基於四方相鐵酸鉍的mfis結構及製備方法

2023-12-01 02:38:46

基於四方相鐵酸鉍的mfis結構及製備方法
【專利摘要】本發明提供一種基於基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構及製備方法，其中基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構，包括：一單晶Si襯底；一絕緣介質層，其製作在半導體單晶Si襯底上，該絕緣介質層能有效防止單晶Si襯底中Si原子的高溫擴散和化學反應，有效降低MFIS結構的電荷注入效應並防止擊穿現象發生；一T-BiFeO3鐵電功能層，其製作在絕緣介質層上，該T-BiFeO3鐵電功能層是基於四方相鐵酸鉍MFIS結構的信息存儲載體，它具有較大的鐵電矯頑場和較高的鐵電極化，能有效增大MFIS結構的存儲窗口；一金屬柵頂電極，其製作在T-BiFeO3鐵電功能層上；一背電極，其製作在單晶Si襯底的背面。
【專利說明】基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於非易失信息存儲【技術領域】，尤其涉及一種基於四方相鐵酸鉍(T-BiFeO3)的MFIS (金屬鐵電-絕緣半導體)結構及製備方法，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與晶矽(Si)半導體的集成並完成了 MFIS存儲器件的製備，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】
[0002]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、人工智慧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，即掉電後數據丟失，如計算機內存DRAM;另外一類是非易失性的，即數據在掉電後仍可長時間保存，如EEPR0M、USB卡等。然而，這類非易失存儲器由於高寫入電壓、寬脈衝、操作複雜、讀寫次數非常有限(?IO6次)等特徵，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於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。
[0003]作為新型非易失存儲器之一，FeRAM具有高的重複擦寫次數，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:(I) ITlC結構，由一個電晶體(IT)和一個鐵電電容器(IC)構成；(2)FeFET,由基於鐵電柵極的場效應電晶體構成。相比ITlC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，由於鐵電層通常在高溫下製備，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K絕緣層，形成金屬-鐵電-絕緣-半導體存儲(MFIS)結構。
[0004]表徵MFIS結構存儲器件的一個重要的性能指標是記憶窗口(Vm)，窗口 Vm越大，器件在應用中的信號串擾就越小。理論上，Vm與鐵電功能層的矯頑場E。、厚度df有一定比例關係，即Vm = 2民七，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，這對於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隻有在與它有較大失配比的襯底(如:LaA103，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-BiFe03的報導。我們通過引入合適的緩衝層，如Ce02、Hf02和Bi2SiO5,與半導體Si襯底和T-BiFeO3鐵電功能層的失配度均很小(I %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Ce02、HfO2和Bi2SiO5與Si界面處電荷注入和捕獲很少，因此是作為基於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】

[0005]本發明的主要目的在於，提供一種基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構及製備方法，工藝上實現了鐵酸鉍與半導體Si的集成，這對於有效提高基於T-BiFeO3金屬鐵電絕緣半導體器件的記憶窗口、以及器件市場應用都有著極其重要的意義。
[0006]為達到上述目的，提供一種一種基於四方相鐵酸秘的MFIS結構,包括:
[0007]一單晶Si襯底；
[0008]一絕緣介質層，其製作在半導體單晶Si襯底上，該絕緣介質層能有效防止單晶Si襯底中Si原子的高溫擴散和化學反應，有效降低MFIS結構的電荷注入效應並防止擊穿現象發生；
[0009]一 T-BiFeO3鐵電功能層，其製作在絕緣介質層上，該T-BiFeO3鐵電功能層是基於四方相鐵酸鉍MFIS結構的信息存儲載體，它具有較大的鐵電矯頑場和較高的鐵電極化，能有效增大MFIS結構的存儲窗口 ；
[0010]一金屬柵頂電極，其製作在T-BiFeO3鐵電功能層上；
[0011]一背電極，其製作在單晶Si襯底的背面。
[0012]本發明還提供一種基於基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，包括如下步驟:
[0013]步驟1:將一單晶Si襯底清洗；
[0014]步驟2:在單晶Si襯底上依次生長絕緣介質層和T-BiFeO3鐵電功能層；
[0015]步驟3:退火；
[0016]步驟4:在T-BiFeO3鐵電功能層上生長金屬柵頂電極；
[0017]步驟5:在單晶Si襯底的背面製作一背電極。
[0018]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0019]1.本發明提供的一種基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構及製備方法，通過選擇合適的絕緣介質層，能在半導體Si襯底上實現具有高度擇優取向T-BiFeO3鐵電功能層的生長，並製備基於T-BiFeO3的MFIS器件。
[0020]2.通過實驗發現，本發明製備得到基於T-BiFeOa鐵電體的金屬-鐵電-絕緣一半導體器件能有效提高器件的記憶窗口，記憶窗口在12V掃描電壓下可達2V。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:
[0022]圖1為本發明的結構示意圖；
[0023]圖2為本發明的方法流程圖；
[0024]圖3為四方相鐵酸鉍生長在覆有Bi2SiO5絕緣介質層的Si襯底上的X射線衍射譜；
[0025]圖4為四方相鐵酸鉍鐵電體的金屬鐵電絕緣半導體器件的CV特性曲線圖。【具體實施方式】
[0026]請參閱圖1所示,本發明提供一種基於四方相鐵酸秘的MFIS結構,包括:
[0027]一單晶Si襯底20，該單晶Si襯底20是為基於四方相鐵酸鉍MFIS結構提供載流子(電子或空穴)的信息讀取載體，需具有(100)取向，P型和η型等摻雜類型均可，摻雜溶度為I X IO15-SXIOiW30該單晶Si襯底20需進行清洗，具體的清洗方式為:單晶Si襯底20依次在丙酮，乙醇，去離子水的溶液中進行超聲清洗，清洗時間均為lOmin。清洗完成後的Si襯底在10% HF溶液中浸泡10-30s，除去極薄的表層Si02。
[0028]一絕緣介質層30，在清洗過的單晶Si襯底20上生長絕緣介質層30，該絕緣介質層30能有效防止單晶Si襯底20中Si原子的高溫擴散和化學反應，平整基於四方相鐵酸鉍MFIS結構的界面，有效降低MFIS結構的電荷注入效應並防止擊穿現象發生，提高整個MFIS結構的電學存儲功能的穩定性。所述的絕緣介質層30的材料為Ce02、Hf02和Bi2SiO5，所述的絕緣介質層30的生長溫度為200-900°C，氧分壓為0.0l-lOOPa，沉積時間為2_30min，厚度為 3-100nm ；
[0029]一 T-BiFeO3鐵電功能層40，其製作在絕緣介質層30上，該T-BiFeO3鐵電功能層40是基於四方相鐵酸鉍MFIS結構的信息存儲載體，它具有較大的鐵電矯頑場和較高的鐵電極化，能有效增大MFIS結構的存儲窗口，降低信號串擾，同時能極大地提高將來非易失存儲器件集成度。所述的T-BiFeO3鐵電功能層40的生長溫度為550750°C，生長室內壓強為0.l_20Pa，氧分壓為020Pa，生長功率為10500W，厚度為301000nm ；
[0030]一金屬柵頂電極50，其製作在氧退火完成後T-BiFeO3鐵電功能層40上選擇性區域內，該金屬柵頂電極50能與T-BiFeO3鐵電功能層40形成良好的電學接觸，防止接觸電容的出現。所述的柵頂電極50的材料包括:Pt、Au或Al，直徑為0.Ι-lOOOum，厚度為IOlOOOnm;本發明具體以Au作為柵頂電極為例進行說明。Au作為柵頂電極可採用磁控濺射法、脈衝雷射沉積、熱蒸發等方式生長，其生長溫度可為25400°C，工作氣體為高純Ar氣體，生長功率為80W，沉積時間為1080min ；
[0031]一背電極10，其製作在單晶Si襯底20的背面，該背電極10能與單晶Si襯底20形成有效的歐姆接觸，防止接觸結電容的出現以實現T-BiFeO3鐵電功能層40對柵壓利用的最大化，同時形成良好電學接觸。所述的柵頂電極50的材料包括:Pt、Au或Al，直徑為
0.Ι-lOOOum，厚度為 10-1000nm。
[0032]請參閱圖2所示，本發明提供一種基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，包括如下步驟:
[0033]步驟1:將一單晶Si襯底20清洗；
[0034]步驟2:在單晶Si襯底20上依次生長絕緣介質層30和T-BiFeO3鐵電功能層40，所述的絕緣介質層30的材料為Ce02、HfO2和Bi2SiO5，所述的絕緣介質層30的生長溫度為200-900°C，氧分壓為0.0l-lOOPa，沉積時間為2_30min，厚度為3-100nm，所述的T-BiFeO3鐵電功能層40的生長溫度為550-750°C，生長室內壓強為0.l_20Pa，氧分壓為0_20Pa，生長功率為10-500W，厚度為30-1000nm ；
[0035]步驟3:退火，將生長完成後的T-BiFeO3鐵電功能層40進行原位退火，退火在10-100000Pa的氧氣氛下，降溫速率控制在1_10°C / min。[0036]步驟4:在T-BiFeO3鐵電功能層40上選擇區域內生長金屬柵頂電極50，所述的柵頂電極50的材料包括:Pt、Au或Al，直徑為0.Ι-lOOOum，厚度為IO-1OOOnm ；
[0037]步驟5:在單晶Si襯底20的背面製作一背電極10。
[0038]實施效果
[0039]按照上述實施例的工藝條件，通過選擇合適的高K絕緣介質層，能在半導體Si襯底上生長得到T-BiFeO3鐵電功能層，並得到相關的金屬鐵電絕緣半導體器件。本發明提供的一種基於四方相鐵酸鉍鐵電體的金屬鐵電絕緣半導體結構製備方法，該方法首次實現T-BiFeO3與半導體Si的集成，該T-BiFeO3有著較大的鐵電矯頑場和較高的鐵電極化，能有效金屬金屬鐵電絕緣半導體的記憶窗口，這對於存儲器件工業化的應用有著較好實用價值和市場前景。
[0040]下面以基於四方相鐵酸鉍鐵電體的金屬鐵電絕緣半導體結構為例，說明本發明所提出方法的具體實施效果。具體方法如圖1所示，圖1所示方法可簡單歸納為:1.單晶Si襯底的選擇；2.利用合適的工藝進行絕緣介質層的生長；3.利用合適的工藝進行T-BiFeO3鐵電功能層的生長；4.利用合適的工藝進行Au柵頂電極的生長；5.利用合適的工藝進行Al底背電極；6.切片，通過合適工藝退火得到器件。
[0041]圖3是本發明所提供的四方相鐵酸鉍生長在覆有Bi2SiO5絕緣介質層的Si襯底上的XRD圖譜。從XRD結果看，鐵電功能層鐵酸鉍的峰位在19度左右，且出現與之對應的二級衍射峰，說明鐵酸鉍為四方相T-BiFeO315另外，絕緣介質層Bi2SiO5和鐵電功能層T-BiFeO3均具有(001)擇優取向，未出現任何其他的雜相。這種高度擇優取向的鐵電功能薄膜對金屬-鐵電-絕緣-半導體的應用非常重要，它能有效利用其鐵電極化控制溝道電流。
[0042]圖4是本發明提供的四方相鐵酸鉍鐵電體的金屬-鐵電-絕緣-半導體器件的CV特性曲線。從圖中可以看出，這種基於T-BiFeO3的金屬-鐵電-絕緣-半導體器件性能優異，記憶窗口明顯，在lMHz，12V掃描電壓等測試條件下達2V，比一般基於鐵酸鉍的金屬-鐵電-絕緣-半導體器件的窗口要大。另外，器件未出現明顯的由界面陷阱電荷引起窗口非對稱效應以及kirk現象，說明絕緣介質層與半導體Si襯底的界面質量較好。
[0043]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明。所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構，包括: 一單晶Si襯底； 一絕緣介質層，其製作在半導體單晶Si襯底上，該絕緣介質層能有效防止單晶Si襯底中Si原子的高溫擴散和化學反應，有效降低MFIS結構的電荷注入效應並防止擊穿現象發生； 一 T-BiFeO3鐵電功能層，其製作在絕緣介質層上，該T-BiFeO3鐵電功能層是基於四方相鐵酸鉍MFIS結構的信息存儲載體，它具有較大的鐵電矯頑場和較高的鐵電極化，能有效增大MFIS結構的存儲窗口 ； 一金屬柵頂電極，其製作在T-BiFeO3鐵電功能層上； 一背電極，其製作在單晶Si襯底的背面。
2.根據權利要求1所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構，其中所述的絕緣介質層的材料為 CeO2、HfO2 和 Bi2SiO5。
3.根據權利要求2所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構，其中所述的絕緣介質層的生長溫度為200-900°C，氧分壓為0.0l-lOOPa，沉積時間為2_30min，厚度為3-100nm。
4.根據權利要求1所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構，其中所述的T-BiFeO3鐵電功能層的生長溫度為550-750°C，生長室內壓強為0.l_20Pa，氧分壓為0_20Pa，生長功率為10-500W，厚度為 30-1000nm。
5.根據權利要求1所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構，所述的柵頂電極的材料包括:Pt、Au 或 Al，直徑為 0.Ι-lOOOum，厚度為 IO-1OOOnm0
6.一種基於基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，包括如下步驟: 步驟1:將一單晶Si襯底清洗； 步驟2:在單晶Si襯底上依次生長絕緣介質層和T-BiFeO3鐵電功能層； 步驟3:退火； 步驟4:在T-BiFeO3鐵電功能層上生長金屬柵頂電極； 步驟5:在單晶Si襯底的背面製作一背電極。
7.根據權利要求6所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，其中所述的絕緣介質層的材料為CeO2、HfO2和Bi2SiO515
8.根據權利要求7所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，其中所述的絕緣介質層的生長溫度為200-900°C，氧分壓為0.0l-lOOPa，沉積時間為2_30min，厚度為3_100nmo
9.根據權利要求6所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，其中所述的T-BiFeO3鐵電功能層的生長溫度為550-750°C，生長室內壓強為0.l_20Pa，氧分壓為0-20Pa，生長功率為 10-500W，厚度為 30_1000nm。
10.根據權利要求6所述的基於四方相鐵酸鉍的MFIS結構的製備方法，所述的柵頂電極的材料包括:Pt、Au或Al，直徑為0.Ι-lOOOum，厚度為10-1000nm。
【文檔編號】H01L27/115GK103839946SQ201410085838
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】付振, 尹志崗, 張興旺, 趙亞娟, 陳諾夫, 吳金良 申請人:中國科學院半導體研究所