一种硅基铁电栅薄膜晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅基铁电栅薄膜晶体管及其制备方法，该晶体管底层为斜切单晶硅衬底(1)，中间层从下到上依次为钙钛矿导电氧化物底栅电极(2)、铁电绝缘层(3)和氧化物半导体有源层(4)，顶层为晶体管源极(5)和漏极(6)；其中，所述斜切单晶硅衬底(1)为具有原子尺寸台阶的本征硅。所述铁电栅薄膜晶体管是一种非挥发性存储器件，它除了具有铁电随机存储器的强抗辐射、高读写速度、低功耗等优点之外，还具有开启电压低、开关比大、器件结构和制备工艺更加简单、成本低、易与现有硅工艺兼容，可实现全外延结构的特点。
【专利说明】一种硅基铁电栅薄膜晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子行业非挥发存储器【技术领域】，具体为一种硅基铁电栅薄膜晶体管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]铁电存储器具有非挥发性、低功耗、高读写速度、高存储密度、强抗辐射等优点，在电子信息和国防领域具有非常广阔的应用前景。当前已经商业化的铁电随机存储器主要是基于铁电电容的ITic结构铁电存储器，该存储器具有破坏性读出、单元尺寸大、集成度低等问题。
[0003]铁电栅薄膜晶体管是采用铁电层替代普通薄膜晶体管中的绝缘层(如Si02、Hf02)而制备成的IT结构非挥发铁电存储器。薄膜晶体管根据栅电极位置的不同可以分为底栅和顶栅两种结构，底栅结构因为制备工艺更加简单而受到人们的青睐。底栅结构铁电栅薄膜晶体管与商用铁电随机存储器相比，具有非破坏性读出，单元结构和制备工艺更加简单、铁电薄膜层与氧化物半导体有源层的界面特性好、容易大面积集成、可实现全外延结构的优点。
[0004]铁电栅薄膜晶体管的性能依赖于铁电绝缘层性能的好坏。然而铁电体具有高度的各向异性，从而使它的铁电性、介电性和压电性等强烈依赖于薄膜晶体的取向生长。如Bi4Ti3O12沿a轴方向有着50 μ C/cm2的极化值，而沿c轴方向的极化值却只有4 μ C/cm2 ;另外，a轴Bi4Ti3O12薄膜的介电常数要远大于c轴薄膜。通常在金属电极(如Pt电极)上生长的Bi4Ti3012#电薄膜容易沿c轴或随机取向生长，其介电常数和极化值较小，导致晶体管的开启电压大、开关比小，不利于铁电栅薄膜晶体管的应用。
[0005]为了得到较好的性能，目前的铁电栅薄膜晶体管中的铁电薄膜层一般是在特殊的单晶氧化物基底(如SrTiO3)上外延生长而得到。但是，这些特殊的氧化物单晶基底不但价格昂贵，而且与当前的主流集成电路工艺即硅工艺不兼容。显然，昂贵的基底和与当前成熟硅工艺的不兼容性会限制这类铁电栅薄膜晶体管的应用和发展。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有的铁电栅薄膜晶体管存在的问题，提供一种开启电压低、开关比大、器件结构简单的硅基铁电栅薄膜晶体管。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种制备过程简单、成本低、易于工业化生产的硅基铁电栅薄膜晶体管的制备方法。
[0008]具体的技术方案为:
[0009]一种硅基铁电栅薄膜晶体管，该晶体管底层为斜切单晶硅衬底1，中间层从下到上依次为钙钛矿导电氧化物底栅电极2、铁电绝缘层3和氧化物半导体有源层4，顶层为晶体管源极5和漏极6 ;其中，所述斜切单晶硅衬底I为具有原子尺寸台阶的本征硅。
[0010]发明人考虑到角度过大后台阶宽度过窄，因此发明人优选所述斜切硅衬底I的斜切角度Θ的范围为O。〈Θ≤20°。
[0011]所述斜切硅衬底I的斜切角度Θ较优选为3° < Θ < 10°。
[0012]通过将斜切角度控制在上述范围内可以进一步确保斜切单晶硅台阶的宽度，使其上适合生长钙钛矿导电氧化物底栅电极。
[0013]通过改变衬底的斜切角底，可以有效调控台阶的高度和宽度。
[0014]所述钙钛矿导电氧化物底栅电极2 为 LaNiO3、SrRuO3、La。.TCaa3MnO^Laa67Sra33MnO3或 Laa5Sra5CoO3 薄膜。 [0015]所述铁电绝缘层(3)材料为Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9, PbTi03、BaTiO3 或 BiFeO3，或者为 La、Nd、Ce、Sr、Zr、Mn、W、Na 的一种或者几种掺杂 Bi4Ti3012、SrBi2Ta2O9,PbTiO3^BaTiO3 或BiFeO3中的任意一种。
[0016]所述氧化物半导体有源层4为ZnO、SnO2或In2O3中的任意一种，或者为Al、L1、Sn、Sb、Ga的一种或者几种掺杂ZnO、SnO2、In2O3中的任意一种。
[0017]所述源极5和漏极6为Pt、Au、Ag、Ir或Ti金属层，或者为以上金属中的两种以上所组成的金属复合层，或者为LaNi03、SrRu03、IrO2金属氧化物中的任意一种。
[0018]所述钙钛矿导电氧化物底栅电极2厚度为10~200nm ；
[0019]所述铁电绝缘层3厚度为50~600nm;
[0020]所述氧化物半导体有源层4厚度为10~IOOnm ；
[0021]所述源极5和漏极6厚度分别为10~200nm。
[0022]本发明还提供了所述的硅基铁电栅薄膜晶体管的制备方法，具体制备步骤为:[I]清洗斜切单晶硅基片，以用作衬底；[2]在斜切单晶硅衬底上生长钙钛矿导电氧化物底栅电极；[3]在钙钛矿导电氧化物底栅电极上生长铁电绝缘层；[4]在铁电绝缘层上生长氧化物半导体有源层；[5]在氧化物半导体有源层上生长晶体管的源极和漏极。
[0023]所述步骤[2]和[3]通过脉冲激光沉积法或磁控溅射法生长。
[0024]所述步骤[2]具体为:通过控制沉积条件和斜切硅衬底的取向与角度来调控钙钛矿导电氧化物薄膜的晶体取向和晶格常数，所得的取向生长的钙钛矿导电氧化物薄膜作为晶体管的底栅电极层和生长铁电绝缘层的模板层。
[0025]所述步骤[3]具体为:通过钙钛矿导电氧化物栅电极2作为模板层生长特定择优取向的铁电绝缘层。
[0026]本发明的有益效果
[0027]本发明的铁电栅薄膜晶体管以斜切单晶本征硅作为衬底、钙钛矿导电氧化物薄膜作为底电极层、铁电薄膜作为绝缘层、氧化物半导体薄膜作为有源层。通过选用具有原子台阶的斜切硅衬底以及钙钛矿导电氧化物薄膜电极的共同作用来调控铁电薄膜的择优取向生长；首先在具有原子台阶的斜切硅衬底上制备出高取向的钙钛矿导电氧化物薄膜电极，再以高取向的钙钛矿氧化物薄膜为模板层制备得到具有特定择优取向的铁电绝缘层。与其它铁电薄膜相比，本发明的铁电绝缘层具有更大的剩余极化和介电常数，从而使得铁电栅薄膜晶体管具有大的开关比、较低的开启电压，这非常有利于提高铁电栅薄膜晶体管的工作性能，并降低功耗；此外，本发明的铁电栅薄膜晶体管的衬底采用的是斜切单晶本征硅衬底，不需要掺杂成P型硅或N型硅，易于与现有硅工艺兼容、成本低、易于工业化生产；且本发明的铁电栅薄膜晶体管是采用底栅薄膜晶体管结构，器件结构和制备工艺更加简单，不 需要引入绝缘缓冲层，退极化问题小，并可实现全外延结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明所述硅基铁电栅薄膜晶体管的结构示意图；
[0029]图2为台阶状斜切衬底表面50 X 50nm2AFM形貌图；
[0030]图3为实施例1和对比例1、2所制备的硅基铁电栅薄膜晶体管中Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜层的XRD图谱对比图；
[0031 ] 从图中可以看出，对比例I所制备的Bi3.15Nd0.85Ti3012铁电薄膜层主要沿c轴生长；对比例2中的Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜随机取向生长；而实施例1所制备的Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜层主要沿(200)取向生长，有一个明显的a轴择优取向。
[0032]图4为实施例1和对比例1、2所制备的硅基铁电栅薄膜晶体管中Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜层的电滞回线对比图；
[0033]从图中可以看出，实施例1所制备的Bi3.15Nd0.85Ti3012铁电薄膜层比对比例I和对比例2所制备的Bi3.15Nda85Ti3012#电薄膜层具有更大的极化值，这主要是因为Bi115Nda85Ti3O12的极化主要沿a轴方向，而实施例1所制备的Bi3.15Nda85Ti3012铁电薄膜层有一个明显的a轴择优取向。
[0034]图5为实施例1和对比例1、2所制备的的硅基铁电栅薄膜晶体管中Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜层的介电频谱对比图；
[0035]从图中可以看出，实施例1所制备的Bi3.15Nda85Ti3012铁电薄膜层的介电常数要明显大于对比例I和对比例2所制备的Bi3.15Nda85Ti3012铁电薄膜层。
[0036]图6为实施例1所制备的硅基铁电栅薄膜晶体管的输出特性曲线；
[0037]从图中可以看出，实施例1制备的硅基铁电栅薄膜晶体管呈现典型N型增强型晶体管特性。
[0038]图7为实施例1所制备的硅基铁电栅薄膜晶体管的线性转移特性曲线及其拟合曲线。
[0039]从图中可以看出，实施例1制备的硅基铁电栅薄膜晶体管的开启电压小，为1.1V。
[0040]图8为实施例1所制备的硅基铁电栅薄膜晶体管的对数转移特性曲线。
[0041]从图中可以看出，实施例1制备的硅基铁电栅薄膜晶体管的电流开关比大，达到
1.8X106。
【具体实施方式】
[0042]以下实例旨在说明本发明，而不是对本发明的进一步限定。
[0043]实施例1
[0044]本实施例是采用脉冲激光沉积法在[100]方向斜切角度Θ为6°的Si (100)衬底上制备以LaNiO3薄膜作为底栅电极、Bi3.15Nda 85Ti3012铁电薄膜作为绝缘层、ZnO薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0045](I)衬底和靶材的安装
[0046]在真空腔中，将LaNi03、Bi3.15NdQ.85Ti3012和ZnO靶材安装于多靶材架上，将斜切Si衬底清洗干净后安装在衬底架上，使激光束的方向对准LaNiO3靶材，调节衬底与靶材的距离至87mm。
[0047](2)抽真空
[0048]依次打开机械泵和分子泵，将真空腔内的压强抽至5X 10_8TOrr。
[0049](3)激光镀膜
[0050]开启KrF准分子激光器(激光波长为248nm)，调整好激光器的单脉冲能量至320mJ，使激光单脉冲的能量密度为2J/cm2，激光重复频率为IOHz ;再往真空腔内通入氧气，氧气压强固定在200mTorr，开衬底加热装置，将衬底升温到600°C ;将激光器发射的激光束辐照LaNiO3靶材上，开始在衬底上镀膜；镀膜20min后，得到高(110)取向的LaNiO3导电薄膜，其厚度为50nm ;之后待样品冷却至室温之后，在LaNiO3薄膜上覆盖掩膜板，以留出底栅电极，并将Bi3.15Nda85Ti3012靶材转到激光照射的靶位，衬底温度升温到700°C后，在LaNiO3导电薄膜上进行Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜层的沉积；镀膜60min后，得到具有a轴择优取向的Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜层，其厚度为550nm ;最后将ZnO靶材转到激光照射的靶位，并将衬底温度和氧压分别下降到400°C和IOmTorr在Bi3.15Nd0.85Ti3012铁电层上沉积ZnO半导体有源层，镀膜时间为lOmin，其厚度为60nm ;依次关闭激光器、氧气阀门、衬底加热控制器、分子泵和机械泵，待样品冷却至室温后，取出样品。
[0051](4)制备晶体管源极和漏极
[0052]结合掩膜技术和直流溅射法在半导体有源层ZnO薄膜表面镀Pt源极和漏极，其厚度为150nm，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0053]对制备的晶体管中的铁电层进行XRD分析，XRD的光源为Cu Ka射线，扫描范围为10?60°，速度扫描为4° /min。结果如图3所示，Bi3.15NdQ.85Ti3012铁电薄膜呈现一个明显的a轴择优取向。
[0054]采用铁电分析仪测试了铁电层的电滞回线，其结果如图4所示，其有一个较大的剩余极化值，为20 μ C/cm2。
[0055]采用B1500A半导体器件分析仪测试了铁电层的介电频谱(如图5)以及铁电栅薄膜晶体管的输出特性(如图6)、转移特性(如图7和图8)，得到频率为IMHz时铁电层的介电常数为248,晶体管的开启电压为1.1V,电流开关比为1.8X 106。
[0056]实施例2
[0057]本实施例是采用脉冲激光沉积法在[100]方向斜切角度Θ为6°的Si (OOl)衬底上制备以LaNiO3薄膜作为底栅电极、Pb (Zra53Tia47)O3铁电薄膜作为绝缘层、ZnO薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0058](I)衬底和靶材的安装
[0059]所选用的铁电材料靶材为Pb(Zra53Tia47)O3靶材，其余同实施例1。
[0060]⑵抽真空
[0061]同实施例1
[0062](3)激光镀膜
[0063]LaNiO3的沉积氧压为50mTorr,得到高c轴取向的LaNiO3薄膜，其厚度为50nm ；Pb(Zra53Tia47)O3铁电薄膜的沉积氧压为IOOmTorr,沉积温度为600°C，得到具有c轴择优取向的Pb(Zra53Tia47)O3铁电层薄膜，其厚度为320nm;其余同实施例1。
[0064](4)制备晶体管源极和漏极[0065]同实施例1，得到铁电栅薄膜晶体管
[0066]实施例3
[0067]本实施例是采用脉冲激光沉积法在[110]方向斜切角度Θ为5°的Si (100)衬底上制备以LaNiO3薄膜作为底栅电极、Bi3.25La0.75Ti3012铁电薄膜作为绝缘层、In2O3 = Sn薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0068](I)衬底和靶材的安装
[0069]所选用的铁电材料靶材和氧化物半导体靶材分别为Bi3.25La0.75Ti3012靶材和In2O3: Sn祀材,其余同实施例1。
[0070]⑵抽真空
[0071]同实施例1
[0072](3)激光镀膜
[0073]Bi125Laa75Ti3O12铁电薄膜的沉积氧压为250mTorr，沉积温度为750°C，得到具有a轴择优取向的Bi125Laa75Ti3O12铁电层薄膜，其厚度为500nm ;In2O3: Sn薄膜的沉积氧压为IOmTorr,沉积温度为300°C，其厚度为20nm ;其余同实施例1。
[0074](4)制备晶体管源极和漏极
[0075]同实施例1，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0076]实施例4
[0077]本实施例是采用脉冲激光沉积法在[100]方向斜切角度Θ为5°的Si (001)衬底上制备以LaNiO3薄膜作为底栅电极、Pb (Zra53Tia47)O3铁电薄膜作为绝缘层、In2O3 = Sn薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0078](I)衬底和靶材的安装
[0079]所选用的铁电材料靶材和氧化物半导体靶材分别为Pb(Zra53Tia47)O3靶材和In2O3: Sn祀材,其余同实施例1。
[0080]⑵抽真空
[0081]同实施例1
[0082](3)激光镀膜
[0083]LaNiO3的沉积氧压为50mTorr,得到高c轴取向的LaNiO3薄膜,其厚度为IOOnm ；Pb(Zra53Tia47)O3的沉积氧压为IOOmTorr,沉积温度为600°C，得到具有c轴择优取向的Pb(Zra53Tia47)O3铁电层薄膜，其厚度为280nm ;In2O3:Sn的沉积氧压为IOmTorr,基底温度为300°C ;其厚度为20nm，其余同实施例1。
[0084](4)制备晶体管源极和漏极
[0085]同实施例1，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0086]实施例5
[0087]本实施例是采用脉冲激光沉积法在[100]方向斜切角度Θ为3。的Si (001)衬底上制备以Laa 67Sr0.33Μη03薄膜作为底栅电极、Pb (Zr0.52Ti0.48) O3铁电薄膜作为绝缘层、In2O3 = Sn薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0088](I)衬底和靶材的安装
[0089]所选用的导电氧化物靶材、铁电材料靶材和氧化物半导体靶材分别为La0 67Sr0.33Μη03革巴材、Pb (Zr0 52Ti0 48) O3革巴材和In2O3: Sn革巴材，其余同实施例1。[0090]⑵抽真空
[0091]同实施例1
[0092](3)激光镀膜
[0093]La0.67Sr0.33Μη03的沉积氧压为20mTorr，沉积温度为700°C，得到高c轴取向的Laa67Sra33MnO3 薄膜，其厚度为 IOOnm ;Pb (Zra53Tia47) O3 的沉积氧压为 IOOmTorr,沉积温度为600°C，得到具有高c轴择优取向的Pb(Zra53Tia47)O3铁电层薄膜，其厚度为280nm ；In2O3 = Sn的沉积氧压为IOmTorr,基底温度为300°C ;其厚度为20nm，其余同实施例1。
[0094](4)制备晶体管源极和漏极
[0095]同实施例1，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0096]实施例6
[0097]本实施例是采用脉冲激光沉积法在[100]方向斜切角度Θ为20°的Si (001)衬底上制备以Laa5Sra5CoO3薄膜作为底栅电极、Pb (Zra52Tia48) O3铁电薄膜作为绝缘层、In2O3 = Sn薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0098](I)衬底和靶材的安装
[0099]所选用的导电氧化物靶材、铁电材料靶材和氧化物半导体靶材分别为La0.5Sr0.5Co03革巴材、Pb (Zr0.52Ti0.48) O3革巴材和In2O3: Sn靶材，其余同实施例1。
[0100](2)抽真空
[0101]同实施例1
[0102](3)激光镀膜
[0103]La0 5Sra 5Co03的沉积氧压为50mTorr,沉积温度为750 °C,得到高c轴取向的Laa5Sra5CoO3薄膜，其厚度为80nm ;Pb (Zra53Tia47) O3的沉积氧压为IOOmTorr,沉积温度为600 V，得到具有c轴择优取向的Pb (Zr0.53Ti0.47) O3铁电层薄膜，其厚度为200nm ； In2O3: Sn的沉积氧压为IOmTorr,基底温度为300°C ;其厚度为10nm，其余同实施例1。
[0104](4)制备晶体管源极和漏极
[0105]结合掩膜技术和磁控溅射法在半导体有源层ZnO薄膜表面镀SrRuO3源极和漏极，其厚度为lOOnm，得到铁电栅薄膜晶体管。同实施例1，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0106]实施例7
[0107]本实施例是采用磁控溅射法在[100]方向斜切角度Θ为4。的Si (001)衬底上制备以SrRuO3薄膜作为底栅电极、BiFeO3铁电薄膜作为绝缘层、In2O3 = Sn薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0108](I)衬底和靶材的安装
[0109]在真空腔中，将SrRu03、BiFeO3和In2O3 = Sn靶材安装于多靶材架上，将斜切Si衬底清洗干净后安装在衬底架上，调节衬底与靶材的距离至45mm。
[0110](2)抽真空
[0111]依次打开机械泵和分子泵，将真空腔内的压强抽至4X 10_4Pa。
[0112](3)磁控溅射镀膜
[0113]工作压强设为4Pa,借助流量计向真空室内通入Ar和O2的混合气体(Ar:02 =3:1)，打开加热炉，将基底温度升至650°C，溅射功率设为70W，制备高c轴取向的SrRuO3薄膜底电极层，其厚度为IOOnm ;之后待样品冷却至室温室之后，在SrRuO3薄膜上覆盖掩膜板，以留出底栅电极，将基底温度升至550°C后在SrRuO3底电极上生长BiFeO3铁电薄膜，得到高c轴取向的BiFeO3铁电薄膜绝缘层，其厚度为280nm ;将工作压强调整为0.6Pa(Ar:02=10:1),基底温度降至300°C在BiFeO3铁电绝缘层上生长In2O3 = Sn氧化物半导体薄膜，其厚度为20nm ;依次关闭衬底加热控制器、分子泵和机械泵，待样品冷却至室温后，取出样
品O
[0114](4)制备晶体管源极和漏极
[0115]结合掩膜技术和直流溅射法在半导体有源层In2O3: Sn薄膜表面镀Pt源极和漏极，其厚度为lOOnm，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0116]实施例8
[0117]本实施例是采用磁控溅射法在[110]方向斜切角度Θ为4°的Si (001)衬底上制备以SrRuO3薄膜作为底栅电极、BiFeO3铁电薄膜作为绝缘层、ZnO薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，包括以下步骤:
[0118](I)衬底和靶材的安装
[0119]所选用的氧化物半导体祀材为ZnO祀材,其余同实施例5。
[0120](2)抽真空
[0121]同实施例5
[0122](3)磁控溅射镀膜
[0123]ZnO沉积压强为IPa(其中Ar = O2 = 2:1)，沉积温度为300°C，其厚度为30nm ;其余同实施例5。
[0124](4)制备晶体管源极和漏极
[0125]同实施例1，得到铁电栅薄膜晶体管。
[0126]对比例I
[0127]为了对比实施例1中采用斜切基底和钙钛矿底栅电极作为模板层来调控铁电层薄膜取向生长的有益效果，按照实施例1的制备方法，在斜切角度Θ为O。的Si (100)衬底上制备了以贵金属Pt作为底栅电极、Bi3.15Nd0.85Ti3012铁电薄膜作为绝缘层、ZnO薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，除了基底与底栅电极之外，其他与实施例1 一致。
[0128]Pt底栅电极层的制备方法为直流磁控溅射方法。溅射功率为80W，溅射气氛为Ar，气压为1.5Pa，生长温度为200°C，其厚度为200nm。
[0129]对制备的晶体管中的铁电层进行XRD分析，XRD的光源为Cu Ka射线，扫描范围为10?60。，速度扫描为4。/min。结果如图3所示，Bi115Nda85Ti3O12铁电薄膜主要呈c轴生长。
[0130]采用铁电分析仪测试了铁电层的电滞回线，其结果如图4所示，其有剩余极化值为10 μ C/cm2,小于实验例I中的极化值。
[0131]采用B1500A半导体器件分析仪测试了铁电层的介电频谱，频率为IMHz时其介电常数为128,小于实施例1中的介电常数。
[0132]对比例2
[0133]为了对比实施例1中采用斜切基底来调控铁电层薄膜取向生长的有益效果，按照实施例1的制备方法，在斜切角度Θ为O。的Si (100)衬底上制备了以LaNiO3薄膜作为底栅电极、Bi3.15Nd0.85Ti3012铁电薄膜作为绝缘层、ZnO薄膜作为有源层的铁电栅薄膜晶体管，除了基底与之外，其他与实施例1 一致。
[0134]对制备的晶体管中的铁电层进行XRD分析，XRD的光源为Cu Ka射线，扫描范围为10?60°，速度扫描为4° /min。结果如图3所示，Bi3.15Nda85Ti3012铁电薄膜呈现随机取向生长。
[0135]采用铁电分析仪测试了铁电层的电滞回线，其结果如图4所示，其有剩余极化值为8 μ C/cm2,小于实验例I中的极化值。
[0136]采用B1500A半导体器件分析仪测试了铁电层的介电频谱，频率为IMHz时其介电常数为154,小于实施例1中的介电常数。
【权利要求】
1.一种硅基铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，该晶体管底层为斜切单晶硅衬底(1)，中间层从下到上依次为钙钛矿导电氧化物底栅电极(2)、铁电绝缘层(3)和氧化物半导体有源层(4)，顶层为晶体管源极(5)和漏极(6);其中，所述斜切单晶硅衬底(1)为具有原子尺寸台阶的本征娃。
2.根据权利要求1所述的硅基铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述斜切硅衬底(I)的斜切角度Θ的范围为O。〈 Θ≤20°。
3.根据权利要求1所述的硅基铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述斜切硅衬底(I)的斜切角度Θ为3°≤Θ≤10°。
4.根据权利要求1所述的硅基铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述钙钛矿导电氧化物底栅电极(2)为 LaNiO3、SrRuO3、Laa7Ca0.3Mn03、Laa67Sra33MnO3 或 Laa5Sra5CoO3 薄膜。
5.根据权利要求1所述的硅基铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述铁电绝缘层(3)材料为 Bi4Ti3012、SrBi2Ta209、PbTi03、BaTiO3 或 BiFeO3,或者为 La、Nd、Ce、Sr、Zr、Mn、W、Na 的一种或者几种掺杂 Bi4Ti3012、SrBi2Ta2O9, PbTiO3^BaTiO3 或 BiFeO3 中的任意一种； 所述氧化物半导体有源层(4)为ZnO、SnO2或In2O3中的任意一种，或者为Al、L1、Sn、Sb、Ga的一种或者几种掺杂ZnO、SnO2或In2O3中的任意一种； 所述源极(5)和漏极(6)为Pt、Au、Ag、Ir或Ti金属层，或者为以上金属中的两种以上所组成的金属复合层，或者为LaNi03、SrRu03、IrO2金属氧化物中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的硅基铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述钙钛矿导电氧化物底栅电极⑵厚度为10~200nm ； 所述铁电绝缘层⑶厚度为50~600nm ； 所述氧化物半导体有源层(4)厚度为10~100nm ； 所述源极(5)和漏极(6)厚度分别为10~200nm。
7.权利要求1-6任一项所述的硅基铁电栅薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:[1]清洗斜切单晶硅基片，以用作衬底；[2]在斜切单晶硅衬底上生长钙钛矿导电氧化物底栅电极；[3]在钙钛矿导电氧化物底栅电极上生长铁电绝缘层；[4]在铁电绝缘层上生长氧化物半导体有源层；[5]在氧化物半导体有源层上生长晶体管的源极和漏极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤[2]和[3]通过脉冲激光沉积法或磁控溅射法生长。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤[2]中通过控制沉积条件和斜切硅衬底的取向与角度来调控钙钛矿导电氧化物薄膜的晶体取向和晶格常数，所得的取向生长的钙钛矿导电氧化物薄膜作为晶体管的底栅电极层和生长铁电绝缘层的模板层。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤[3]具体为:通过钙钛矿导电氧化物栅电极(2)作为模板层生长择优取向的铁电绝缘层。
【文档编号】H01L21/34GK103996718SQ201410246523
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】钟向丽, 丁涛, 张溢, 宋宏甲, 王金斌, 周益春 申请人:湘潭大学