CN115799071A - 基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法。该方法包括：在氧化铪基铁电晶体管的栅极制作过程中，在衬底上依次沉积栅极介质、顶电极、氧清除金属层、隔离层，栅极介质为氧化铪基铁电材料，在全部沉积后进行退火处理，在退火处理后，通过光刻、刻蚀去除顶电极、氧清除金属层和隔离层，重新生长顶电极，得到顶电极‑栅极介质‑衬底的栅极结构。本发明在氧化铪基铁电晶体管工艺中引入氧清除技术，使氧化铪基铁电材料形成更多的铁电相，诱导氧化铪基栅极介质产生更大的剩余极化值，从而提高氧化铪基铁电晶体管的铁电性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体与集成电路技术领域，具体涉及一种基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法。
背景技术
一方面，传统的铁电存储器(Ferroelecteic Random Access Memory,FRAM)，具有操作速度快、功耗低以及高可靠性等优势，被提出可应用于低功耗的快速存储系统中。但是，和传统的动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)相比，铁电存储器由于铁电材料的限制无法进行高密度的集成，这使铁电存储器不能进行广泛的应用。
另一方面，随着近些年氧化铪基铁电存储器的研究，这使铁电晶体管(FeFET)有希望进行高密度的集成。但是氧化铪基铁电晶体管目前存在着剩余极化强度低等问题需要解决。
因此一种与超大规模集成电路工艺兼容的方法来提升氧化铪基铁电晶体管的铁电性能的技术具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种满足与超大规模集成电路工艺兼容的工艺技术，来提高氧化铪基铁电晶体管的铁电性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，具体为，在氧化铪基铁电晶体管的栅极制作过程中，在衬底上依次层叠栅极介质、顶电极、氧清除金属层、隔离层；所述栅极介质为氧化铪基铁电材料；所述氧清除金属层基于金属和氧反应的热力学系统，通过使用氧清除金属来控制氧化铪基铁电材料中的氧空位浓度，以提升铁电相含量并提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能。
进一步地，所述衬底包括P型或N型的硅、锗、硅锗。
进一步地，所述栅极介质为未掺杂的氧化铪或掺杂锆、硅、锗、铝、氮、镧、钇和钪中至少一种元素的氧化铪。
进一步地，所述栅极介质的材料为掺锆氧化铪，掺锆氧化铪的结晶温度低，掺杂浓度适中，有利于集成；所述掺锆氧化铪的锆元素掺杂浓度为10％-80％，该掺杂浓度范围具有较大的剩余极化值的同时且漏电流较小。
进一步地，所述栅极介质厚度为2nm-30nm，在该厚度范围内可达到较大的剩余极化值，既能保证较薄的尺寸，也能具备较优的铁电性能。
进一步地，所述氧清除金属层的材料为镧、钇、铝中的一种，优选地，氧清除金属层的材料为钇；氧清除金属需要有比铪更强的与氧结合的能力，才能在热处理过程中从氧化铪中夺取氧原子。
进一步地，所述顶电极的材料为TiN、TaN、W、Cu、Au、Ni、Pt、Al中的至少一种；所述顶电极厚度为5nm-20nm。
进一步地，所述隔离层的材料为多晶硅。
进一步地，在衬底上依次沉积栅极介质、顶电极、氧清除金属层、隔离层，并在全部沉积后进行退火处理；在退火处理后，通过光刻、刻蚀去除顶电极、氧清除金属层和隔离层，重新生长顶电极，得到顶电极-栅极介质-衬底的栅极结构。
进一步地，所述退火处理的退火温度为400℃-1000℃，保持时间为30秒到2小时。
本发明的有益效果是：传统铁电薄膜需要几百纳米厚才能达到较大的剩余极化值，而氧化铪基铁电薄膜厚度在5nm-30nm都有一定的剩余极化值。本发明所述的氧化铪基铁电晶体管能使器件达到高存储密度，并向高集成度方向发展；本发明在氧化铪基铁电晶体管工艺中引入氧清除技术，使氧化铪基铁电材料形成更多的铁电相，诱导氧化铪基栅极介质产生更大的剩余极化值，从而提高氧化铪基铁电晶体管的铁电性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能方法的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能方法的重新沉积顶电极的示意图；
图3为本发明实施例提供的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能方法的后栅制备工艺流程图；
图4为本发明实施例提供的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能方法的氧化铪基材料X射线衍射图；
图5为本发明实施例提供的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能方法的氧化铪基器件电回滞线。
具体实施方式
下面将结合本发明专利中的附图，对本发明专利中的技术方案进行清楚地、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利的保护范围。
本发明实施例提供一种基于氧清除技术的氧化铪基铁电晶体管，其结构如图1、图2所示，图1所示的栅极结构从下至上依次包括：衬底、栅极介质、顶电极、氧清除金属层、隔离层，栅极介质为氧化铪基铁电材料；图2所示的为完成氧清除技术后重新沉积顶电极的氧化铪基铁电晶体管。
本发明的氧清除技术基于金属和氧反应的热力学系统，根据金属的氧化物形成时的吉布斯自由能变，选取吉普斯自由能变较低的氧清除金属，在退火结晶步骤时从氧化铪基铁电材料中夺取氧，使氧化铪基铁电材料中产生更多的氧空位，从而产生更多的铁电相，并增强其铁电性能。
具体地，所述衬底包括P型或N型的硅、锗、硅锗。
具体地，所述栅极介质为未掺杂的氧化铪或掺杂锆、硅、锗、铝、氮、镧、钇和钪中至少一种元素的氧化铪，优选地，栅极介质采用掺锆氧化铪，掺锆氧化铪的结晶温度低，掺杂浓度适中，有利于集成，掺锆氧化铪的锆元素掺杂浓度为10％-80％，该掺杂浓度范围具有较大的剩余极化值的同时且漏电流较小。
具体地，所述栅极介质厚度为2nm-30nm，在该厚度范围内可达到较大的剩余极化值，既能保证较薄的尺寸，也能具备较优的铁电性能。
具体地，所述氧清除金属层的材料为镧、钇、铝中的一种，优选地，氧清除金属层的材料为钇；氧清除金属需要有比铪更强的与氧结合的能力，才能在热处理过程中从氧化铪中夺取氧原子。
具体地，所述顶电极的材料为TiN、TaN、W、Cu、Au、Ni、Pt、Al中的至少一种；所述顶电极厚度为5nm-20nm。
具体地，所述隔离层的材料为多晶硅。
在一个实施例中，提供一种基于氧清除技术的氧化铪基铁电晶体管的后栅制备工艺，所用衬底种类为P型硅，如图3所示，包括以下步骤：
(1)用标准清洗工艺对P型硅进行前处理清洗，并进行硅片热氧化；
(2)光刻、刻蚀定义有源区；
(3)对有源区进行离子注入与离子激活；
(4)使用原子层沉积设备进行铪基薄膜沉积；
(5)在铪基薄膜上依次沉积10nm TiN作为顶电极，沉积5nm Y金属作为氧清除金属层，沉积80nm Si作为隔离层；
(6)对沉积好的样品进行退火处理，退火温度为500℃，退火时间为1min；
(7)使用光刻、湿法刻蚀的方式去除铪基薄膜顶部的顶电极、氧清除金属层和隔离层；
(8)重新生长10nm TiN作为顶电极；
(9)通过光刻，显影，等离子刻蚀顶部图形，保留顶电极，得到衬底-栅极介质-顶电极的栅极结构；
(10)沉积衬底的背电极，得到铁电性能提升的氧化铪基铁电晶体管。
图4为氧化铪基薄膜的X射线衍射图，从图中可以看出经过氧清除技术处理后的氧化铪基薄膜的铁电相峰位增强，证明氧清除技术提高了氧化铪基薄膜的铁电相含量。
图5为氧化铪基器件的电回滞线图，从图中可以看出经过氧清除技术处理后的剩余极化值得到了提升，证明氧清除技术提高了氧化铪基薄膜的铁电性能。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案并非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不是脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，在氧化铪基铁电晶体管的栅极制作过程中，在衬底上依次层叠栅极介质、顶电极、氧清除金属层、隔离层；所述栅极介质为氧化铪基铁电材料；所述氧清除金属层基于金属和氧反应的热力学系统，通过使用氧清除金属来控制氧化铪基铁电材料中的氧空位浓度，以提升铁电相含量并提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能。
2.如权利要求1所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述衬底包括P型或N型的硅、锗、硅锗。
3.如权利要求1所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述栅极介质为未掺杂的氧化铪或掺杂锆、硅、锗、铝、氮、镧、钇和钪中至少一种元素的氧化铪。
4.如权利要求3所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述栅极介质的材料为掺锆氧化铪，所述掺锆氧化铪的锆元素掺杂浓度为10％-80％。
5.如权利要求1所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述栅极介质厚度为2nm-30nm。
6.如权利要求1所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述氧清除金属层的材料为镧、钇、铝中的一种，氧清除金属需要有比铪更强的与氧结合的能力，才能在热处理过程中从氧化铪中夺取氧原子。
7.如权利要求1所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述顶电极的材料为TiN、TaN、W、Cu、Au、Ni、Pt、Al中的至少一种；所述顶电极厚度为5nm-20nm。
8.如权利要求1所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述隔离层的材料为多晶硅。
9.如权利要求1-8中任一项所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，在衬底上依次沉积栅极介质、顶电极、氧清除金属层、隔离层，并在全部沉积后进行退火处理；在退火处理后，通过光刻、刻蚀去除顶电极、氧清除金属层和隔离层，重新生长顶电极，得到顶电极-栅极介质-衬底的栅极结构。
10.如权利要求9所述的基于氧清除技术提高氧化铪基铁电晶体管铁电性能的方法，其特征在于，所述退火处理的退火温度为400℃-1000℃，保持时间为30秒到2小时。
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