包括具有铁电层和非铁电层的电介质结构的半导体器件制造技术

本发明专利技术提供了一种包括具有铁电层和非铁电层的电介质结构的半导体器件。根据一个实施例的半导体器件包括：第一电极；电介质结构，其设置在第一电极上并且具有铁电层和非铁电层；以及第二电极，其设置在电介质结构上。铁电层具有正矫顽电场和负矫顽电场，所述正矫顽电场和所述负矫顽电场具有不同的绝对值。电介质结构具有非铁电特性。

【技术实现步骤摘要】
包括具有铁电层和非铁电层的电介质结构的半导体器件相关申请的交叉引用本申请要求2018年12月27日提交的申请号为10-2018-0171071的韩国专利申请的优先权，其通过引用整体合并于此。
本公开的各种实施例总体而言涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种包括具有铁电层和非铁电层的电介质结构的半导体器件。
技术介绍
随着半导体芯片设计的临界尺寸减小，半导体芯片中的电容器元件和晶体管元件的尺寸也在减小。然而，为了性能，需要将电容器元件所需的电容和晶体管元件的栅电介质层保持在预定值或更高的值。因此，已经研究了用于增大电介质层的电容的各种方法。通常，已经继续尝试将高电介质材料应用于电介质层，然而，近年来，应用高电介质材料的电介质层由于泄漏电流的产生而达到增大电容的极限。
技术实现思路
本公开的实施例提供了一种具有高电容的电介质层，其应用于电容器元件的电介质层或晶体管元件的栅电介质层。根据本公开的一个方面的半导体器件包括：第一电极；电介质结构，其设置在第一电极上，并且具有铁电层和非铁电层；以及第二电极，其设置在电介质结构上。铁电层具有绝对值不同的正矫顽电场和负矫顽电场。电介质结构具有非铁电特性。根据本公开的另一个方面的半导体器件包括设置在器件的衬底的沟道区上的栅电介质结构。栅电介质结构包括铁电层和非铁电层。铁电层具有第一区域和第一区域厚度，所述第一区域厚度由氧空位的第一区域浓度梯度产生，所述氧空位俘获负电荷并且使对应的正电荷极化以及产生内部电场。通过铁电层和非铁电层的电容匹配，栅电介质结构具有顺电特性和受控的电容。附图说明图1A至1C是示意性地示出传统电介质材料的电介质特性的曲线图。图2是由传统铁电材料呈现出的铁电迟滞回线(ferroelectrichysteresisloop)。图3是示意性地示出根据本公开的比较示例的半导体器件的截面图。图4A和图4B是示出针对根据本公开的比较示例的半导体器件中的电介质层结构的、电荷Q与能量U之间的关系的曲线图。图5是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的截面图。图6是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的铁电层中的氧空位的分布的图。图7是示意性地示出由于根据本公开的一个实施例的半导体器件的铁电层中的氧空位的分布而引起的内部电场的图。图8是根据本公开的一个实施例的半导体器件的铁电层的迟滞回线。图9是示出针对根据本公开的一个实施例的半导体器件中的电介质结构的、电荷Q与能量U的关系的曲线图。图10是示意性地示出根据本公开的另一个实施例的半导体器件的截面图。图11是示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的铁电层中的氧空位的曲线图。图12是示意性地示出由于根据本公开的一个实施例的半导体器件的铁电层中的氧空位的分布而引起的内部电场的图。图13是示出根据本公开的另一个实施例的半导体器件的铁电层中的掺杂剂的浓度梯度的曲线图。图14是示意性地示出根据本公开的另一个实施例的半导体器件的截面图。图15是示意性地示出根据本公开的一个实施例的另一个半导体器件的截面图。具体实施方式现在将在下文中参考附图描述各种实施例。在附图中，为了图示清楚，可能夸大了层和区域的尺寸。附图是从观察者的视角来描述的。如果一个元件被称为位于另一个元件上，则可以理解该元件直接位于另一个元件上，或者另外的元件可以介于该元件与该另一个元件之间。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。此外，除非在上下文中另外明确使用，否则词语的单数形式的表达应被理解为包括词语的复数形式。还将理解的是，术语“包括”或“具有”旨在表明特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但不用于排除存在或者添加一个或更多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、部件或其组合的可能性。图1A至图1C是示意性地示出传统电介质材料的电介质特性的曲线图。具体地，图1A的第一曲线1000a表示根据铁电材料的电荷Q中的改变的能量U。图1B的第二曲线1000b表示根据铁电材料的电荷Q中的改变的电势V。图1C的第三曲线1000c表示根据铁电材料的电荷Q中的改变的电容C。参考图1A的第一曲线1000a，铁电材料的静电能可以在第一电荷量Q1和第二电荷量Q2中具有最低值。因此，当外部电压被施加到铁电材料的两端时，铁电材料可以稳定地具有一对剩余极化状态，其与第一电荷量Q1和第二电荷量Q2分别相对应。图1B的第二曲线1000b是通过用电荷量对第一曲线1000a进行微分而获得的曲线。即，第二曲线1000b可以遵循由等式V＝dU/dQ表达的关系。这里，V可以是铁电层的电势，U可以是铁电层的静电能，并且Q可以是铁电层中的电荷量。图1C的第三曲线1000c是通过用电荷量对第二曲线1000b进行微分而获得的曲线。即，第三曲线1000c可以遵循由等式C-1＝dV/dQ表达的关系。这里，C可以是铁电层的电容，V可以是铁电层的电势，U可以是铁电层的静电能，并且Q可以是铁电层中的电荷量。同时，在第三曲线1000c中，电容C具有负值的部分可以存在于第三电荷量Q3与第四电荷量Q4之间。在该部分中，可以说铁电材料具有负电容。在其余部分中，电容C可以具有正值。图2是由传统铁电材料代表的铁电迟滞回线(ferroelectrichysteresisloop)。具体地，图2可以是通过顺序地形成第一电极、铁电材料层和第二电极而获得的迟滞回线2000。铁电材料层的极化通过施加在第一电极与第二电极之间的电场来测量。参考图2的迟滞回线2000，铁电材料可以具有第一剩余极化Pr和第二剩余极化-Pr以及第一矫顽电场Ec和第二矫顽电场-Ec。第一剩余极化Pr和第二剩余极化-Pr、以及第一矫顽电场Ec和第二矫顽电场-Ec，可以具有相同的幅度。同样，铁电材料可以在第一饱和电场Es和第二饱和电场-Es处具有对应的第一饱和极化Ps和第二饱和极化-Ps。第一饱和电场Es和第二饱和电场-Es、以及第一饱和极化Ps和第二饱和极化-Ps，也可以具有相同的幅度。再次参考图2，当铁电材料具有第二剩余极化-Pr时，可以将从0开始在正方向上增大的电场施加到铁电材料上。在一些实施例中，当电场达到第一矫顽电场Ec时，铁电材料的极化可以沿新的极化路径22改变，而不沿迟滞回线2000改变。沿新的极化路径22的极化改变可以是由上面参考图1的第一曲线至第三曲线1000a、1000b和1000c描述的铁电材料的负电容特性引起的。即，在新的极化路径22中，铁电材料的电容可以遵循由等式C＝dQ/dV<0表达的关系。这里，C可以是电容，Q可以是电荷量，并且V可以是电场。当铁电材料如图1C所示在Q3与Q4之间具有负电容时，铁电材料可以如图1A所示具有不稳定的静电能U。因此，铁电材料具有不稳定的静电能U，极化改变可以遵循新的极化路径22。如上所述，铁电材料可以在第一电荷量Q1和第二电荷量Q2具有稳定的静电能U。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体器件，包括：/n第一电极；/n电介质结构，其设置在所述第一电极上，并且具有铁电层和非铁电层；以及/n第二电极，其设置在所述电介质结构上，/n其中，所述铁电层具有正矫顽电场和负矫顽电场，所述正矫顽电场和所述负矫顽电场具有不同的绝对值，以及/n其中，所述电介质结构具有非铁电特性。/n

【技术特征摘要】
20181227 KR 10-2018-01710711.一种半导体器件，包括：
第一电极；
电介质结构，其设置在所述第一电极上，并且具有铁电层和非铁电层；以及
第二电极，其设置在所述电介质结构上，
其中，所述铁电层具有正矫顽电场和负矫顽电场，所述正矫顽电场和所述负矫顽电场具有不同的绝对值，以及
其中，所述电介质结构具有非铁电特性。


2.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述非铁电层具有顺电特性。


3.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述正矫顽电场的绝对值小于所述负矫顽电场的绝对值。


4.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述铁电层包括选自氧化铪、氧化锆和氧化铪锆中的至少一种。


5.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述非铁电层包括选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆和氧化铪锆中的至少一种。


6.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述非铁电层和所述铁电层顺序地层叠在所述第一电极与所述第二电极之间。


7.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述铁电层包括与所述第二电极相邻的第一区域和在所述第一区域外部的第二区域，
其中，所述第二区域远离所述第二电极并且邻近所述第一区域，以及
其中，所述第一区域的氧空位的浓度高于所述第二区域的氧空位的浓度。


8.如权利要求7所述的半导体器件，
其中，所述第一区域具有氧空位的浓度梯度。


9.如权利要求1所述的半导体器件，
其中，所述铁电层包括掺杂剂，
其中，所述铁电层包括具有相对高浓度的所述掺杂剂的第一区域和具有相对低浓度的所述掺杂剂的第二区域，以及
其中，所述第一区域具有所述掺杂剂的浓度梯度。


10.一种半导体器件，包括：
衬底，其具有沟道区；
栅电介质结构，其设置在所述沟道区上，并且包括铁电层和非铁电层；以及
栅电极层，其设置在所述栅电介质结构上，
其中，所述铁电层具有正矫顽电场和负矫顽电场，所述正矫顽电场和所述负矫顽电场具有不同的绝对值，以及

【专利技术属性】
技术研发人员：刘香根，李世昊，李在吉，
申请(专利权)人：爱思开海力士有限公司，
类型：发明
国别省市：韩国;KR