[发明专利]一种HfO2

说明书

本发明涉及一种HfO₂基铁电薄膜及其沉积方法。一种HfO₂基铁电薄膜的沉积方法包括：在半导体载体表面形成一层羟基；然后依次沉积铪的氮氧化物薄膜、其他元素的氮氧化物薄膜，或者沉积依次其他元素的氮氧化物薄膜、铪的氮氧化物薄膜；沉积顶电极；退火；其中，所述铪的氮氧化物薄膜由铪前驱体与NH3、氧化剂反应生成；所述其他元素的氮氧化物薄膜由其他元素的前驱体与NH3、氧化剂反应生成，并且其他元素选自Al、Zr、La、Gd和Si中至少一种。本发明能够有效地减少氧化铪基铁电薄膜中的氧空位缺陷，从而提升其可靠性。

技术领域

本发明涉及半导体生产工艺领域，特别涉及一种HfO₂基铁电薄膜及其沉积方法。

背景技术

HfO₂基铁电材料是一种新型的铁电材料，具有优异的铁电性，与传统的PZT、BST等铁电材料相比，其与CMOS工艺兼容，且其较高的介电常数可以将薄膜厚度控制到很薄；其在低于10nm的超薄厚度下仍具有稳定的铁电性，而PZT、SBT等铁电材料在较厚是才能保持其铁电性，可以有效减小FeFET等器件的尺寸，从而提升芯片的集成度；不含有Pb元素，可以减少对环境的污染。氧化铪基铁电薄膜的生长方法有很多，其中原子层沉积(ALD)方法可以精确的控制薄膜厚度和组分，而且三维台阶覆盖较为均匀，适合未来三维器件的开发。

尽管HfO₂基铁电材料具有优异的铁电性，但因氧空位等缺陷的存在，在初始的有限循环次数内因氧空位的重新分布而导致的wake-up效应(随着铁电材料极化反转次数的增加，剩余极化逐渐增加)、随着循环次数增加因氧空位等缺陷跃迁钉扎畴壁导致的疲劳效应(随着铁电材料极化反转次数的增加，剩余极化逐渐降低)和因铁电层中发生电荷俘获抵消了铁电层中的极化效应而导致保持特性较差等问题，这阻碍了其商业化的应用。现有改善HfO₂基铁电材料可靠性的方案有多种，如更换电极、等离子体界面处理、特殊退火工艺处理等。但一些电极与CMOS工艺不兼容导致应用不灵活、等离子体界面处理不能对薄膜内部的缺陷进行有效钝化、特殊退火工艺的成本较高。因此，在制造大规模集成电路时，这些方案都具有局限性。

为此，提出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种HfO₂基铁电薄膜的沉积方法，该方法能够有效地减少氧化铪基铁电薄膜中的氧空位缺陷，从而提升其可靠性。

为了实现以上目的，本发明提供以下技术方案。

一种HfO₂基铁电薄膜的沉积方法，包括：

在半导体载体表面形成一层羟基；

然后依次沉积铪的氮氧化物薄膜、其他元素的氮氧化物薄膜，或者沉积依次其他元素的氮氧化物薄膜、铪的氮氧化物薄膜；

沉积顶电极；

退火；

其中，所述铪的氮氧化物薄膜由铪前驱体与NH3、氧化剂反应生成；

所述其他元素的氮氧化物薄膜由其他元素的前驱体与NH3、氧化剂反应生成，并且其他元素选自Al、Zr、La、Gd和Si中至少一种。

与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果。

(1)本发明掺杂氮与HfO₂基铁电薄膜中氧空位耦合，消除了其对电子的捕获，有效地减少氧化铪基铁电薄膜中的氧空位缺陷，从而提升其可靠性。

(2)同时本发明的工艺与传统CMOS工艺兼容，且工艺简单成本较低，可在大规模生产中应用。

(3)该种方法克服了一些其他方法工艺复杂、成本较高和应用不灵活等缺点，可直接在薄膜的生长过程中改善其可靠性，无需在成膜后增加步骤。

附图说明