基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件

本公开涉及微电子、介电材料，尤其涉及一种基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件。

背景技术：

1、随着信息技术的发展，人们对于信息存储的需求不断增大，对存储器的容量、体积、功耗和价格等提出了越来越高的要求。为了增加存储器的容量，集成电路工业旨在通过减小器件最小特征尺寸来实现。这转化为了电子实体的小型化。例如晶体管、电容器、电阻器和/或信号线。其中，许多电子实体涉及介电层。例如晶体管，其包括利用介质层与晶体管沟道分离的栅极电极。此外，电容器包括布置在两个相对的电极之间的介电层。通常，最大化介电层的介电常数，能够减小特征和/或电极面积，这可以是存储器的容量增加。此外，还可以减少通过介电层的泄漏电流。

2、高k材料是一种具有较高介电常数的介电材料，受到了产业界与学术界的广泛研究。这种的材料被定义为具有大于二氧化硅的介电常数的介电材料。高k材料的示例包括过渡金属氧化物、氧化锆、氧化铪、钛酸铅锆、氧化钽、氮化硅和/或钛酸钡锶等。闪存器件作为采用高k材料提高存储器容量的典型代表，其发展一面临了瓶颈。一方面，不断缩小的器件尺寸使得制造成本越来越高；另一方面，尺寸缩小带来的一系列可靠性问题，使得闪存器件难以继续沿摩尔定律向前发展。因此，寻找和研制高密度，低功耗的新型非易失性存储器的需求迫在眉睫。铁电存储器因为具有高速、低功耗、结构简单易集成等一系列优点，近来在高k材料掺杂hfo2中发现铁电性，使铁电存储器成为后摩尔时代新型非易失性存储器的热门候选之一。然而现有的掺杂hfo2铁电薄膜仍存在操作电压接近击穿电压，疲劳等可靠性问题。

技术实现思路

1、基于上述问题，本公开提供了一种基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，以缓解现有技术中的上述技术问题。

2、(一)技术方案

3、本公开提供一种基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，包括：衬底，介电材料层，以及功能层；介电材料层的制备材料选自含有金属间隙杂质的化合物；其中，选用电方式、热方式、光方式、磁方式中至少一种作用于介电材料层和/或功能层，能够使得介电材料层达到结晶温度而从第一状态转变到第二状态。

4、根据本公开实施例，含有金属间隙杂质的化合物的表达式为：xay1-azbw，其中，x为第一元素，y为掺杂杂质元素，z为间隙杂质元素，w为第二元素，a为第一元素的含量，1-a为掺杂杂质元素的含量，0≤a≤1；b为间隙杂质元素的含量，0.05≤b≤0.5。

5、根据本公开实施例，第一元素选自过渡金属元素铪、锆、硅、铝、钛、钽、钡、锶、镧、钇、铒、钙、镁、稀土元素；第二元素选自氮、氧和钛酸；掺杂杂质元素选自过渡金属元素铪、锆、硅、铝、钛、钽、钡、锶、镧、钇、铒、钙、镁、稀土元素中的一种或者多种；间隙杂质元素选自过渡金属元素铪、锆、硅、铝、钛、钽、钡、锶、镧、钇、铒、钙、镁、稀土元素中的一种或者多种；金属间隙杂质位于结晶态的介电材料的晶格间隙之中。

6、根据本公开实施例，介电材料层包括铪锆氧化合物，第一元素和/或掺杂杂质元素和/或间隙杂质元素选自铪、锆；第二元素为氧。

7、根据本公开实施例，第一状态包括非晶态，第二状态包括结晶状态；结晶状态包括单斜晶态、四方晶态、菱方晶态、正交晶态或立方晶态，其中结晶态的晶格间隙中含有金属间隙杂质。

8、根据本公开实施例，介电材料层结晶状态的晶格间隙杂质，可以使晶格膨胀、形变，产生拉伸和/或压缩应力，并且，介电材料层中具有铁电畴。

9、根据本公开实施例，第一状态包括第一结晶状态，第二状态包括第二结晶状态。

10、根据本公开实施例，第一结晶状态和/或第二结晶状态包括单斜晶态、四方晶态、菱方晶态、正交晶态或立方晶态的区域或畴。

11、根据本公开实施例，介电材料层整体或部分处于铁电极化状态时，介电材料层的极化取向指向与介电材料层与功能层或衬底层之间的界面，并且极化取向可以在电方式、热方式、光方式、力方式或磁方式中至少一种的作用下反转，以使得介电材料层在不同的铁电状态之间切换。

12、根据本公开实施例，介电材料层还包括反铁电状态，介电材料层的整体或部分处于反铁电状态时，介电材料层中相邻的偶极矩彼此相反地取向，使得介电材料层的整体极化趋于消失。

13、根据本公开实施例，功能层包括：电极、沟道层，以实现包括晶体管、电容器、电阻器、导体激光器或光传感器中至少之一的器件功能。

14、(二)有益效果

15、从上述技术方案可以看出，本公开基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

16、(1)矫顽电场可调；

17、(2)低功耗，可靠性高；

18、(3)结构简洁，适合大规模集成；

19、(4)制备成本低。

技术特征：

1.一种基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，包括：

2.根据权利要求1所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述含有金属间隙杂质的化合物的表达式为：

3.根据权利要求2所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，

4.根据权利要求3所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述介电材料层包括铪锆氧化合物，第一元素和/或所述掺杂杂质元素和/或所述间隙杂质元素选自铪、锆；所述第二元素为氧。

5.根据权利要求1所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述第一状态包括非晶态，所述第二状态包括结晶状态；所述结晶状态包括单斜晶态、四方晶态、菱方晶态、正交晶态或立方晶态，其中结晶态的晶格间隙中含有金属间隙杂质。

6.根据权利要求5所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述介电材料层结晶状态的晶格间隙杂质，可以使晶格膨胀、形变，产生拉伸和/或压缩应力，并且，所述介电材料层中具有铁电畴。

7.根据权利要求1所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述第一状态包括第一结晶状态，所述第二状态包括第二结晶状态。

8.根据权利要求7所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述第一结晶状态和/或第二结晶状态包括单斜晶态、四方晶态、菱方晶态、正交晶态或立方晶态的区域或畴。

9.根据权利要求1所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述介电材料层整体或部分处于铁电极化状态时，介电材料层的极化取向指向与介电材料层与功能层或衬底层之间的界面，并且极化取向可以在电方式、热方式、光方式、力方式或磁方式中至少一种的作用下反转，以使得介电材料层在不同的铁电状态之间切换。

10.根据权利要求1所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述介电材料层还包括反铁电状态，所述介电材料层的整体或部分处于反铁电状态时，介电材料层中相邻的偶极矩彼此相反地取向，使得介电材料层的整体极化趋于消失。

11.根据权利要求1-10任一项所述的基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，其中，所述功能层包括：电极、沟道层，以实现包括晶体管、电容器、电阻器、导体激光器或光传感器中至少之一的器件功能。

技术总结
本公开提供一种基于含有金属间隙杂质的介电材料的半导体器件，包括：衬底，介电材料层，以及功能层；介电材料层的制备材料选自含有金属间隙杂质的化合物；其中，选用电方式、热方式、光方式、磁方式中至少一种作用于介电材料层和/或功能层，能够使得介电材料层达到结晶温度而从第一状态转变到第二状态。上述含有金属间隙杂质的介电材料及基于其制成的半导体器件具有制备成本低，矫顽电场可调，低功耗，可靠性高，结构简单，适合大规模集成等优点。

技术研发人员：罗庆,王渊,刘明
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12