一种稀土掺杂铪基铁电材料、制备方法及半导体器件技术

本发明专利技术提供一种稀土掺杂铪基铁电材料，包括铪基铁电材料，铪基铁电材料中掺杂有稀土元素，掺杂的稀土元素与铪基铁电材料中铪元素原子比例介于(0.1~0.9):1。本发明专利技术还提供一种稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，包括：将含有稀土元素的物质掺杂至铪基铁电材料中，形成稀土掺杂的铪基铁电材料；在惰性气体中对稀土掺杂的铪基铁电材料进行退火，得到经退火处理后的稀土掺杂的铪基铁电材料。本发明专利技术还提供一种半导体器件。本发明专利技术制备的稀土掺杂的铪基铁电材料，使得材料的非对称性增加，可以使负电容材料更薄，具有很强的负电容特性；同时，利用稀土掺杂的铪基铁电材料制备的半导体器件，具有很高的电畴和反转速度，抗疲劳和可靠性更高。

A rare earth doped hafnium based ferroelectric material, preparation method and semiconductor device

The invention provides a rare earth doped hafnium based ferroelectric material, which comprises a hafnium based ferroelectric material, wherein the hafnium based ferroelectric material is doped with rare earth elements, and the ratio of the doped rare earth elements to the hafnium atoms in the hafnium based ferroelectric material is between (0.1 ~ 0.9): 1. The invention also provides a preparation method of rare earth doped hafnium based ferroelectric material, which comprises: doping a substance containing rare earth elements into the hafnium based ferroelectric material to form the hafnium based ferroelectric material doped with rare earth; annealing the hafnium based ferroelectric material doped with rare earth in inert gas to obtain the hafnium based ferroelectric material doped with rare earth after annealing treatment. The invention also provides a semiconductor device. The rare earth doped hafnium based ferroelectric material prepared by the invention can increase the asymmetry of the material, make the negative capacitance material thinner and have strong negative capacitance characteristics; at the same time, the semiconductor device prepared by the rare earth doped hafnium based ferroelectric material has high electric domain and inversion speed, higher fatigue resistance and reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种稀土掺杂铪基铁电材料、制备方法及半导体器件
本专利技术涉及半导体领域，具体涉及一种稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法及半导体器件。
技术介绍
从45nm技术节点起，半导体行业采用高介质金属栅代替SiO2，实现在相同等效氧化物厚度的条件下，高k栅介质物理厚度增加从而使漏电流显著降低，半导体器件尺寸得到进一步缩小。如果在晶体管栅极中加入铁电材料，就会产生负的电容值。利用负电容操控晶体管所产生的功耗非常低。应用这种新型晶体管的电子设备的续航能力将会大大提升，基于铪基的负电容材料是实现高介质金属栅负电容特性的理想材料，但是氧化铪体系的负电容特性较弱，急需一种可以提高铪基铁电材料的负电容特性的材料。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种稀土掺杂铪基铁电材料、制备方法及半导体器件，以提高铪基铁电材料的负电容特性。本专利技术提供一种稀土掺杂铪基铁电材料，包括铪基铁电材料，铪基铁电材料中掺杂有稀土元素，掺杂的稀土元素与铪基铁电材料中铪元素原子比例介于(0.1~0.9):1。采用上述技术方案，在铪基铁电材料中掺杂稀土元素，由于稀土元素的原子半径远大于铪原子半径，导致铪基晶体晶格畸变，使得晶体由中心对称转变为非中心对称，负电容特性增强。优选地，铪基铁电材料为氧化铪、铪锆氧、铪硅氧或铪铝氧中的任意一种。优选地，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的任意一种或多种元素。本专利技术还提供一种稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，包括如下步骤：将含有稀土元素的物质掺杂至铪基铁电材料中，形成稀土掺杂的铪基铁电材料；在惰性气体中对所述稀土掺杂的铪基铁电材料进行退火，得到经退火处理后的稀土掺杂的铪基铁电材料。采用上述技术方案，将稀土元素掺杂至铪基铁电材料中，经过退火处理得到稀土掺杂的铪基铁电材料，由于稀土元素的原子半径远大于铪和氧原子，导致氧化铪引起晶格畸变，使得氧化铪晶体由中心对称转变为非中心对称，可以形成更薄的负电容材料，形成的晶体的晶向更一致，提高电畴极化和反转速度；同时，由于稀土掺杂使得氧化铪晶体的电压变化引起迟滞效应，产生很强的负电容特性。优选地，当含有稀土元素的物质为稀土基气源，铪基铁电材料为铪基气源时，在臭氧存在下通过沉积方式交替堆叠形成氧化铪层和稀土氧化物层交替堆叠的稀土掺杂的铪基铁电材料。优选地，形成的交替堆叠的氧化铪层和稀土氧化物层时，形成堆叠层的堆叠周期不同。优选地，形成的堆叠周期为：形成两层稀土氧化物层与一层氧化铪层交替堆叠的堆叠层。优选地，当含有稀土元素的物质为稀土基气源，铪基铁电材料为铪基气源时，共同通入稀土基气源和铪基气源，在臭氧存在下通过沉积方式形成稀土掺杂的铪基铁电材料。优选地，稀土基气源为四甲基庚二酮镧、四甲基庚二酮镝或四甲基庚二酮铈中的任意一种或几种；铪基气源为四（二甲氨基）铪。优选地，当通入四（二甲氨基）铪时，还同时通入四（二甲氨基）锆、四（二甲氨基）硅、四（二甲氨基）铝中的任意一种或几种。优选地，通入的四（二甲氨基）锆或者四（二甲氨基）硅或者四（二甲氨基）铝中的任意一种或几种时，以四（二甲氨基）铪的重量计，四（二甲氨基）锆或者四（二甲氨基）硅或者四（二甲氨基）铝与四（二甲氨基）铪的重量比为(9~1):(1~9)。优选地，稀土基气源和所述铪基气源的重量比例为(9~1):(1~9)。优选地，当含有稀土元素的物质为稀土金属靶材，铪基铁电材料为氧化铪、铪锆氧、铪硅氧或铪铝氧中的任意一种时，通过溅射方式形成稀土掺杂的铪基铁电材料。优选地，稀土金属靶材与铪基铁电材料的添加量的重量比例为(1~5):(9~5)。优选地，退火的方式如下：惰性气体为氮气或氩气，采用激光、微波或快速热火的方式，在温度为350摄氏度至850摄氏度进行退火，退火时间为1秒至50秒。本专利技术还提供一种半导体器件，包括衬底；以及栅极结构，位于衬底上方，栅极结构包括：界面氧化层；稀土氧化物层，位于界面氧化层上方；功函数层，位于稀土氧化层上方；金属层，位于功函数层上方；其中，稀土氧化物层采用稀土掺杂铪基铁电材料。优选地，界面氧化层为SiO2层或者SiO2和HfO2、Al2O3组合物层。优选地，界面氧化层的厚度为0.5至10纳米。优选地，功函数层为TiN层、TaN层、TiNx层、TaNx层、TiNSi层、Al层、TiAl层、TiAlx层、TiAlCx层、TiCx层、TaCx层中的任意一种或其中的多种材料形成的复合层。优选地，功函数层的厚度为1至20纳米。优选地，金属层为TiN/W层、TiN层、Al层、Co层的任意一种或其中的多种材料形成的电极。优选地，金属层的厚度为10至100纳米。综上所述，采用本专利技术的稀土掺杂的铪基铁电材料的制备方法得到的铪基铁电材料，由于稀土元素的掺杂使得材料的非对称性增加，形成更薄的负电容材料，具有很强的负电容特性；同时，掺杂了稀土元素的铪基铁电材料更薄，形成晶体的晶向更一致，提高电畴和反转速度，抗疲劳和可靠性更高。附图说明图1为本专利技术提供的制备稀土掺杂材料的流程图；图2为本专利技术提供的半导体器件结构示意图。附图标记：1.衬底；2.栅极结构、20.界面氧化层、21.稀土氧化层、22.功函数层、23.金属层。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。从45nm技术节点起，半导体行业采用高介质金属栅代替SiO2，实现在相同等效氧化物厚度的条件下，高k栅介质物理厚度增加从而使漏电流显著降低，半导体器件尺寸得到进一步缩小。如果在晶体管栅极中加入铁电材料，就会产生负的电容值。利用负电容操控晶体管所产生的功耗非常低。应用这种新型晶体管的电子设备的续航能力将会大大提升，基于铪基的负电容材料是实现高介质金属栅负电容特性的理想材料，但是氧化铪体系的负电容特性较弱，急需一种可以提高铪基铁电材料的负电容特性的材料。本专利技术提供一种稀土掺杂铪基铁电材料，包括铪基铁电材料，所述铪基铁电材料中掺杂有稀土元素，掺杂的稀土元素与铪基铁电材料中铪元素原子比例介于(0.1~0.9):1。采用上述技术方案，在铪基铁电材料中掺杂稀土元素，由于稀土元素的原子半径远大于铪原子半径，掺杂会导致铪基晶体晶格畸变，使得晶体由中心对称转变为非中心对称，负电容特性增强。在上述实施例的基础上，进一步地，铪基铁电材料为氧化铪、铪锆氧、铪硅氧或铪铝氧中的任意一种。采用上述技术方案，铪基铁电材料为氧化铪、铪锆氧、铪硅氧或铪铝氧中的任意一种，增加了本专利技术铪基铁电材料的适用性。在上述实施例的基础上，进一步地，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的任意一种或多种元素。参考图1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土掺杂铪基铁电材料，其特征在于，包括：铪基铁电材料，所述铪基铁电材料中掺杂有稀土元素，掺杂的所述稀土元素与所述铪基铁电材料中铪元素原子比例介于(0.1~0.9):1。/n

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂铪基铁电材料，其特征在于，包括：铪基铁电材料，所述铪基铁电材料中掺杂有稀土元素，掺杂的所述稀土元素与所述铪基铁电材料中铪元素原子比例介于(0.1~0.9):1。


2.根据权利要求1所述的掺杂铪基铁电材料，其特征在于，所述铪基铁电材料为氧化铪、铪锆氧、铪硅氧或铪铝氧中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的掺杂铪基铁电材料，其特征在于，所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的任意一种或多种元素。


4.一种稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将含有稀土元素的物质掺杂至铪基铁电材料中，形成稀土掺杂的铪基铁电材料；
在惰性气体中对所述稀土掺杂的铪基铁电材料进行退火，得到经退火处理后的稀土掺杂的铪基铁电材料。


5.根据权利要求4所述的稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，当所述含有稀土元素的物质为稀土基气源，所述铪基铁电材料为铪基气源时，在臭氧存在下通过沉积方式形成氧化铪层和稀土氧化物层交替堆叠的稀土掺杂的铪基铁电材料。


6.根据权利要求5所述的掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，形成的交替堆叠的所述氧化铪层和所述稀土氧化物层时，形成堆叠层的堆叠周期不同。


7.根据权利要求6所述的掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，形成的堆叠周期为：形成两层所述稀土氧化物层与一层所述氧化铪层交替堆叠的堆叠层。


8.根据权利要求4所述的掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，当所述含有稀土元素的物质为稀土基气源，所述铪基铁电材料为铪基气源时，共同通入所述稀土基气源和所述铪基气源，在臭氧存在下通过沉积方式形成稀土掺杂的铪基铁电材料。


9.根据权利要求5~8任一项所述的稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，所述稀土基气源为四甲基庚二酮镧、四甲基庚二酮镝或四甲基庚二酮铈中的任意一种或几种；所述铪基气源为四（二甲氨基）铪。


10.根据权利要求9所述的稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，当通入所述四（二甲氨基）铪时，还同时通入四（二甲氨基）锆、四（二甲氨基）硅、四（二甲氨基）铝中的任意一种或几种。


11.根据权利要求10所述的稀土掺杂铪基铁电材料的制备方法，其特征在于，通入的所述四（二甲氨基）锆或者所述四（二甲氨基）硅或者所述四（二甲氨基）铝中的任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青竹，张兆浩，魏千惠，屠海令，殷华湘，魏峰，赵鸿滨，王文武，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11