[發(fā)明專利]一種HfO2

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110262011.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113178477B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田國(guó)良;許高博;殷華湘;項(xiàng)金娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號(hào): H01L29/24
• 分類號(hào): H01L29/24;H01L21/02
• 代理公司: 北京辰權(quán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11619
• 代理人: 史晶晶

本發(fā)明涉及一種HfO₂基鐵電薄膜及其沉積方法。一種HfO₂基鐵電薄膜的沉積方法包括：在半導(dǎo)體載體表面形成一層羥基；然后依次沉積鉿的氮氧化物薄膜、其他元素的氮氧化物薄膜，或者沉積依次其他元素的氮氧化物薄膜、鉿的氮氧化物薄膜；沉積頂電極；退火；其中，所述鉿的氮氧化物薄膜由鉿前驅(qū)體與NH3、氧化劑反應(yīng)生成；所述其他元素的氮氧化物薄膜由其他元素的前驅(qū)體與NH3、氧化劑反應(yīng)生成，并且其他元素選自Al、Zr、La、Gd和Si中至少一種。本發(fā)明能夠有效地減少氧化鉿基鐵電薄膜中的氧空位缺陷，從而提升其可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝領(lǐng)域，特別涉及一種HfO₂基鐵電薄膜及其沉積方法。

背景技術(shù)

HfO₂基鐵電材料是一種新型的鐵電材料，具有優(yōu)異的鐵電性，與傳統(tǒng)的PZT、BST等鐵電材料相比，其與CMOS工藝兼容，且其較高的介電常數(shù)可以將薄膜厚度控制到很薄；其在低于10nm的超薄厚度下仍具有穩(wěn)定的鐵電性，而PZT、SBT等鐵電材料在較厚是才能保持其鐵電性，可以有效減小FeFET等器件的尺寸，從而提升芯片的集成度；不含有Pb元素，可以減少對(duì)環(huán)境的污染。氧化鉿基鐵電薄膜的生長(zhǎng)方法有很多，其中原子層沉積(ALD)方法可以精確的控制薄膜厚度和組分，而且三維臺(tái)階覆蓋較為均勻，適合未來(lái)三維器件的開(kāi)發(fā)。

盡管HfO₂基鐵電材料具有優(yōu)異的鐵電性，但因氧空位等缺陷的存在，在初始的有限循環(huán)次數(shù)內(nèi)因氧空位的重新分布而導(dǎo)致的wake-up效應(yīng)(隨著鐵電材料極化反轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，剩余極化逐漸增加)、隨著循環(huán)次數(shù)增加因氧空位等缺陷躍遷釘扎疇壁導(dǎo)致的疲勞效應(yīng)(隨著鐵電材料極化反轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，剩余極化逐漸降低)和因鐵電層中發(fā)生電荷俘獲抵消了鐵電層中的極化效應(yīng)而導(dǎo)致保持特性較差等問(wèn)題，這阻礙了其商業(yè)化的應(yīng)用。現(xiàn)有改善HfO₂基鐵電材料可靠性的方案有多種，如更換電極、等離子體界面處理、特殊退火工藝處理等。但一些電極與CMOS工藝不兼容導(dǎo)致應(yīng)用不靈活、等離子體界面處理不能對(duì)薄膜內(nèi)部的缺陷進(jìn)行有效鈍化、特殊退火工藝的成本較高。因此，在制造大規(guī)模集成電路時(shí)，這些方案都具有局限性。

為此，提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種HfO₂基鐵電薄膜的沉積方法，該方法能夠有效地減少氧化鉿基鐵電薄膜中的氧空位缺陷，從而提升其可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。

一種HfO₂基鐵電薄膜的沉積方法，包括：

在半導(dǎo)體載體表面形成一層羥基；

然后依次沉積鉿的氮氧化物薄膜、其他元素的氮氧化物薄膜，或者沉積依次其他元素的氮氧化物薄膜、鉿的氮氧化物薄膜；

沉積頂電極；

退火；

其中，所述鉿的氮氧化物薄膜由鉿前驅(qū)體與NH3、氧化劑反應(yīng)生成；

所述其他元素的氮氧化物薄膜由其他元素的前驅(qū)體與NH3、氧化劑反應(yīng)生成，并且其他元素選自Al、Zr、La、Gd和Si中至少一種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達(dá)到了以下技術(shù)效果。

(1)本發(fā)明摻雜氮與HfO₂基鐵電薄膜中氧空位耦合，消除了其對(duì)電子的捕獲，有效地減少氧化鉿基鐵電薄膜中的氧空位缺陷，從而提升其可靠性。

(2)同時(shí)本發(fā)明的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，且工藝簡(jiǎn)單成本較低，可在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用。

(3)該種方法克服了一些其他方法工藝復(fù)雜、成本較高和應(yīng)用不靈活等缺點(diǎn)，可直接在薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中改善其可靠性，無(wú)需在成膜后增加步驟。

附圖說(shuō)明