±Vc，±Pr为器件的剩余极化强度，而±Vc为器件的翻转电压，两者的差值都可以用来表征铁电栅介质场效应晶体管的抗疲劳特性。随着脉冲周期数的增加，两个参数差值变小的速度越慢，说明器件的抗疲劳特性越好。在图6和图7中，基于常规HfZrOx薄膜的铁电场效应晶体管在1012cycles左右±Pr、±Vc的差值都小于1μC/cm2和1V，而基于HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜铁电场效应晶体管在1013cycles之后还有相当大±Pr、±Vc，这说明基于HfO2-ZrO2超晶格结构薄膜的铁电场效应晶体管抗疲劳特性大于1013cycles。因此，可以得到结论，相对于常规铁电栅介质场效应晶体管，基于超晶格结构薄膜的铁电栅介质场效应晶体管的抗疲劳特性更好。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
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