半导体器件及其制备方法与流程

本申请涉及半导体，特别是涉及一种半导体器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着微电子技术的快速发展，非易失性存储器朝着高密度、低功耗、高稳定性的方向迭代，作为核心部件的半导体器件，其性能直接决定存储器的整体品质。目前，传统半导体器件的铁电层多采用pzt（lead zirconate titanate‌，锆钛酸铅）等材料，但其与cmos（complementary metal oxide semiconductor‌，互补金属氧化物半导体）工艺兼容性差，且铁电层与电极之间界面结合力弱，易产生界面缺陷，影响器件的稳定性。

2、al1-xscxn薄膜作为新型纤锌矿结构铁电材料，具有良好的cmos工艺兼容性，其极化性能可通过sc掺杂浓度调控，是有望替代传统铁电材料应用于半导体的器件。但现有基于al1-xscxn的半导体器件仍存在诸多不足：一是al1-xscxn铁电层与电极之间界面结合力差，易产生界面缺陷；二是sc掺杂浓度难以精准控制，制备工艺可控性差；三是制备工艺与cmos工艺的兼容性有待进一步优化，难以实现规模化生产。

3、因此，设计一种结合力强、制备流程清晰的半导体器件及其制作方法，解决上述技术难题，具有重要的现实意义和产业价值。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高半导体的界面结合力从而提高半导体使用寿命的半导体器件及其制备方法。

2、第一方面，本申请提供了一种半导体器件，包括衬底层，其中：

3、该衬底层为si(100)层、pt(111)层、tin层中的其中一种；

4、底电极，形成于该衬底层之上；

5、aln缓冲层，形成于该底电极之上，用于提升该底电极与al1-xscxn铁电层之间的界面结合力，同时促进al1-xscxn铁电层形成c轴择优取向；

6、该al1-xscxn铁电层，形成于该aln缓冲层之上，该al1-xscxn铁电层中sc的掺杂原子百分比x大于等于0.20且小于等于0.30；

7、顶电极，形成于该al1-xscxn铁电层之上，为w薄膜、tin层、al薄膜中的其中一种。

8、在其中的一个实施例中，该aln缓冲层的厚度为3~10nm。

9、在其中的一个实施例中，该al1-xscxn铁电层的厚度为50~100nm，为具有c轴择优取向的纤锌矿结构。

10、在其中的一个实施例中，该底电极为tin或w薄膜，厚度为20~40nm，用于为该al1-xscxn铁电层提供支撑和电荷传输通道，还用于界面缺陷钝化和应变调控。

11、在其中的一个实施例中，该顶电极的厚度为15~30nm，该顶电极与该al1-xscxn铁电层贴合。

12、第二方面，本申请还提供了一种制备上述半导体器件的方法，包括：

13、在预处理后的洁净的衬底层表面，采用磁控溅射工艺沉积tin或w薄膜，形成底电极；

14、采用磁控溅射工艺在该底电极的上表面沉积aln，形成aln缓冲层；

15、采用双靶共磁控溅射工艺在该aln缓冲层的上表面沉积al1-xscxn薄膜，形成al1-xscxn铁电层，该al1-xscxn铁电层中sc的掺杂原子百分比x大于等于0.20且小于等于0.30；

16、采用磁控溅射法在该al1-xscxn铁电层的上表面沉积w薄膜或tin或al薄膜，形成顶电极。

17、在其中的一个实施例中，在形成该顶电极之前，该方法包括：

18、将沉积有该al1-xscxn薄膜的半成品置于氮气气氛中，按照设定的升温速率升温至指定温度；

19、在该指定温度保温预设时长后，再以设定的降温速率冷却至室温。

20、在其中的一个实施例中，在形成该底电极的过程中，溅射功率为40~60w，溅射温度为200~300℃，溅射时间为8~15min，该底电极的厚度为20~40nm。

21、在其中的一个实施例中，在形成该aln缓冲层的过程中，al单质靶直流功率为25~40w，工作气体环境为封闭的ar和n2，该ar与该n2之间的体积比例为1:2~1:4，溅射气压为0.3~0.4pa，溅射时间为5~12min，该aln缓冲层的厚度为3~10nm。

22、在其中的一个实施例中，在形成该al1-xscxn铁电层的过程中，以al单质靶和sc单质靶为溅射源，al单质靶的直流功率为30~50w，sc单质靶的直流功率为15~40w，工作气体环境为封闭的ar和n2，该ar与该n2之间的体积比例为1:1~3:1，本底真空度为2.0×10-4~5.0×10-4pa，工作气压为0.3~0.5pa，该衬底层的温度为200~400℃，该衬底层的转速10~20r/min，溅射时间15~40min，该al单质靶和sc单质靶的纯度均大于等于99.99%。

23、本申请提出的半导体器件及其制备方法，在结构方面，在底电极与al1-xscxn铁电层之间增设aln缓冲层，有效钝化界面缺陷、调控界面应变，改善底电极与al1-xscxn铁电层的界面结合力，能够显著提升器件的结构稳定性和使用寿命，同时，通过精准调控al1-xscxn铁电层中sc掺杂浓度，保证其原子百分比在0.20与0.30之间的最优区间，确保薄膜为稳定的纤锌矿结构，使其具有强c轴择优取向，满足存储器件的功能需求；在制备工艺方面，采用磁控溅射工艺在底电极与al1-xscxn铁电层之间沉积aln，确保其特应性结构的同时，整个工艺流程无需特殊设备，适合规模化生产，能够有效降低生产成本。

1.一种半导体器件，包括衬底层，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述aln缓冲层的厚度为3~10nm。

3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述al1-xscxn铁电层的厚度为50~100nm，为具有c轴择优取向的纤锌矿结构。

4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述底电极为tin或w薄膜，厚度为20~40nm，用于为所述al1-xscxn铁电层提供支撑和电荷传输通道，还用于界面缺陷钝化和应变调控。

5.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述顶电极的厚度为15~30nm，所述顶电极与所述al1-xscxn铁电层贴合。

6.一种制备权利要求1~5任一项所述半导体器件的方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在形成所述顶电极之前，所述方法包括：

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在形成所述底电极的过程中，溅射功率为40~60w，溅射温度为200~300℃，溅射时间为8~15min，所述底电极的厚度为20~40nm。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在形成所述aln缓冲层的过程中，al单质靶直流功率为25~40w，工作气体环境为封闭的ar和n2，所述ar与所述n2之间的体积比例为1:2~1:4，溅射气压为0.3~0.4pa，溅射时间为5~12min，所述aln缓冲层的厚度为3~10nm。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在形成所述al1-xscxn铁电层的过程中，以al单质靶和sc单质靶为溅射源，所述al单质靶的直流功率为30~50w，所述sc单质靶的直流功率为15~40w，工作气体环境为封闭的ar和n2，所述ar与所述n2之间的体积比例为1:1~3:1，本底真空度为2.0×10-4~5.0×10-4pa，工作气压为0.3~0.5pa，所述衬底层的温度为200~400℃，所述衬底层的转速10~20r/min，溅射时间15~40min，所述al单质靶和所述sc单质靶的纯度均大于等于99.99%。