半导体结构、存储器单元及装置、包含上述的系统及其相关联方法制造方法及图纸

本发明专利技术揭示一种半导体结构，其包含：电极；铁电材料，其邻近所述电极，所述铁电材料包括铪及锆中的至少一者的氧化物，所述铁电材料掺杂有铋；及另一电极，其在所述铁电材料的与所述第一电极对置的一侧上邻近所述铁电材料。本发明专利技术还揭示相关联半导体结构、存储器单元、半导体装置、电子系统及相关联方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体结构、存储器单元及装置、包含上述的系统及其相关联方法相关申请案的交叉参考本申请案主张标题为“半导体结构、存储器单元及装置、包含上述的系统及其相关联方法(SEMICONDUCTORSTRUCTURES,MEMORYCELLSANDDEVICES,SYSTEMSINCLUDINGSAME,ANDRELATEDMETHODS)”的2017年5月9日申请的第15/590,863号美国专利申请案的申请日的权利。
本文中所揭示的实施例涉及包含一或多个铁电材料的半导体结构、相关联存储器单元、形成此类半导体结构及存储器单元的方法以及存储器装置及包含此类装置的系统。更特定来说，本专利技术的实施例涉及包含具有掺杂氧化铪材料的铁电材料的铁电半导体结构及存储器单元、形成此类半导体结构及存储器单元的方法、包含此类单元的存储器装置及包含此类装置的系统。
技术介绍
非易失性存储器装置归因于其能够在无电源供应的情况下保存数据而成为电子系统的重要元件。铁电随机存取存储器(FeRAM、FRAM)单元已被认为适合用于非易失性存储器装置中。一些非易失性存储器单元包含响应于施加电场(例如偏压电压)而展现可切换极化的铁电材料。铁电材料可包含至少两个极化状态，所述极化状态可通过施加电场来切换。FeRAM单元中的铁电材料的极化状态可用于确定FeRAM单元的逻辑状态(例如1或0)。在移除电场之后，铁电材料的极化状态可在至少某一时段内保持稳定。相应地，铁电材料可适合用于非易失性存储器装置中以无需周期性地再新单元。钙钛矿材料(例如锆钛酸铅(PZT))常用作FeRAM单元中的铁电材料。然而，此类常规铁电材料通常在位密度及可延展性方面存在不足，这是因为钙钛矿材料展现低剩余极化(Pr)，其强度可与相关联存储器单元的读出信号相关。针对FeRAM单元，铁电PZT膜的厚度必须高达约200nm以实现合适性质，因为PZT在厚度较小时损失其铁电性质。因此，常规铁电材料仅限于用于具有20nm或更小的特征大小的存储器装置。另外，常规铁电材料(例如PZT)与标准半导体处理技术的兼容性是有限的。附图说明图1是根据本专利技术的实施例的包含铁电材料的电容器的横截面图；图2是根据本专利技术的实施例的包含电容器的存储器单元的横截面图；图3是根据本专利技术的一或多个实施例来实施的系统的简化方块图；图4是根据本专利技术的实施例的包含具有电容器的FeRAM单元的系统的示意图；图5A是根据本专利技术的实施例的掺铋铁电材料的磁滞曲线与常规未掺杂铁电材料的磁滞曲线的比较图；图5B是根据本专利技术的实施例的包含掺铋铁电材料的存储器单元的信号强度对循环数与包含常规铁电材料的常规存储器单元的信号强度对循环数的比较图；及图5C是说明包含铋的铁电材料的晶相与常规铁电材料的晶相的比较的曲线图。具体实施方式本文所包含的说明图并不意指任何特定系统或半导体结构的实际视图，而是仅为用于描述本文中的实施例的理想化表示。除为了便于以下描述而使大部分元件符号以其上引入或最充分描述元件的图式的编号开始之外，图式之间的共同元件及特征可保有相同元件符号。以下描述提供例如材料类型、材料厚度及处理条件的特定细节以提供本文中所描述的实施例的透彻描述。然而，所属领域的技术人员应了解，可在不采用这些特定细节的情况下实践本文中所揭示的实施例。事实上，可结合半导体产业中所采用的常规制造技术来实践实施例。另外，本文中所提供的描述不构成包括铁电材料的半导体结构或存储器单元的完整描述或用于制造此类半导体结构或存储器单元的过程流程的完整描述。下文将描述的结构不构成完整半导体结构或完整存储器单元。下文将仅详细描述理解本文中所描述的实施例所需的过程动作及结构。可通过常规技术来执行用于形成包含本文中所描述的结构的完整半导体结构或存储器单元的额外动作。根据本文中所揭示的实施例，铁电材料可包含掺杂有铋的金属氧化物。在一些实施例中，金属氧化物包含氧化铪(HfO2，在所属领域中还称为“氧化铪(hafnia)”)、氧化锆(ZrO2，在所属领域中还称为“氧化锆(zirconia)”)或其组合。可使金属氧化物结晶以形成铁电材料。铁电材料可掺杂有在铁电材料的金属原子(例如非氧原子)中占约0.1原子百分比(at.％)到约10.0原子百分比的铋。铁电材料可包含氧化铪铋(HfBiOx)、氧化铪锆铋(HfZrBiOx)、氧化锆铋(ZrBiOx)、锆酸铪(HfZrO4)、另一含铪材料、另一含锆材料、掺杂有铋的其它铁电材料或其组合。铋可均匀分布于铁电材料的整个厚度上。在其它实施例中，铁电材料可在其整个厚度上展现不同铋浓度。在一些实施例中，铁电材料可包含至少另一掺杂剂，例如以下中的至少一者：镁、钇、锶、铌、钽、镧、钆、钒、磷、钾、钪、钌、硒、钙、钡、铝、砷及铟。铁电材料可展现斜方晶相。在一些实施例中，铁电材料可形成于展现除斜方晶相之外的晶相(例如四方晶相、立方晶相、六方晶相、菱形晶相)的衬底上。在其它实施例中，铁电材料可覆于展现非晶相的材料上(例如，形成于所述材料上)且可展现大体上均匀及斜方晶相。铁电材料可用于以下中的一或多者中：铁电半导体结构、铁电存储器单元、铁电场效应晶体管(FeFET)、铁电隧道结(FTJ)或另一铁电装置。在一些实施例中，铁电材料可相较于常规铁电材料而展现改进的铁电性质。在一些实施例中，铁电材料可展现剩余极化量值的高达25％增加量及2Pr的值，其等于移除外加电场之后的铁电材料的正剩余极化与负剩余极化之间的差。剩余极化的增大可对应于相关联存储器单元的使用及操作期间的增强读出信号。相应地，包含铁电材料的存储器单元可相较于包含常规铁电材料的存储器单元而展现改进的存储器读出信号。在一些实施例中，包含本专利技术的铁电材料的存储器单元可具有比包含常规铁电材料的存储器单元的使用寿年长的使用寿年(例如，可在展现减弱铁电性质之前循环更多次)。如本文中所使用，术语“掺杂”意味着且包含材料，所述材料包含可更改或影响材料的晶格以修改材料的电性质(例如导电性、铁电性等等)的杂质。在一些例子中，掺杂剂可存在于材料的晶格中的晶格点上。图1说明包含铁电材料104的电容器100。电容器100可构成根据本专利技术的实施例的存储器单元的部分且可包含底部电极102、底部电极102上方的铁电材料104及铁电材料104上方的顶部电极106。电容器100可为(例如)金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。尽管已将电容器100描述及说明为用于铁电存储器单元中，但本专利技术不限于此且电容器100可用于其它非易失性存储器单元中。底部电极102可包含导电材料。在一些实施例中，底部电极102包含钛、氮化钛(TiN)、氮化钛铝(TiAlN)、氮化钽(TaN)、钨、氮化钨(WN)、钌、铱、铂、含硅材料(例如氮化钛硅(TiSiN)、硅化钨(WSix))、金属硅化物、多晶硅、另一导电材料或其组合。可通过溅镀、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体结构，其包括：/n电极；/n另一电极；及/n铁电材料，其包括铪及锆中的至少一者的氧化物，所述铁电材料位于所述电极与所述另一电极之间，所述铁电材料进一步包括铋。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170509 US 15/590,8631.一种半导体结构，其包括：
电极；
另一电极；及
铁电材料，其包括铪及锆中的至少一者的氧化物，所述铁电材料位于所述电极与所述另一电极之间，所述铁电材料进一步包括铋。


2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料包括氧化铪铋。


3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料包括在所述铁电材料的非氧原子中占所述铁电材料的约0.1原子百分比到约10.0原子百分比之间的铋。


4.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料包括在所述铁电材料的非氧原子中占所述铁电材料的约0.3原子百分比到约1.0原子百分比之间的铋。


5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料进一步包括以下中的至少一者：镁、钇、锶、铌、钽、镧、钆、钒、磷、钾、钪、钌、硒、钙、钡、铝、砷、铟及硅。


6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料进一步包括镁。


7.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述铁电材料包括用于每约100份铪及锆的约0.3份到约10.0份铋及镁。


8.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料在其整个厚度上包括均匀铋浓度。


9.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述铁电材料具有斜方晶体结构。


10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的半导体结构，其中铪及锆中的至少一者的所述氧化物包括锆酸铪HfZrO4，所述锆酸铪掺杂有铋。


11.根据权利要求1或3至9中任一权利要求所述的半导体结构，其中所述铁电材料包括氧化锆铋。
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【专利技术属性】
技术研发人员：A·廖，W·I·肯尼，李宜芳，曼札拉·西迪克，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US