铁电场效应晶体管

http://www.ic72.com 发布时间：2007/4/29 10:25:12

王华　于军　周文利　王耘波　谢基凡　周东祥　朱丽丽

　　摘要：介绍了铁电场效应晶体管（FFET）的基本结构、存储机制、制作方法，综述其结构设计的改进、铁电薄膜在FFET中应用的进展情况，探讨围绕铁电薄膜材料、过渡层、结构设计、不同成膜方法及工艺对FFET存储特性的影响，对FFET的研究现状和存在的一些问题进行评述。
　　关键词：铁电薄膜；铁电场效应晶体管；存储特性
　　中图分类号：TN304.9　　文献标识码：A
　　文章编号：1001-2028(2000)02-0019-03

　　铁电薄膜材料具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学特性，在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有广泛的应用前景，成为国际上新型功能材料研究的热点之一。特别是随着铁电薄膜制备技术的一系列突破，成功地制备出性能优良的铁电薄膜，工作电压可在3～5 V，可与Si或GaAs电路集成，铁电薄膜制备工艺与IC工艺兼容成为可能，极大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展^〔1，2〕。在这些器件中，铁电场效应晶体管（FFET）不仅具有快速开关、高密度、永久性、抗辐射的特点，而且实现非破坏性读出，引起了铁电学家们的极大关注，并进行了广泛的应用基础研究^〔3～9〕。本文综合近年来国内外有关铁电场效应晶体管的研究报道，介绍FFET结构、存储原理及铁电材料在FFET中的应用进展。

1　FFET基本结构及存储机制

　　FFET单元基本结构为MFS-FET结构，即用铁电薄膜取代MOS-FET中的栅介质层，利用铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态，从而调制晶体管源、漏极间的导通状态，区别逻辑态“0”和“1”，以达到存储信息的目的。如图1所示。

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图1　n沟道FFET基本结构示意

　　当大于矫顽场的外加正向电压加在栅极上，铁电薄膜产生正极化，电场指向半导体表面，吸引负的补偿电荷到半导体表面。对于n型硅衬底，表面呈积累态，FET器件处于关断状态。当大于矫顽场的外加负向电压加在栅极上，铁电薄膜产生负的极化，吸引正的补偿电荷到半导体表面，n型硅表面呈耗尽直至反型，此时沟道导通。如果源、漏加上偏压，可产生电流I_ds。因此，对应于铁电薄膜的正、负极化态，硅表面分别呈积累、反型两种状态，当源、漏施加电压时，FET呈关断和导通两态，铁电薄膜的两个极化状态是同样稳定的，对应的半导体表面稳定，这时FFET的通、断就可实现二进制“0”和“1”的存储，FFET的这种存储机制称为极化型存储^〔10〕。
　　如果铁电体/半导体(F/S)界面存在施主和受主界面态，对应正向外加极化电压，沿电场方向运动到界面的负的电荷将被陷于受主界面态，而在硅表面产生正的感应电荷，此时n型硅表面不是积累态而成为耗尽甚至反型，沟道本应关断反而导通。相反，对应负向外加极化电压，沿电场方向运动到界面的正的电荷将被陷于施主界面态，因而在硅表面产生负感应电荷，此时硅表面反而呈积累态，沟道关断。这样，沟道通、断存储的外加极化电压信息就与极化型存储的完全相反，FFET的这种存储机制称为注入型存储^〔11〕。
　　两种不同的存储机制对应两种不同的F/S界面状态，其C-V特性是不同的：极化型存储对应的MFS结构p型衬底的C-V曲线回滞方向为顺时针，n型衬底的则为逆时针。而注入型存储对应的C-V曲线回滞方向则完全相反。

2　几种FFET结构类型

2.1　MFS-FET
　　Y.S.Wu^〔3〕在1974年制作了第一个MFS-FET，其栅极为Bi₄Ti₃O₁₂铁电薄膜。这以后很多铁电材料，如BaMgF₄，（Ba，Sr）TiO₃，Pb（Zr，Ti）O₃等均被用作MFS-FET的栅极铁电薄膜材料。但由于F/S之间存在着界面反应和互扩散，测得的C-V曲线一般为电荷注入型^〔4,5,12〕，这种注入型存储是不能永久存储的，这是由于铁电薄膜中注入了载流子，与剩余极化电
荷全部或部分抵消，这时半导体表面便不会产生诱导电荷，也就失去了使沟道导通或截止的条件，MFS-FET便失去了存储功能。保持时间短成为一个十分严重的问题。
2.2　MFIS-FET
　　为了防止半导体表面载流子向铁电薄膜中注入，许多人采用在铁电薄膜与半导体之间加入过渡层，以减少界面态，实现极化型存储。已有很多文献报道了这方面的工作。如：Al/SrBi₂Ta₂O₉/CeO₂/Si^〔6〕,Au/PZT/SiO₂/Si结构^〔7〕，金属/PbTiO₃/CeO₂/Si结构^〔8〕，金属/BIT/CaF₂/Si结构^〔11〕均实现了极化型存储。通过加入这些过渡层的方法，铁电场效应晶体管的存储特性得到了一定程度的改善，但还没有从根本上解决铁电体/半导体界面、退极化、漏电流和疲劳等直接影响铁电存储器件存储特性的根本问题。
2.3　全钙钛矿结构的铁电场效应晶体管
　　Watanabe等人^〔9〕采用PLZT和钙钛矿结构的半导体材料（掺Sr的La₂CuO₄），分别作为栅极绝缘体和栅区半导体，在绝缘体基片SrTiO₃（100）上制作了铁电场效应管的原型，据称其信号保持时间可达一月左右。但这种结构的铁电场效应晶体管由于是制作在绝缘体基片上的，所以在与半导体集成电路工艺的兼容性方面存在问题。Mathews等人^〔14〕报道了PZT/LCMO（La_0.7Ca_0.3MnO₃∶p型半导体材料）外延异质结，并由此制作出全钙钛矿结构的铁电场效应晶体管（PZT/LCMO FET），如图2所示。这种全钙钛矿结构由于其F/S界面的结构匹配，对改善界面态，提高保持力有较大潜力。

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图2　全钙钛矿结构FFET示意

3　铁电薄膜在FFET中的应用

3.1　Bi₄Ti₃O₁₂ 铁电薄膜
　　层状钙钛矿结构Bi₄Ti₃O₁₂（简称BIT）薄膜的晶格常数a=0.541 nm，b=0.545 nm，c=3.280 nm，该晶体有两个自发极化方向，在a轴方向，其剩余极化P_r约为50×10^－6 C/cm²，c轴方向P_r约为4×10^－6 C/cm²，a、c轴方向矫顽场分别为50×10³　V/cm和(3～5)×10³ V/cm，a、c轴方向的平均介电常数为100～200。BIT薄膜材料的晶格常数与单晶硅能很好地匹配，在许多文献报道中，均将BIT直接淀积在Si基片上，所得BIT薄膜一般都无明显c轴取向，测得的C-V曲线一般为电荷注入型^〔4,5,12〕。近年来，已在多种单晶衬底上外延生长出c轴取向的BIT铁电薄膜^〔5,6,15〕，其C-V曲线为极化型，表明界面态有所下降，但其剩余极化强度P_r小于10×10^－6C/cm²，记忆窗口较窄，且疲劳特性不好，在10⁸次开关后，P_r下降较大。
3.2　Pb（Zr，Ti）O₃铁电薄膜
　　Pb（Zr,Ti）O₃（简称PZT）铁电薄膜，是迄今研究得最多的铁电薄膜之一，它具有较大的剩余极化P_r为(45～50)×10^－6C/cm²，较大的介电常数，是比较成熟的铁电材料，商用FRAM多选用它。但在高温淀积PZT薄膜时，PZT与半导体硅基片存在着较严重的界面反应和互扩散，所以在FFET中，不宜直接采用PZT/Si结构，往往在两者之间加入过渡层，使之成为MFIS-FET结构，如M/PZT/CeO₂/Si^〔8〕，M/PZT/CaF₂/Si^〔10〕，M/PZT/SiO₂/Si^〔7,13〕。过渡层的加入，有效缓解了电荷注入问题，削弱了束缚极化电荷对硅中载流子的影响。图3与图4对照可见SiO₂的引入对改善C-V特性的作用。但高的漏电流和严重的疲劳仍是亟待解决的问题。

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图3　Au／PZT／Si(p型)C-V曲线

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图4　Au／PZT／SiO₂／Si(p型)C-V曲线

3.3　SrBi₂Ta₂O₉铁薄膜
　　SrBi₂Ta₂O₉(简称SBTO)为层状钙钛矿结构,其晶格常数为a=b=0.39nm,c=2.51nm,SBTO铁电薄膜的最大优势在于具有很高的疲劳耐久性,一般10⁹次开关之后仍无疲劳出现,是迄今疲劳物性最好的铁电薄膜材料,其漏电流密度一般低于10^-8A/cm²,具有良好的电绝缘性能,成为FFET热点候选材料之一.K.Amanuma等人^[16]采用溶液喾法制备的SBTO薄膜,其剩余极化强度Pr=10×10^-6C/cm2,矫顽场强Ec=38×10³V/cm.P.C.Joshi等人[17]的研究表明,当W(Bi₂O₃)超过30%时,所得薄膜性能最好.Takashi Hayashi等人[18]则对MOD方法与sol-gel方法制备SBTO薄膜进行了对比研究,表1为其结果.

表1　SBTO的介电特性（800℃，1 h）

制膜方法		ε_r	tgδ
MOD（A）	300	140	0.04	2.0	73
MOD（B）	400	180	0.03	4.5	60
sol-gel (c轴取向)	90	78	0.05	1.6	110
sol-gel (无取向)	390	100	0.06	2.8	108

　　Ichiro Koiwa等人^〔19〕用化学液相沉积和sol-gel方法制备的SBTO铁电薄膜在3×10¹²次开关之后仍未出现疲劳。Tadahiko Hirai等人^〔6〕用MOD方法制成了Al/SrBi₂Ta₂O₉/CeO₂/Si（n沟道）结构的FFET。从目前来看，各种方法的成膜温度都比较高，不利于与半导体工艺兼容。特别是从用于FFET器件来考虑，SBTO/Si界面问题，薄膜材料与半导体工艺的兼容等问题都有待深入研究。

4　结束语

　　FFET由于其突出的优点，一直受到科学家们极大的关注。多年来虽在各方面取得了可喜进展，但要真正实现FFET存储器的实用化，还有一系列问题需要研究解决，如：铁电体/半导体界面状态的控制、退极化、漏电流与保持力及它们之间的相互关系等问题。这些问题之间相互关联，互为因果，所以要从根本上解决这些问题，还必须从铁电薄膜材料的选择、材料的优化组合、制备工艺的优化、缓冲层的选择及优化组合、电极材料的选择、FFET结构的选择及器件结构设计与应用等方面进行深入的研究。

(编辑：傅成君)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(69771024)
作者简介：王华(1965－)，男，广西桂林市人，博士生，目前从事铁电材料与铁电存储器件的研究。
作者单位：王　华（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074；桂林电子工业学院电子信息分院，广西桂林　541000）
　　　　　于　军（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074）
　　　　　周文利（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074）
　　　　　王耘波（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074）
　　　　　谢基凡（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074）
　　　　　周东祥（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074）
　　　　　朱丽丽（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉　430074）

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收稿日期：1999-11-08
修回日期：2000-01-06

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