[發明專利]基于四方相鐵酸鉍的MFIS結構及制備方法

有效

• 申請號: 201410085838.5
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN103839946A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 付振;尹志崗;張興旺;趙亞娟;陳諾夫;吳金良
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L27/115
• 分類號: H01L27/115;H01L21/8247
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明屬于非易失信息存儲技術領域，尤其涉及一種基于四方相鐵酸鉍(T-BiFeO₃)的MFIS(金屬鐵電-絕緣半導體)結構及制備方法，該T-BiFeO₃鐵電體具有較大的矯頑場和較高的鐵電極化強度，能有效提高MFIS結構存儲單元的記憶窗口。本發明首次實現T-BiFeO₃與晶硅(Si)半導體的集成并完成了MFIS存儲器件的制備，在非易失信息存儲應用領域具有巨大的應用前景。

背景技術

半導體信息存儲器在與人們日常生活息息相關的計算機、半導體通訊、人工智能設備等領域扮演著極其重要的角色。當前半導體存儲器可分為兩類：一類是易失性的，即掉電后數據丟失，如計算機內存DRAM；另外一類是非易失性的，即數據在掉電后仍可長時間保存，如EEPROM、USB卡等。然而，這類非易失存儲器由于高寫入電壓、寬脈沖、操作復雜、讀寫次數非常有限(～10⁶次)等特征，很難滿足市場對存儲器高集成度、低能耗、長壽命的需求。因此，人們將目光投向下一代基于新材料和新工作原理的新型非易失存儲器，如鐵電存儲器(FeRAM)、相變存儲器(PCM)、磁阻存儲器(MRAM)以及阻變存儲器(RRAM)等。

作為新型非易失存儲器之一，FeRAM具有高的重復擦寫次數，低功耗，理論上長達10年的存儲壽命等優點，極具市場應用前景。目前，FeRAM在應用上又可分為兩類：(1)1T1C結構，由一個晶體管(1T)和一個鐵電電容器(1C)構成；(2)FeFET，由基于鐵電柵極的場效應晶體管構成。相比1T1C結構而言，FeFET不僅具備其所有優點，還具有非破壞性數據讀取、高集成度、低功耗等特點。FeFET核心結構主要是由金屬鐵電半導體組成，通過鐵電體兩種不同極化取向存儲信息，極化方向不同可控制漏源間反型層溝道的導通和關閉，從而形成漏源電流高和低兩種信息讀取狀態。然而，由于鐵電層通常在高溫下制備，容易與下層Si襯底發生互擴散，形成較大陷阱密度，這會使器件保持性能變差，嚴重時會使器件失效。為了提高界面質量，通常會在鐵電層與Si襯底間加入一層高κ絕緣層，形成金屬-鐵電-絕緣-半導體存儲(MFIS)結構。

表征MFIS結構存儲器件的一個重要的性能指標是記憶窗口(V_m)，窗口V_m越大，器件在應用中的信號串擾就越小。理論上，V_m與鐵電功能層的矯頑場E_c、厚度d_f有一定比例關系，即V_m＝2E_cd_f，這意味著鐵電層的矯頑場越大，器件的存儲窗口就越大。四方相鐵酸鉍(T-BiFeO₃)是目前發現具有最大矯頑場的鐵電體，高達1000KV／cm左右，這對于T-BiFeO₃在FeFET方面應用有著得天獨厚的優勢。然而，T-BiFeO₃在熱力學上是亞穩相，目前研究一般認為T-BiFeO₃只有在與它有較大失配比的襯底(如：LaAlO₃，YAlO₃，LaSrAlO₄等)上才能生長得到，還未見有在半導體Si襯底上生長T-BiFeO3的報道。我們通過引入合適的緩沖層，如CeO₂、HfO₂和Bi₂SiO₅，與半導體Si襯底和T-BiFeO₃鐵電功能層的失配度均很小(1％左右)，比較適合T-BiFeO₃在Si上生長。同時，CeO₂、HfO₂和Bi₂SiO₅也作為器件的絕緣介質層，它有較高的介電常數(15-30)，且CeO₂、HfO₂和Bi₂SiO₅與Si界面處電荷注入和捕獲很少，因此是作為基于T-BiFeO₃的金屬-鐵電-絕緣-半導體結構絕緣介質層的絕佳選擇。本發明首次實現T-BiFeO₃與半導體Si的集成，這將有效地提高金屬-鐵電-絕緣-半導體器件結構的記憶窗口，對器件的實際應用有著重要意義。

發明內容