一种电荷俘获增强的铁电场效应晶体管及其制备工艺

本发明属于半导体器件，特别涉及一种电荷俘获增强的铁电场效应晶体管及其制备工艺。

背景技术：

1、随着工艺节点扩展到28nm以下，flash技术遇到了严重的技术瓶颈。而铪基的铁电场效应晶体管具有非破坏性读取的特点，同时还具有尺寸易于微缩、与传统cmos兼容以及低功耗等优点，是替代flash技术的有力备选之一。

2、铁电场效应晶体管由栅极、源极、漏极以及衬底构成。铁电场效应晶体管的栅极堆栈由金属(或多晶硅)、铁电层(ferroelectric)和绝缘层(dielectric)组成。当栅极上施加的正电压或负电压超过电压超过矫顽场(ec)时，将引起铁电层极化正向翻转或反向翻转，会在沟道吸引电性相反的电荷，使得晶体管的阈值电压漂移。同时撤去栅极的电压时，极化状态将保持不变。

3、数据存储尤其是多态存储要求具有大的存储窗口，但是，对传统的铪基铁电晶体管来说，在其编程program和擦除erase的过程中，由于铁电的疲劳等一些非理想效应，使得存储窗口减小。此外，由于氧化铪基铁电材料较小的矫顽场，存储窗口有限，限制了fefet在需要多值存储场景的应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电荷俘获增强的铁电场效应晶体管及其制备工艺，以期解决现有fefet使用中存在的存储窗口减小问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的栅极堆栈结构，所述栅极堆栈结构包括依次设置在所述硅衬底上的介质层、栅极、隧穿氧化层、电荷俘获层、阻挡氧化层、铁电薄膜层和沟道层，以及设置在所述沟道层上的金属源极和金属漏极。

4、在一个实施例中，所述介质层的材料为二氧化硅；所述栅极的材料为金属或多晶硅；所述铁电薄膜层的材料为hzo；所述沟道层的材料为igzo。

5、在一个实施例中，各层的尺寸参数和填充参数关系满足：

6、当栅极所加负电压满足铁电薄膜层发生极化翻转的同时，使得栅极的电子能够隧穿通过隧穿氧化层被电荷俘获层所俘获；当栅极所加正电压满足铁电薄膜层极化翻转的同时，使得被电荷俘获层所俘获的电子释放通过隧穿氧化层回到栅极。

7、在一个实施例中，所述隧穿氧化层的材料为二氧化硅。

8、在一个实施例中，所述电荷俘获层材料为氮化硅。

9、在一个实施例中，所述阻挡氧化层的材料为氧化铝或二氧化铪。

10、本发明还提供了所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管的制备工艺，包括如下步骤：

11、步骤1，利用磁控溅射在硅衬底表面生长介质层；

12、步骤2，在介质层上通过磁控溅射生长栅极；

13、步骤3，在栅极上通过原子层沉积法制备隧穿氧化层；

14、步骤4，在隧穿氧化层上通过化学气相沉积法制备电荷俘获层；

15、步骤5，在电荷俘获层上通过原子层沉积法制备阻挡氧化层；

16、步骤6，在阻挡氧化层上通过原子层沉积法制备铁电薄膜层；

17、步骤7，在铁电薄膜层上通过射频磁控溅射制备氧化物半导体沟道

18、步骤8，采用电子束蒸镀制备金属源极和金属漏极；

19、步骤9，退火。

20、在一个实施例中，所述隧穿氧化层的材料为二氧化硅；所述电荷俘获层材料为氮化硅；所述阻挡氧化层的材料为氧化铝或二氧化铪。

21、本发明所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管可作为数据存储器件。具体地，在一个实施例中，所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管为n型管时，当栅极加上足够大的正电压，电荷俘获层所俘获的电子释放，使得铁电晶体管的阈值电压减小，同时铁电薄膜层极化正向翻转同样也会减小阈值电压，对应存储数据0；当栅极加上足够大的负电压时，栅极的电子通过隧穿氧化层被俘获，使得铁电晶体管的阈值电压变大，同时铁电薄膜层极化负向翻转同样也会增大阈值电压，对应存储数据1。

22、其中，所述足够大的正电压，是指所述正电压满足铁电薄膜层极化翻转的同时，还使得电荷俘获层所俘获的电子释放通过隧穿氧化层回到栅极；所述足够大的负电压，是指所述负电压满足铁电薄膜层极化翻转的同时，还使得栅极的电子隧穿通过隧穿氧化层被电荷俘获层俘获。

23、与现有技术相比，本发明在铁电薄膜层和栅极之间引入一层电荷俘获层，利用电荷在电荷俘获层的俘获和俘获，使fefet存储窗口增大。

技术特征：

1.一种电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的栅极堆栈结构，其特征在于，所述栅极堆栈结构包括依次设置在所述硅衬底上的介质层、栅极、隧穿氧化层、电荷俘获层、阻挡氧化层、铁电薄膜层和沟道层，以及设置在所述沟道层上的金属源极和金属漏极。

2.根据权利要求1所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述介质层的材料为二氧化硅；所述栅极的材料为金属或多晶硅；所述铁电薄膜层的材料为hzo；所述沟道层的材料为igzo。

3.根据权利要求1所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，其特征在于，各层的尺寸参数和填充参数关系满足：

4.根据权利要求3所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述隧穿氧化层的材料为二氧化硅。

5.根据权利要求1所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述电荷俘获层材料为氮化硅。

6.根据权利要求1所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述阻挡氧化层的材料为氧化铝或二氧化铪。

7.权利要求1所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管的制备工艺，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述制备工艺，其特征在于，所述隧穿氧化层的材料为二氧化硅；所述电荷俘获层材料为氮化硅；所述阻挡氧化层的材料为氧化铝或二氧化铪。

9.权利要求1所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管作为数据存储器件的应用。

10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管为n型管时，当栅极加上足够大的正电压，电荷俘获层所俘获的电子释放，使得铁电晶体管的阈值电压减小，同时铁电薄膜层极化正向翻转同样也会减小阈值电压，对应存储数据0；当栅极加上足够大的负电压时，栅极的电子通过隧穿氧化层被俘获，使得铁电晶体管的阈值电压变大，同时铁电薄膜层极化负向翻转同样也会增大阈值电压，对应存储数据1；

技术总结
一种电荷俘获增强的铁电场效应晶体管，包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的栅极堆栈结构，所述栅极堆栈结构包括依次设置在所述硅衬底上的介质层、栅极、隧穿氧化层、电荷俘获层、阻挡氧化层、铁电薄膜层和沟道层，以及设置在所述沟道层上的金属源极和金属漏极；本发明还提供了所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管的制备工艺，本发明所述电荷俘获增强的铁电场效应晶体管可作为数据存储器件。与现有技术相比，本发明在铁电薄膜层和栅极之间引入一层电荷俘获层，利用电荷在电荷俘获层的俘获和去俘获，使FeFET存储窗口增大。

技术研发人员：黄家豪,金成吉,玉虓,韩根全
受保护的技术使用者：西安电子科技大学杭州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13