[發(fā)明專利]負電容場效應晶體管及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910289946.7
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN110034190B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設計）人: 殷華湘;姚佳欣;張青竹;李超雷;張兆浩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/51;H01L21/336;H01L21/8238
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11240
• 代理人: 韓建偉

本發(fā)明提供了一種負電容場效應晶體管及其制備方法。該負電容場效應晶體管包括：襯底結(jié)構(gòu)，襯底結(jié)構(gòu)包括MOS區(qū)域；柵絕緣介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，覆蓋于MOS區(qū)域上，包括沿遠離襯底結(jié)構(gòu)的方向順序?qū)盈B的界面氧化層、HfO₂層、第一鐵電材料層和第二鐵電材料層，其中，形成第二鐵電材料層的材料為Hf_xA_1?xO₂，0＜x＜1，形成第一鐵電材料層的材料為Hf_yB_1?yO₂或HfB_yO_2?y，A和B為不同的摻雜元素，0＜y＜1；金屬柵疊層，覆蓋于柵絕緣介質(zhì)層結(jié)構(gòu)上。通過氧空位濃度變化、晶格應變或者金屬元素誘導改變Hf_xA_1?xO₂的晶格、成分變化與晶粒大小以及晶格走向，從而提升鐵電材料的電疇極性和NCFET的鐵電特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導體集成技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種負電容場效應晶體管及其制備方法。

背景技術(shù)

未來集成電路將持續(xù)發(fā)展，除了集成密度繼續(xù)提升，電路的功耗越來越重要。持續(xù)降低工作電壓VDD，并降低器件漏電成為技術(shù)關(guān)鍵。采用GAA等新結(jié)構(gòu)可以部分實現(xiàn)上述目標，但需要VDD持續(xù)縮減到0.5V以下時，晶體管亞閾值擺幅的玻爾茲曼限制(SS≥60mV/dec)成為關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。發(fā)展突破SS限制的新技術(shù)成為未來新技術(shù)關(guān)鍵方向。

除了基于量子隧穿的TFET，在柵極結(jié)構(gòu)中集成基于鐵電材料的鐵電電容，使之與柵電容串聯(lián)，在鐵電電疇翻轉(zhuǎn)時形成負電容，并在合適工作條件下，可形成內(nèi)部電勢放大，從而改變晶體管開關(guān)時的表面電勢，從而突破SS的玻爾茲曼限制，獲得較大的電流收益，實現(xiàn)VDD降低。該器件成為負電容場效應晶體管(NCFET)。

NCFET中鐵電電容CFE和其關(guān)鍵材料具有重要作用，該材料需要實現(xiàn)良好的鐵電效應，并保持良好穩(wěn)定性、可靠性，并且需要工藝簡單，和傳統(tǒng)工藝兼容。現(xiàn)有技術(shù)中的鐵電材料包括鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛(PbTiO3)、鉭鈧酸鉛(PST)、鈦酸鍶鋇(BST)、聚氟乙烯(PVF)以及聚偏二氟乙烯(PVDF)等。上述材料需要特殊工藝，并要一定厚度產(chǎn)生鐵電性，導致在CMOS極度微縮過程中應用受限。

除上述鐵電材料之外，正交相HfO₂晶體也能夠產(chǎn)生鐵電性，其簡單結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)HkMG工藝兼容，從而工藝簡單，比PZT等材料相比可靠更高，在相同的鐵電性條件下所需要的膜層厚度更小。并且，通過Si、Y、Zr、Al等元素摻雜，能夠極大提升HfO₂的鐵電極性，形成HfZrO_x(HZO)、HfSiO_x和HfAlO_x等更強極性材料。

以PMOS為例，將鐵電HZO材料集成于晶體管結(jié)構(gòu)中的工藝通常是：在后柵工藝中在形成傳統(tǒng)界面氧化層/HfO₂層(IL/HK)之上再生長一層HZO材料，其余與傳統(tǒng)工藝相同，在之后的工藝中通過退火形成多晶晶粒，晶粒中形成正交相，然后產(chǎn)生強鐵電極性。

然而，隨著半導體器件的持續(xù)發(fā)展，上述鐵電材料極性已逐漸無法得到滿足，因此，現(xiàn)有技術(shù)中亟需提供一種在有限的柵極空間內(nèi)繼續(xù)提升鐵電材料極性的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種負電容場效應晶體管及其制備方法，以在有限的柵極空間內(nèi)繼續(xù)提升鐵電材料的極性。