[發(fā)明專利]一種基于高K界面層的高性能和高可靠性FeFET器件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310505301.9
• 申請日: 2023-05-06
• 公開（公告）號: CN116487422A
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程然;曾億琴;金成吉;陳冰;彭悅;韓根全
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué);之江實驗室
• 主分類號: H01L29/51
• 分類號: H01L29/51;H01L29/78
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發(fā)明公開了一種基于高K界面層的高性能和高可靠性FeFET器件，其針對鉿鋯氧(HZO)基鐵電場效應(yīng)晶體管提出一種將SiOsubgt;2/subgt;絕緣界面層替換成更高介電常數(shù)K的絕緣材料如SiON、HfON、ZrOsubgt;2/subgt;等的技術(shù)方案，以高K材料作為絕緣界面層的FeFET中，高K界面層的存在提高了鐵電層的分壓，提升了鐵電層的剩余極化強度，增大了FeFET的記憶窗口和一定讀取電壓下的高低電流比，降低了絕緣界面層自身承擔(dān)的電場強度，減小了絕緣界面層被擊穿導(dǎo)致器件損壞的概率，提高了器件的耐久性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高K界面層的高性能和高可靠性FeFET器件。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代集成電路工藝技術(shù)按照摩爾定律快速發(fā)展，人們對邏輯與存儲器件的需求越來越高；為了滿足當今數(shù)字化時代對于存儲器件的需求，許多研究將重點放在非易失性存儲器件上，非易失性存儲器(Non-Volatile?Memory，NVM)是指在關(guān)閉電源后仍能儲存信息且不易丟失的電路器件。由于鐵電材料被發(fā)現(xiàn)具有儲存極化狀態(tài)的性質(zhì)，可被用于制作非易失性存儲器，基于鐵電材料的鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)通過在柵極施加電壓的不同調(diào)制鐵電層的極化強度，實現(xiàn)對晶體管溝道電導(dǎo)的調(diào)控，影響FeFET在不同極化狀態(tài)時的閾值電壓。以N型FeFET為例，在柵極施加一個正向電壓，鐵電層的極化方向向下，溝道感應(yīng)負電荷，F(xiàn)eFET呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，此時FeFET閾值電壓較小；在柵極施加一個負向電壓，鐵電層的極化方向向上，溝道感應(yīng)正電荷，F(xiàn)eFET呈現(xiàn)截止狀態(tài)，此時FeFET閾值電壓較大；鐵電層的兩種極化狀態(tài)通過對FeFET導(dǎo)通和截止的調(diào)控完成對“0”和“1”兩種狀態(tài)的信息存儲。

與傳統(tǒng)的鐵電材料如鈣鈦礦不同的是，采用特殊工藝摻雜鋯(Zr)的氧化鉿(HfO₂)材料與Si基CMOS工藝具有良好的兼容性，并且鉿鋯氧(HZO)基FeFET由于存儲速度快，漏電流低、功耗小等優(yōu)點備受關(guān)注，HZO基FeFET被認為是現(xiàn)代最具潛力的存儲器件之一。在經(jīng)典的金屬-鐵電-絕緣體-硅(MFIS)柵極結(jié)構(gòu)的FeFET中，絕緣界面層通常采用SiO₂，這種FeFET在加壓工作時，由于SiO₂絕緣界面層介電常數(shù)較小，其上分壓較大，相應(yīng)地FeFET中的鐵電層分壓較小，導(dǎo)致FeFET的器件性能如記憶窗口(Memory?Window，MW)的大小受限；在FeFET多次存儲與讀寫操作過程中，SiO₂作為絕緣界面層容易被擊穿且加速FeFET的整體性能退化從而影響器件的穩(wěn)定性。因此，如何提高FeFET的器件特性和可靠性成為一個亟需解決的重要問題。

公開號為CN114141880A的中國專利申請?zhí)岢隽艘环N基于反鐵電柵介質(zhì)與氧化物半導(dǎo)體溝道的FeFET，通過將傳統(tǒng)的鐵電層和Si溝道分別換成反鐵電柵介質(zhì)和氧化物半導(dǎo)體溝道的方法以改善溝道與介質(zhì)層之間的界面態(tài)，從而提高FeFET的耐久特性。但是，該FeFET中反鐵電體柵介質(zhì)的應(yīng)用需要配合適當功函數(shù)的金屬性電極材料與溝道之間形成內(nèi)建電場，工藝過程繁瑣且需要根據(jù)實際情況修改，不具有普適性，且氧化物半導(dǎo)體溝道的載流子遷移率遠不及Si溝道，該方案難以產(chǎn)業(yè)化。

文獻[K.Ni?et?al.Critical?Role?of?Interlayer?in?Hf0.5Zr0.5O2Ferroelectric?FET?Nonvolatile?Memory?Performance.IEEE?Transactions?onElectron?Devices?6,2461-2469(2018)]研究了界面層對于FeFET的重要作用，并且提出了用La₂O₃等材料替換SiO₂界面層以提高FeFET記憶窗口的方案。然而，該研究基于的FeFET模型未經(jīng)實際器件校對，準確性難以保證；且La₂O₃材料的性質(zhì)不穩(wěn)定，容易與空氣中的水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，與CMOS工藝不兼容，該方案實際上難以實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容