[发明专利]用等离子体和/或热处理提高氧化铪基铁电材料性能的方法

说明书

一种在衬底处理系统中形成铁电氧化铪(HfO₂)的方法包括：在所述衬底处理系统的处理室内布置衬底；在所述衬底上沉积HfO₂层；对所述HfO₂层进行等离子体处理；以及对所述HfO₂层进行退火以形成铁电铪HfO₂。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月2日提交的美国发明申请No.16/052,963的优先权，并且还要求于2017年12月1日提交的美国临时申请No.62/593,530和于2017年8月18日提交的美国临时申请No.62/547,360的利益，上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于处理衬底的方法，并且更具体地涉及用于使用等离子体和/或热处理来改善包含氧化铪基的铁电材料的器件中的性能的方法。

背景技术

本文所提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的背景。当前所冠名的发明人的工作，在该背景部分以及本说明书的在申请时可能没有资格作为现有技术的方面中所描述的程度上，既不明确地也不隐含地承认为本公开的现有技术。

在氧化铪(HfO₂)基的材料中铁电性能的发现振兴了对铁电存储器(FeRAM)的研究。常规的铁电材料，例如锆钛酸铅(PZT)对于厚度小于50纳米(nm)没有足够的开关窗。因此，PZT不能用于特征尺寸小于50nm(例如，小于50nm的膜)的器件。

由于高的矫顽场，厚度低至5nm的HfO₂具有出色的铁电开关滞后。HfO₂也是3D存储器结构的理想选择。HfO₂已在CMOS技术中广泛用作栅极电介质。在这些应用中，使用共形原子层沉积(ALD)来沉积HfO₂。因此，HfO₂可能适合使用当前的3D NAND集成方案集成到3DFeRAM中。

发明内容

一种在衬底处理系统中形成铁电氧化铪(HfO₂)的方法包括：在所述衬底处理系统的处理室内布置衬底；在所述衬底上沉积HfO₂层；对所述HfO₂层进行等离子体处理；以及对所述HfO₂层进行退火以形成铁电铪HfO₂。

在其他特征中，使用原子层沉积(ALD)来沉积所述HfO₂层。所述方法进一步包含对所述HfO₂层进行掺杂。对所述HfO₂层进行掺杂包括用硅、铝、氧化钇、镧和锆中的至少一种对所述HfO₂层进行掺杂。对所述HfO₂层进行掺杂包括用0至60mol％之间的掺杂剂物质对所述HfO₂层进行掺杂。沉积所述HfO₂层包括交替循环以下操作：将HfO₂沉积到所述衬底上和对所沉积的所述HfO₂进行掺杂。所述HfO₂层的厚度介于6nm和12nm之间。交替循环以下操作：沉积所述HfO₂层和对所述HfO₂层进行所述等离子体处理。

在其他特征中，执行所述等离子体处理包括使用至少一种等离子体气体物质来执行所述等离子体处理。所述至少一种等离子体气体物质包括分子氮(N₂)、氨气(NH₃)、分子氧(O₂)，臭氧(O₃)、氩(Ar)、以及氩和分子氢(Ar/H₂)中的至少一种。执行所述等离子体处理包括使用分子氮(N₂)执行所述等离子体处理，并且使用N₂执行所述等离子体处理导致HfO_xN_y形成在所述HfO₂层的表面上。