基于铁电材料的半导体掺杂方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铁电材料的半导体掺杂方法，主要解决现有掺杂方法精度低、均匀性差及对半导体材料有晶格损伤的问题。其实现方案是：1)使用包含不同的铁电元素的气体作为前驱体，利用原子层淀积工艺在半导体衬底上生长一层5‑15nm厚的相应铁电材料；2)使用不同的金属靶材，利用磁控溅射工艺在铁电材料上生长一层50‑100nm的相应金属电极；3)在金属电极上施加正脉冲电压或负脉冲电压，以控制铁电材料的剩余极化电荷，在半导体衬底中诱导出相应的电子或空穴，完成对半导体的掺杂。本发明专利技术提高了半导体材料的掺杂精度、掺杂均匀性及掺杂浓度，避免了对半导体材料的晶格损伤，可用于微电子器件的制备。

【技术实现步骤摘要】
基于铁电材料的半导体掺杂方法
本专利技术属于微电子
，特别涉及一种半导体掺杂方法，可用于微电子器件制备。
技术介绍
作为微电子技术中最重要的技术之一，半导体掺杂技术是当今几乎所有微电子器件得以实现的根本原因，如二极管、双极型晶体管和场效应晶体管。通过掺杂技术可以使得半导体的电导率发生巨大的变化，并且根据掺杂剂的不同可以实现n型以及p型两种导电状态，这是半导体器件能够实现各类功能的前提条件。对于传统的半导体材料一般通过掺杂剂扩散或离子注入来进行掺杂。其中：使用掺杂剂扩散工艺需要在高温条件下进行，并且在掺杂过程中不能进行掺杂剂浓度及掺杂深度的独立控制，即难以实现较高的精度。同时由于扩散的各向异性而导致掺杂会出现侧向扩散这一现象，并导致掺杂浓度分布不均匀。随着晶体管尺寸进入纳米级，由于固溶度极限的限制导致纳米结构的器件中只能存留少量掺杂剂，即无法在半导体中产生较高的掺杂浓度，从而导致器件在阈值电压方面发生变化，同时对电路设计造成了一定困难。离子注入是通过调整离子的能量和剂量来确定掺杂剂的轮廓分布，通过退火来产生陡峭的掺杂剂分布。但通过离子注入进行掺杂无法实现较深的注入，在注入后会对半导体晶格产生损伤，且即使通过退火也无法完全修复损伤。同时在离子注入过程中会产生电离杂质，破坏界面质量。近些年，为解决上述化学掺杂方法中所存在的不足，电学掺杂技术被提出并应用于半导体掺杂领域中，如功函数掺杂及外加偏置掺杂。其中功函数掺杂利用金属与半导体的功函数差产生载流子，具有非易失性。但其功函数随金属电极的确立而被固定，使得这种掺杂方法并不具备可重构性。而外加偏置掺杂利用金属与半导体界面的电场形成载流子，虽说具有可重构性。但外加偏置需要一直被施加于器件之上，一旦撤去外加偏置电压，则掺杂效果会立即消失，因此这种掺杂方法并不具备非易失性。以上这些问题的出现均制约了纳米级晶体管的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于铁电材料的半导体掺杂方法，以提高半导体材料的掺杂精度、掺杂均匀性及掺杂浓度，避免对半导体材料的晶格损伤及引入电离杂质，实现掺杂后器件的可重构性及非易失性。为实现上述目的，本专利技术的实现步骤包括如下：(1)使用包含不同的铁电元素的气体作为前驱体，利用原子层淀积工艺在半导体衬底上生长一层3-15nm厚的相应铁电材料；(2)使用不同的金属靶材，利用磁控溅射工艺在铁电材料上生长一层50-100nm的相应金属电极；(3)在金属电极上施加脉冲电压控制铁电材料的剩余极化电荷，以在半导体衬底中诱导出相应的电子或空穴，完成对半导体的掺杂。进一步，所述衬底采用Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs、SOI、GOI、二维材料和碳纳米管中的任意一种。进一步，常用的铁电元素包括Hf、Zr、Al中的任意一种。进一步，所述铁电层为HZO、Al2O3、HfO2、ZrO2、BaTiO3、Cd2Nb2O7、BiFeO3、SBT、ZnSnO3和PVDF中的任意一种。进一步，所述金属电极采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。进一步，所述(3)中在金属电极上施加脉冲电压控制铁电材料的剩余极化电荷，是通过在金属电极上施加正向脉冲电压或负向脉冲电压实现：若在金属电极上施加正向脉冲电压，使得铁电材料发生向下的极化翻转，在铁电层中获得正的剩余极化电荷，以在衬底中诱导出电子，完成衬底的n型掺杂；若在金属电极上施加负向脉冲电压，使得铁电材料发生向上的极化翻转，在铁电层中获得负的剩余极化电荷，以在衬底中诱导出空穴，完成衬底的p型掺杂。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：本专利技术由于利用了铁电材料的极化特性对半导体衬底进行掺杂，相较现有技术采用的化学掺杂及电学掺杂方法，不仅提高了半导体材料的掺杂精度、掺杂均匀性及掺杂浓度，而且避免对半导体材料的晶格损伤及引入电离杂质，从而可实现掺杂后器件的可重构性及非易失性。附图说明图1为本专利技术实现流程示意图。图2为本专利技术施加脉冲后的铁电层极化方向示意图。图3为本专利技术施加脉冲后的衬底掺杂效果示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和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用于以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参照图1，本专利技术制作基于铁电材料的半导体掺杂方法，给出如下三种实施例。实施例1：基于ZrO2材料和TaN电极的Si衬底n型掺杂方法。步骤1：选择衬底。本实例选择无掺杂硅片作为衬底1，如图1(a)。步骤2：淀积铁电层。将硅衬底1放入反应腔，利用原子层淀积工艺，以四(二甲氨基)锆作为前驱体锆源，H2O或O3为前驱体氧源，以N2作为吹扫气体，以250℃作为反应温度，在硅衬底1表面淀积形成5nm厚的ZrO2铁电层2，如图1(b)。步骤3：淀积金属电极层。利用反应溅射工艺，先用分子泵和冷泵对反应腔体抽真空，直至真空压强为8E-6Torr，再在功率为350W，Ar压力5mTorr条件下，使用Ta作为靶材对ZrO2铁电层2表面进行溅射，形成50nm厚的TaN金属层3，如图1(c)。步骤4：刻蚀形成电极。利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将金属电极层和铁电层四周多余部分刻蚀掉。步骤5：施加正向脉冲电压，诱导出电子。5.1)在刻蚀后的金属电极上施加正向脉冲电压，使得铁电材料发生向下的极化翻转，并在ZrO2铁电层中保持有相当大的剩余极化，如图2(a)；5.2)基于铁电层中保持的剩余极化，通过电场作用，在衬底中诱导出电子，完成衬底Si的n型掺杂，如图3(a)。实施例2：制作基于HfO2材料和TiN电极的Ge衬底p型掺杂方法。步骤一：选择衬底。本实例选择无掺杂锗片作为衬底1，如图1(a)。步骤二：淀积铁电层。将锗衬底1放入反应腔，利用原子层淀积工艺，设置以HfCl4作为前驱体铪源，H2O或O3为前驱体氧源，以N2作为吹扫气体，以260℃为反应温度的工艺条件，在锗衬底1表面淀积形成10nm厚的HfO2铁电层2，如图1(b)。步骤三：淀积金属电极层。利用反应溅射工艺，先使用分子泵和冷泵对反应腔体抽真空，直至真空压强为8E-6Torr，再在功率为350W，Ar压力5mTorr条件下，使用Ti作为靶材对HfO2铁电层2表面进行溅射形成80nm厚的TiN金属层3，如图1(c)。步骤四：刻蚀形成电极。利用刻蚀工艺，采用氯基原子团作为刻蚀剂，在光刻胶的掩蔽作用下，将TiN金属电极层和铁电层四周的多余部分刻蚀掉。步骤五：施加负向脉冲电压，诱导出空穴。5a)在刻蚀后的金属电极上施加负向脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铁电材料的半导体掺杂方法，其特征在于，包括如下：/n(1)使用包含不同的铁电元素的气体作为前驱体，利用原子层淀积工艺在半导体衬底上生长一层5-15nm厚的相应铁电材料；/n(2)使用不同的金属靶材，利用磁控溅射工艺在铁电材料上生长一层50-100nm的相应金属电极；/n(3)在金属电极上施加脉冲电压控制铁电材料的剩余极化电荷，以在半导体衬底中诱导出相应的电子或空穴，完成对半导体的掺杂。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于铁电材料的半导体掺杂方法，其特征在于，包括如下：
(1)使用包含不同的铁电元素的气体作为前驱体，利用原子层淀积工艺在半导体衬底上生长一层5-15nm厚的相应铁电材料；
(2)使用不同的金属靶材，利用磁控溅射工艺在铁电材料上生长一层50-100nm的相应金属电极；
(3)在金属电极上施加脉冲电压控制铁电材料的剩余极化电荷，以在半导体衬底中诱导出相应的电子或空穴，完成对半导体的掺杂。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底采用Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs、SOI、GOI、二维材料和碳纳米管中的任意一种。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，铁电层为HZO、Al2O3、HfO2、ZrO2、BaTiO3、Cd2Nb2O7、BiFeO3、SBT、ZnSnO3和PVDF中的任意一种。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属电极采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳，周久人，唐建，韩根全，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61