一種高性能非易失性鐵電晶體管存儲器制備
【專利摘要】高性能非易失性鐵電晶體管存儲器，包括以p型硅為襯底，生長200?300nm二氧化硅為絕緣層，在二氧化硅上生長一層無機(jī)非晶氧化物??氧化銦硅作為半導(dǎo)體層，同時在半導(dǎo)體層兩側(cè)邊緣蒸鍍源極和漏極，在氧化銦硅上旋涂鐵電材料即聚(偏氟乙烯?三氟乙烯)(P(VDF?TrFE)),在P(VDF?TrFE)上蒸鍍柵極，就制備成了頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)的非易失性鐵電晶體管存儲器。這種有機(jī)和無機(jī)混合結(jié)構(gòu)器件是公認(rèn)的顯示器應(yīng)用方面很有前景的器件，有機(jī)薄膜場效應(yīng)晶體管使用的有機(jī)材料有價格低廉，可大面積制備。
【專利說明】
-種高性能非易失性鐵電晶體管存儲器制備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及有機(jī)電子、鐵電材料、半導(dǎo)體技術(shù)、晶體管存儲器等領(lǐng)域，特別是設(shè)及 一種非易失性存儲器及制備。
【背景技術(shù)】
[0002] 存儲器是各類電子信息產(chǎn)品，如電腦、移動電話、游戲機(jī)、MP3等，對信息進(jìn)行讀取、 記錄、擦除等基本數(shù)據(jù)操作的電子元件，它幾乎是各類電子信息產(chǎn)品中不可缺少的元素。傳 統(tǒng)的存儲器大多數(shù)都是基于無機(jī)半導(dǎo)體材料，主要利用材料的磁信號、電信號、或者光學(xué)信 號的變化來實現(xiàn)信息存儲。數(shù)字信息存儲的研究目標(biāo)是高存儲密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲 壽命、高擦除次數(shù)W及廉價的設(shè)備投資與器件制備。目前的存儲技術(shù)雖然廣泛地應(yīng)用于各 種電子產(chǎn)品，但是它們還達(dá)不到完美存儲的性能指標(biāo)，都存在缺點。例如:動態(tài)隨機(jī)存儲器、 閃存、硬盤和光盤等存儲器，存在著價格貴、保留時間不夠長、壽命有限等缺點。
[0003] 因此，新型存儲介質(zhì)的研究和應(yīng)用仍然是國際熱點之一。一方面，人們期待著存儲 性能的實質(zhì)性提高，從而帶來信息產(chǎn)業(yè)革新。另一方面，很多數(shù)量龐大的低端產(chǎn)品，包括無 線識別標(biāo)簽、智能卡等對存儲器性能的要求不高，所W價格低廉是該產(chǎn)品中存儲器的主要 條件。但目前的主流存儲器在價格上較貴，不適合應(yīng)用于運(yùn)類產(chǎn)品。
[0004] 與無機(jī)存儲介質(zhì)相比，有機(jī)材料作為存儲介質(zhì)有運(yùn)諸多潛在的優(yōu)勢，如不需要高 溫等苛刻的薄膜制備工藝，具有成本低、大面積、可柔性、高敏感度等優(yōu)點。最重要的是，有 機(jī)材料的分子尺寸在1~100皿，因此基于此可大幅度提高存儲密度，減小存儲器尺寸。基于 有機(jī)材料的優(yōu)點我們提出，用有機(jī)材料制備存儲器，進(jìn)一步向數(shù)字信息存儲的研究目標(biāo)靠 近。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題，是提供一種用非晶氧化物半導(dǎo)體和鐵電聚合物制備 的非易失性鐵電晶體管存儲器和制備方法，能夠制備出存儲速度快，存儲密度大，尺寸小， 薄膜制備工藝簡單，可W大面積制備的器件，而且所使用的材料價格比較低。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高性能非易失性鐵電晶體 管存儲器，包括：Wp型娃為襯底，生長200-300皿二氧化娃為絕緣層，在二氧化娃上生長一 層無機(jī)非晶氧化物--氧化銅娃作為半導(dǎo)體層，同時在半導(dǎo)體層兩側(cè)邊緣蒸鍛源極和漏極， 在氧化銅娃上旋涂鐵電材料--聚(偏氣乙締-S氣乙締 ）（P (VDF-化FE ))，在P (VDF-化FE)上 蒸鍛柵極，就制備成了頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)的器件--一種高性能非易失性鐵電晶體管存儲器。
[0007] 本發(fā)明的制備方法是，一種高性能非易失性鐵電晶體管存儲器的制備方法，Wp型 娃為襯底，W熱氧化的方法生長一層200-300nm的二氧化娃為絕緣層，緊接著用丙酬和異丙 醇清洗襯底，并用紫外-臭氧處理襯底;然后室溫環(huán)境下在二氧化娃上用直流磁控瓣射法生 長一層10-20nm厚的無機(jī)非晶氧化物--氧化銅娃薄膜作為半導(dǎo)體層，同時在半導(dǎo)體層兩側(cè) 邊緣蒸鍛25-45nm的金作為源極和漏極，之后在氧化銅娃上旋涂一層200-280nm厚的鐵電材 料一聚（偏氣乙締-S氣乙締）（P(VDF-化FE))作為介電層；最后在P(VDF-化FE)薄膜上蒸鍛 一層35-60nm厚的金作為柵極，制備成頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)非易失性非晶氧化物半導(dǎo)體鐵電晶 體管存儲器。
[000引進(jìn)一步，對氧化銅娃薄膜在220-280°C下進(jìn)行退火20-50分鐘，再在氧化銅娃半導(dǎo) 體層邊緣蒸鍛源極和漏極，在氧化銅娃上旋涂鐵電材料一聚(偏氣乙締-S氣乙締）（P(VDF- 化陽）），緊接著對P(VDF-化陽)薄膜在80-100°C下預(yù)退火20-60分鐘，之后在120-150°C下對 P (VDF-化陽)薄膜退火1 -3小時，最后在P (VDF-化陽)薄膜上蒸鍛柵極。
[0009] 器件的P(VDF-TrFE)薄膜在不同的退火溫度下，會導(dǎo)致氧化銅娃層和P(VDF-TrW) 薄膜層的界面處產(chǎn)生界面效應(yīng)，運(yùn)種效應(yīng)使界面處P(VDF-化FE)與氧化銅娃之間發(fā)生了電 荷轉(zhuǎn)移，運(yùn)種變化將更有利于載流子的傳輸，從而可W提高鐵場效應(yīng)管的電氣性能。
[0010] 器件在不同的退火溫度下，鐵電/氧化銅娃界面處非晶氧化物層的結(jié)構(gòu)也不相同， 運(yùn)就導(dǎo)致了器件性能的不同，例如在130°C的退火溫度下器件的性能要高與120°C、125°C和 140 °C。
[0011] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明使用有機(jī)和無機(jī)的一種結(jié)合的方法，是W聚（偏氣乙 締-S氣乙締）（P(VDF-化FE))為介電層和無機(jī)非晶氧化物InSiO薄膜材料作為半導(dǎo)體層制 備高遷移率的非晶氧化物薄膜晶體管(a-TFTs)。器件的主要特點是無機(jī)非晶氧化物與有機(jī) 鐵電材料的結(jié)合使用。而且所用的材料沒有稀有金屬W及有機(jī)材料容易制備，所W整個器 件的制備價格比較低廉。在其性能上已經(jīng)是現(xiàn)有相關(guān)器件的二倍還要多，聚（偏氣乙締 氣乙締）（P(VDF-化FE))為介電層材料取得意想不到的效果；雖然相對于無機(jī)存儲器而言， 有些性能還無法完全媳美，但是相信隨著有機(jī)材料的不斷發(fā)展，會使其性能進(jìn)一步提升。運(yùn) 種有機(jī)和無機(jī)混合結(jié)構(gòu)器件是公認(rèn)的顯示器應(yīng)用方面很有前景的方法，而且所制備的有機(jī) 薄膜場效應(yīng)晶體管使用的有機(jī)材料有價格低廉，可大面積制備等優(yōu)點。我們制作的鐵電有 機(jī)薄膜晶體管得到84. IcmVVi的遷移率，27V的內(nèi)存窗口和IO6的開/關(guān)比，且其讀取速度 為0.1ms。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明是一種用非晶氧化物半導(dǎo)體和鐵電聚合物制備高性能非易失性鐵電 晶體管存儲器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2.器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(漏源為IV情況下）；
[0014] 圖3、器件的電容除W溝道電導(dǎo)對柵極電壓頻率的依賴性；
[0015] 圖4(a)器件從關(guān)閉狀態(tài)到打開狀態(tài)的脈沖響應(yīng)；
[0016] 圖4(b)器件從打開狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)的脈沖響應(yīng)。
[0017] 圖5存儲器的保留時間。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，W使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能 更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0019] 請參閱圖1，本發(fā)明實施例:一種肋強(qiáng)氧化物半導(dǎo)體制備高性能非易失性鐵電晶 體管存儲器，包括：
[0020] 非易失性非晶氧化物鐵電晶體管存儲器，是一種有機(jī)材料在存儲器方面的重要應(yīng) 用，相對于無機(jī)存儲器來說主要解決的是:可W制備出存儲密度大，尺寸小的器件，薄膜制 備工藝簡單，可W大面積制備，而且所使用的材料價格比較低。另外，本發(fā)明創(chuàng)新點是把無 機(jī)氧化物和有機(jī)鐵電材料結(jié)合起來制備器件，如圖1所示，非易失性非晶氧化物半導(dǎo)體鐵電 晶體管存儲器截面圖，器件結(jié)構(gòu)是Wp型娃為襯底，二氧化娃為絕緣層，在襯底上生長一層 無機(jī)非晶氧化物一氧化銅娃作為半導(dǎo)體層，同時在氧化銅娃半導(dǎo)體層邊緣蒸鍛源極和漏 極，在氧化銅娃上旋涂鐵電材料聚(偏氣乙締-S氣乙締）（P(VDF-化陽）），在其上蒸鍛柵極， 就制備成了我們所需要的頂柵頂接觸器件--高性能非易失性非晶氧化物半導(dǎo)體鐵電晶體 管存儲器。
[0021] 此器件的創(chuàng)新是用直流磁控瓣射沉積氧化銅娃在二氧化娃上，作為非晶氧化物半 導(dǎo)體層，其中不含有錫、錯、嫁等稀有金屬。另外是用旋涂的方法把鐵電材料P(VDF-TrFE)旋 涂在氧化銅娃上，作為絕緣層，運(yùn)就是我們提出的有機(jī)和無機(jī)的結(jié)合。
[0022] 非易失性鐵電晶體管存儲器的制備方法，Wp型娃為襯底，W熱氧化的方法生長一 層250nm的二氧化娃為絕緣層，緊接著用用丙酬和異丙醇清洗襯底，并用紫外-臭氧處理襯 底（目的是為了使襯底具有良好的親水性）；然后室溫環(huán)境下在二氧化娃上用直流磁控瓣射 法生長一層IOnm厚的無機(jī)非晶氧化物--氧化銅娃薄膜作為半導(dǎo)體層，同時在半導(dǎo)體層兩側(cè) 邊緣蒸鍛30皿的金作為源極和漏極，之后在氧化銅娃上旋涂一層240nm厚的鐵電材料一聚 (偏氣乙締-S氣乙締 KP(VDF-TrFE))作為介電層；最后在P(VDF-TrFE)薄膜上蒸鍛一層 50nm厚的金作為柵極，運(yùn)就制備成了頂柵頂接觸器件--非易失性非晶氧化物半導(dǎo)體鐵電晶 體管存儲器。
[0023] 器件是Wp型娃為襯底，P型娃上熱氧化生長二氧化娃為絕緣層，在二氧化娃上生 長氧化銅娃作為半導(dǎo)體層，在室溫環(huán)境下并對氧化銅娃薄膜在25(TC下進(jìn)行退火30分鐘，同 時在氧化銅娃半導(dǎo)體層邊緣蒸鍛源極和漏極，在氧化銅娃上旋涂鐵電材料一聚(偏氣乙締- S氣乙締）（P(VDF-化陽）），緊接著對P(VDF-化陽)薄膜在90°C下預(yù)退火30分鐘，之后在不同 溫度下對P (VDF-化陽)薄膜退火2小時，最后在P (VDF-化陽)薄膜上蒸鍛柵極。
[0024] 器件的P(VDF-TrFE)薄膜在不同的退火溫度下，會導(dǎo)致氧化銅娃層和P(VDF-TrW) 薄膜層的界面處產(chǎn)生界面效應(yīng)，運(yùn)種效應(yīng)使界面處P(VDF-化FE)與氧化銅娃之間發(fā)生了電 荷轉(zhuǎn)移，運(yùn)種變化將更有利于載流子的傳輸，從而可W提高鐵場效應(yīng)管的電氣性能，例如在 130°C的退火溫度下器件的性能是最高的。
[0025] 如圖2所示，是存儲器件在漏源為IV情況下的典型轉(zhuǎn)移特性曲線。本曲線是使用 Agilent BH1500半導(dǎo)體分析儀測量得到的。當(dāng)漏極電壓保持為IV，柵極電壓從負(fù)30伏到正 30伏掃描時，箭頭顯示電流滯后的方向。鐵電晶體管工作在n型載流子積累過程。順時針滯 后表明電荷交換行為主要是導(dǎo)致P(VDF-TrFE)沒有偶極極化電荷捕獲機(jī)制。當(dāng)柵極電壓為0 伏時，晶體管存儲器存在二個狀態(tài)：打開電流與關(guān)斷電流比高達(dá)IO6的關(guān)閉狀態(tài)和打開狀 態(tài)。"內(nèi)存"窗口為27V，得到了鐵電場效應(yīng)晶體管存儲器在200Hz頻率下的線性遷移率是 84.1 Cm2ArVi，運(yùn)由W下公式計算得出：
[0026]
[0027] 運(yùn)里的iiLiNE是線性區(qū)的場效應(yīng)遷移率;W和L是氧化銅娃（ISO)的溝道寬°C和長°C; gm是晶體管的跨導(dǎo)；Cox是柵絕緣層的單位面積電容;Vds是器件工作中的漏極電壓為IVcfIjU 備Au-P(VDF-TrFE)-Au結(jié)構(gòu)的電容和加從負(fù)30V到正30V的雙電壓進(jìn)行掃描來測量其電容。 當(dāng)掃描電壓從負(fù)30V至正30V雙重掃描時，電容具有典型的蝴蝶形狀，表明雙極開關(guān)分別大 約在正IOV和負(fù)IOV時發(fā)生兩次，運(yùn)與其他報告的結(jié)果一致。
[0028] 如圖3所示，器件的電容除W溝道電導(dǎo)對柵極電壓頻率的依賴性。低的遷移率導(dǎo)致 相對于一定的柵極電壓來說，表現(xiàn)為緩慢的載流子積累。我們進(jìn)行了代表的"讀"過程的頻 率響應(yīng)。柵極絕緣體的電容除W溝道電導(dǎo)，W避免漏電流的影響。而且存儲器的數(shù)據(jù)讀取一 般是通過脈沖實現(xiàn)的，因此溝道開啟狀態(tài)下的頻率響應(yīng)給出了有機(jī)場效應(yīng)晶體管的最高讀 取速度。此外，存儲速度是鐵電存儲器的重要參數(shù)。我們還比較了從20化~105化的電容/頻 率和響應(yīng)曲線如圖3所示，我們可W看到，電容下降并不明顯直到頻率上升達(dá)IO4Hz,運(yùn)表示 快速閱讀時間約為0.1毫秒。同樣運(yùn)也表明載流子遷移率的提升也可W極大的改善了器件 的讀取速度。
[0029] 如圖4(a)和(b)所示，分別展示了通過增加?xùn)艠O電壓脈沖測量脈沖響應(yīng)，獲得幾乎 從關(guān)閉狀態(tài)到打開狀態(tài)和從打開狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)的0.2ms和0.3ms的延遲時間。亞微秒級的 延時變化表明快速切換接近P (VDF-TrFE)的極化子轉(zhuǎn)化行為的速度。存儲器設(shè)備的可持續(xù) 性對商業(yè)應(yīng)用是非常重要的。
[0030] 如圖5顯示了我們的鐵電氧化物場效應(yīng)晶體管存儲器的循環(huán)能力，其中紅線和藍(lán) 線分別表示關(guān)態(tài)電流的保留時間和開態(tài)電流的保留時間，表明3000秒后開啟和關(guān)閉電流性 能沒有明顯降低。它表明該設(shè)備具有良好的保留性能，并具有良好的應(yīng)用前景。
[0031] 近幾年來有機(jī)晶體管存儲器的研究經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，相信有機(jī)晶體管存儲器能 夠解決傳統(tǒng)存儲技術(shù)所面臨的尺寸縮小，材料低廉等問題，有望替代傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體器 件在下一代存儲器中取得廣泛應(yīng)用。然而，有機(jī)晶體管存儲器研究中仍存在不少限制其長 期發(fā)展的障礙。如存儲速°(：慢，保存時間短等缺點，因此，在促進(jìn)有機(jī)晶體管存儲器的發(fā)展 及商業(yè)化應(yīng)用的道路上，仍還有很長的路要走。盡管如此，研究已經(jīng)表明，隨著理論研究及 實驗器件的深入，該技術(shù)正在逐步走向成熟，并預(yù)期會顯示出應(yīng)用潛能。
[0032] 本發(fā)明表明，有機(jī)材料可W在晶體管存儲器中成功應(yīng)用，而且可W得到比較好的 器件性能。再根據(jù)有機(jī)材料容易獲得等優(yōu)點，相信未來有機(jī)材料在存儲器方面的應(yīng)用有更 加廣闊的前景，那么未來有機(jī)材料超越無機(jī)材料就不是幻想。
【主權(quán)項】
1. 一種高性能非易失性鐵電晶體管存儲器，其特征是包括以P型硅為襯底，生長200-300nm二氧化硅為絕緣層，在二氧化硅上生長一層無機(jī)非晶氧化物一氧化銦硅作為半導(dǎo)體 層，同時在半導(dǎo)體層兩側(cè)邊緣蒸鍍源極和漏極，在氧化銦硅上旋涂鐵電材料即聚（偏氟乙 烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE))，在P(VDF-TrFE)上蒸鍍柵極，就制備成了頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)的 非易失性鐵電晶體管存儲器。2. -種高性能非易失性鐵電晶體管存儲器的制備方法，其特征是：以p型硅為襯底，以 熱氧化的方法生長一層200_300nm的二氧化硅為絕緣層，緊接著用丙酮和異丙醇清洗襯底， 并用紫外-臭氧處理襯底；然后室溫環(huán)境下在二氧化硅上用直流磁控濺射法生長一層10-20nm厚的無機(jī)非晶氧化物一氧化銦硅薄膜作為半導(dǎo)體層，同時在半導(dǎo)體層兩側(cè)邊緣蒸鍍 25-45nm的金作為源極和漏極，之后在氧化銦硅上旋涂一層200-280nm厚的鐵電材料一聚 (偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE))作為介電層;最后在P(VDF-TrFE)薄膜上蒸鍍一層35-60nm厚的金作為柵極，制備成頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)非易失性非晶氧化物半導(dǎo)體鐵電晶體管存儲 器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是對氧化銦硅薄膜在220-280°C下進(jìn)行退火 20-50分鐘，再在氧化銦硅半導(dǎo)體層邊緣蒸鍍源極和漏極，在氧化銦硅上旋涂鐵電材料--聚 (偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE))，緊接著對P(VDF-TrFE)薄膜在80-100°C下預(yù)退火20-60分鐘，之后在120-150°C下對P(VDF-TrFE)薄膜退火1-3小時，最后在P(VDF-TrFE)薄膜上 蒸鍍柵極。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是在于器件的P(VDF-TrFE)薄膜在不同的退 火溫度下，會導(dǎo)致氧化銦硅層和P(VDF-TrFE)薄膜層的界面處產(chǎn)生界面效應(yīng)，這種效應(yīng)使界 面處P (VDF-TrFE)與氧化銦硅之間發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移，這種變化將更有利于載流子的傳輸，從 而可以提高鐵場效應(yīng)管的電氣性能，在130°C的退火溫度下器件的性能是最高的。
【文檔編號】H01L27/115GK105977258SQ201610309711
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】李昀, 王宇, 宋磊, 木津瀧, 塚越仁, 塚越一仁, 施毅
【申請人】南京大學(xué)