[发明专利]一种高k栅介质材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种高k栅介质材料及其制备方法和应用，所述高k栅介质材料包括硅衬底，衬底表面沉积有栅介质层；栅介质层中含有金属钕和铪。本申请通过在氧气氛围下共溅射钕和铪材料，实现一种高质量掺杂高k栅介质材料的制备。钕元素氧化物具有电荷陷阱少，氧空位密度低，缺陷密度低的有点，但是吸湿性严重；铪元素氧化物具有抗吸湿性，但相对缺陷较多，氧空位密度高，电荷陷阱多，通过以钕为主要占比，铪为次占比的掺杂，得到了一种高质量的钕‑铪氧氮化物栅介质材料，并在并五苯有机晶体管上取得了优异性能，拓展了高k栅介质材料的开发与应用前景。

技术领域

本申请涉及一种高k栅介质材料及其制备方法和应用，属于集成电路与核心基础器件领域。

背景技术

随着近些年社会信息化的发展，日常需要传递、处理、储存的信息越来越多，相关晶体管的尺寸越来越小，严重削弱了栅极调控作用，威胁电路的稳定性。另外，随着电路集成度越来越高，整体电路的功耗和热损耗问题也日渐严重，降低器件工作电压，制备低功耗的电路器件应用已经成为后摩尔时代的重要目标之一。降低栅介质薄膜的厚度成为降低工作电压并提高栅控作用的方法之一。但是由于传统栅介质材料如SiO₂的介电常数较低(低k)，需要采用很薄的栅介质薄膜，会大大增加栅极漏电，提升栅介质击穿风险，破坏电路。因此制备采用高k栅介质材料的晶体管吸引了广泛的目光。

有机半导体材料自发现以来，就吸引了大量的关注。有机薄膜晶体管作为重要基础元器件之一，有着低成本，低温制备，柔性兼容的有点，并且已经展现出在RFID，传感器，大尺寸柔性屏等方面的应用潜力。目前大部分有机薄膜晶体管倾向采用表面质量较高、制备技术成熟的低k栅介质材料如PMMA、SiO₂等，这也导致了有机晶体管高达十几甚至几十伏的阈值工作电压。现在的便捷式电子产品大部分配备5伏或3.7伏的电池电源，如此高工作电压的有机晶体管已经大大限制了其在现在和未来电子产品中的应用前景和市场。

为了降低有机晶体管的工作电压，采用高k栅介质的晶体管已经被研究。但是有机半导体材料的缺点是稳定性较差，受生长表面质量影响较大，而高k栅介质材料如Nb₂O₅、Ta₂O₃等，通常都伴随有较多的材料缺陷，如较大的表面粗糙度，较多的氧空位，较多的界面陷阱态，较窄的禁带宽等。另外的一些高k材料如La₂O₃，Nd₂O₃等，虽然有着较少的界面陷阱态和较宽的禁带，但是吸湿性严重，较易形成氢氧化物和粗糙表面形态。高k材料的这些本征特性限制了有机半导体薄膜的生长质量，限制有机晶体管的电学特性提升。因此，改善高k栅介质材料的质量对降低有机晶体管工作电压，提升相关电学性能，拓展应用前景有着重大意义。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种高k栅介质材料，该高k栅介质材料同时掺杂有钕氧化物和铪氧化物，两种元素的氧化物能够性能互补、并抑制材料缺陷，从而提高了材料质量，将其应用于有机晶体管中，能够有效提升有机晶体管的电学性能。

所述高k栅介质材料包括硅衬底，衬底表面沉积有栅介质层；

栅介质层中含有金属钕和铪。

可选地，栅介质层中，钕与铪的原子比为0.36～0.85:0.15～0.64。

优选地，钕与铪的原子比为0.85:0.15。

可选地，栅介质层的化学组成具有如式I所示通式：

Nd_xHf_(1-x)ON式I

其中，x＝0.36～0.85。

可选地，栅介质层的厚度为55～65纳米。

优选地，栅介质层的厚度为60纳米。