本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)器，具體涉及一種基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)及其制備工藝。

背景技術(shù)：

鐵電存儲(chǔ)器(fram)因具有高速、非揮發(fā)性、低操作電壓、抗輻射性能強(qiáng)、能與標(biāo)準(zhǔn)硅集成電路工藝相兼容等特點(diǎn)而受到廣泛的研究。其中柵電極/鐵電層/緩沖層/襯底(mfis)結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管因非破壞性讀出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)密度高，因此成為目前fram領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而在mfis結(jié)構(gòu)中，對(duì)i層的介電常數(shù)和厚度要求較高，且當(dāng)緩沖層介電常數(shù)較小時(shí)，該結(jié)構(gòu)會(huì)使大部分電壓都落在緩沖層，從而導(dǎo)致鐵電層分不到足夠大的電壓，所以在低的電壓下，mfis結(jié)構(gòu)的鐵電電滯回線一般是極度不飽和，存儲(chǔ)窗口較小。相比之下柵電極/鐵電層/底電極層/緩沖層/襯底(mfmis)結(jié)構(gòu)能夠改善界面，應(yīng)力匹配等問(wèn)題，從而使分壓關(guān)系得到改善。

目前，晶體管型鐵電存儲(chǔ)器大都使用傳統(tǒng)鐵電薄膜作柵氧層，如鉭酸鍶鉍(sbt)、鋯鈦酸鉛(pzt)、鈦酸鍶鉍(bst)等。然而要使鐵電存儲(chǔ)器件逐漸趨于高密度，微型化的發(fā)展，傳統(tǒng)的鐵電薄膜是限制其發(fā)展的一大障礙。近幾年，氧化鉿鐵電薄膜因具有相比傳統(tǒng)鐵電薄膜在厚度與矯頑場(chǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，成為鐵電存儲(chǔ)器的研究熱點(diǎn)。

目前，現(xiàn)有的鐵電存儲(chǔ)器還存在以下不足：

第一，由于鐵電薄膜與硅襯底間的相互反應(yīng)，相互擴(kuò)散，使得鐵電薄膜和硅襯底很難形成好的界面態(tài)，通常的解決辦法是在鐵電薄膜和硅襯底間引入一層緩沖層來(lái)改善界面性能，但是目前研究的緩沖層在介電常數(shù)和厚度上與鐵電層存在巨大差異，在信號(hào)擦寫(xiě)過(guò)程中分壓較大，導(dǎo)致鐵電層在較低工作電壓無(wú)法完全翻轉(zhuǎn)，存儲(chǔ)窗口較小，這就意味著要使鐵電層完全翻轉(zhuǎn)需要施加更大的電壓，增加了操作電壓。

第二，目前應(yīng)用于存儲(chǔ)器中的大部分傳統(tǒng)鐵電材料如sbt、pzt、bto等在半導(dǎo)體工藝還存在很多問(wèn)題，比如與硅工藝的不兼容，pzt薄膜帶來(lái)的鉛污染，小能帶以及需要相對(duì)很大的物理厚度(一般是幾百個(gè)納米)才能得到較大的剩余極化值，阻礙了存儲(chǔ)器件微型化發(fā)展。

第三，mfis結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)密度高是目前研究的熱點(diǎn)，然而在mfis結(jié)構(gòu)中，當(dāng)鐵電薄膜剩余極化較大時(shí)，該結(jié)構(gòu)容易造成緩沖層擊穿，進(jìn)而引發(fā)界面效應(yīng)，使得存儲(chǔ)性能變差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)及其制備工藝。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電層和頂電極層，所述鐵電層的材料包含氧化鉿。傳統(tǒng)鐵電薄膜需制備足夠厚的厚度(幾百納米)才能達(dá)到較大的剩余極化值，因此阻礙了鐵電存儲(chǔ)器件逐漸趨于高密度、微型化的發(fā)展。本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電存儲(chǔ)器使用新型的氧化鉿鐵電薄膜做柵氧層，對(duì)運(yùn)用傳統(tǒng)鐵電材料的mfis結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行更改，該鐵電薄膜不僅在薄膜厚度上減少了5～15倍以上，薄膜厚度一般是20nm以下，同時(shí)其剩余極化也能達(dá)到10μc/cm²以上，且與硅工藝兼容性好。本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電存儲(chǔ)器能使器件達(dá)到高存儲(chǔ)密度，向微型化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。另外，本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)在緩沖層和鐵電鐵電層之間設(shè)置底電極層，有利于誘導(dǎo)氧化鉿基材料產(chǎn)生較大的剩余極化，有利于減小了鐵電層的退極化場(chǎng)，有利于降低緩沖層上的面電荷密度，降低緩沖層擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)選地，所述鐵電層的材料為摻雜鋯、硅、鋁、釔和釓中至少一種元素的氧化鉿。

通過(guò)對(duì)氧化鉿摻雜鋯、硅、鋁、釔和釓元素，能夠使鐵電柵結(jié)構(gòu)具有鐵電性，通著這種摻雜得到的鐵電薄膜只需在很小的厚度就能得到剩余極化值達(dá)到10μc/cm²以上的優(yōu)異性能。

更優(yōu)選地，所述鐵電層的材料為摻鋯的氧化鉿。

尤其鐵電層的材料優(yōu)選為摻鋯的氧化鉿，摻鋯氧化鉿的結(jié)晶溫度低(400-600℃)，有利于集成制備工藝，且在電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，摻鋯氧化鉿的抗疲勞性能較好。

優(yōu)選地，所述摻鋯的氧化鉿中鉿元素與鋯元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：鋯＝0.4～0.6:0.4～0.6。對(duì)于摻鋯的氧化鉿，在該比例范圍內(nèi)的氧化鉿鋯具有較大剩余極化值，且漏電流比較小。

優(yōu)選地，所述鐵電層的厚度為5～25nm。

本發(fā)明所述鐵電柵結(jié)構(gòu)的鐵電層的厚度在5～25nm時(shí)即可達(dá)到較大的極化值，既能保證較小的尺寸，也能具備較優(yōu)的鐵電性能。

優(yōu)選地，所述緩沖層的材料為氧化鉿、摻雜鋯、硅、鋁、釔和釓中至少一種元素的氧化鉿和氧化硅中至少一種，所述緩沖層的厚度為3～10nm。

具體地，當(dāng)緩沖層的材料為氧化鉿時(shí)，所述緩沖層的厚度為2～10nm；當(dāng)緩沖層的材料為氧化硅時(shí)，所述緩沖層的厚度為5～10nm。

優(yōu)選地，所述緩沖層的材料為氧化鉿。氧化鉿具有較高的介電常數(shù)和較寬的能帶，能更好地阻擋硅襯底的電子隧穿，并減少整個(gè)結(jié)構(gòu)的分壓。

優(yōu)選地，所述緩沖層的厚度為2～5nm。當(dāng)緩沖層的厚度為2～5nm時(shí)，既能較好地阻擋硅襯底的電子隧穿，又能使整個(gè)鐵電存儲(chǔ)器具有較薄的厚度。

優(yōu)選地，所述襯底的材料為p型硅和/或n型硅；所述底電極層的材料為pt、tin和tan中的至少一種；頂電極層的材料為pt、tin、tan、al、w、tisi和多晶硅中的至少一種；所述底電極層的厚度為15～60nm；所述頂電極層的厚度為20～90nm。

底電極層的厚度為15～60nm時(shí)，可以在較小厚度的情況下，同時(shí)能有效地減少鐵電層與緩沖層之間的界面效應(yīng)。當(dāng)頂電極層的厚度為20～90nm時(shí)，可以保證本發(fā)明所述鐵電柵結(jié)構(gòu)具有較小尺寸的同時(shí)具有較優(yōu)的鐵電性能。

優(yōu)選地，所述底電極層的材料為tin。

優(yōu)選地，所述頂電極層的為兩層結(jié)構(gòu)，所述鐵電層的表面上依次為tin層和w層。

本發(fā)明的另一目的在于提供了一種上述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟：

(1)、在襯底上形成緩沖層，并且對(duì)緩沖層進(jìn)行退火處理；

(2)、在緩沖層上鍍上底電極層，然后在底電極層上形成鐵電層；

(3)、在鐵電層上形成頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，得多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，步驟(1)中，所述退火的溫度為350～700℃，保持時(shí)間為2～10min；步驟(3)中，所述退火的溫度為200～450℃，保持時(shí)間為20～60s。

步驟(1)中，在退火的溫度為350～700℃，保持時(shí)間為2～10min的退火條件下，可以減少緩沖層的缺陷，從而降低漏電流。步驟(3)中，在退火的溫度為200～450℃，保持時(shí)間為20～60s的退火條件下，可以減少整個(gè)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的缺陷，從而降低漏電流。

優(yōu)選地，所述緩沖層采用原子層沉積、電子束蒸發(fā)、等離子濺射或熱氧化的方式制備而成。優(yōu)選地，所述緩沖層的材料為氧化鉿，所述緩沖層采用原子層沉積、電子束蒸發(fā)或等離子濺射的方式制備而成；所述緩沖層的材料為氧化硅，所述緩沖層采用原子層沉積或熱氧化的方式制備而成。

優(yōu)選地，所述底電極層采用離子濺射或化學(xué)氣相沉積的方式制備而成。

優(yōu)選地，所述步驟(1)之前還包括步驟(1a)：襯底的預(yù)處理：用氫氟酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗。步驟(1a)的目的是去除襯底表面的氧化硅。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)及其制備工藝。本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)既具有優(yōu)異的電學(xué)性能，又能使整個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的縱向尺寸減小10～20倍以上，并且能與硅工藝良好地兼容。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝流程圖；

其中，1、襯底；2、緩沖層；3、底電極層；4、鐵電層；5、頂電極層。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述基于氧化鉿的襯底的材料為p型硅的鐵電柵結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，從下至上依次包括襯底1、緩沖層2、底電極層3、鐵電層4和頂電極層5。

為更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電存儲(chǔ)層和頂電極層；其中，襯底的材料為p型硅；緩沖層的材料為3nm的氧化鉿；底電極層的材料為55nm的tin；鐵電存儲(chǔ)層的材料為15nm的摻雜鋯的氧化鉿，其中鉿元素和鋯元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：鋯＝1：1；頂電極的材料為20nm的金屬tin。

本實(shí)施例所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，如附圖2所示，包括以下步驟：

(1)、用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)p型硅進(jìn)行清洗；

(2)、在p型硅上形成氧化鉿緩沖層，并且對(duì)氧化鉿緩沖層進(jìn)行退火處理，退火速率為25℃/s，退火溫度為620℃，退火時(shí)間保持5min；

(2)、用等離子濺射的方式在氧化鉿緩沖層上鍍上tin底電極層，然后在底電極層上用等離子濺射方法沉積摻鋯的氧化鉿的鐵電層，在氧氣氛中快速退火，退火溫度為620℃，退火時(shí)間為45s；

(3)、在鐵電層上濺射一層tin頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，退火溫度為350℃，退火時(shí)間為30s，得所述多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電層和頂電極層；其中，襯底的材料為n型硅；緩沖層的材料為5nm的氧化鉿；底電極層的材料為45nm的金屬tan；鐵電層的材料為18nm的摻雜鋯的氧化鉿，其中鉿元素和鋯元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：鋯＝0.55:0.45；頂電極的材料為55nm的金屬tin。

本實(shí)施例所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟：

(1)、用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)n型硅進(jìn)行清洗；

(2)、在n型硅上形成氧化鉿緩沖層，并且對(duì)氧化鉿緩沖層進(jìn)行退火處理，退火速率為25℃/s，退火溫度為580℃，退火時(shí)間保持7min；

(2)、用等離子濺射的方式在氧化鉿緩沖層上鍍上tan底電極層，然后在底電極層上用原子層沉積方法生長(zhǎng)氧化鉿鋯(hzo)的鐵電層，在氧氣氛中快速退火，退火溫度為550℃，退火時(shí)間為45s；

(3)、在鐵電層上濺射一層tin頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，退火溫度為200℃，退火時(shí)間為40s，得所述多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例3

本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電層和頂電極層；其中，襯底的材料為p型硅；緩沖層的材料為7nm的氧化鉿；底電極層的材料為20nm的金屬tin；鐵電層的材料為16nm的摻雜硅的氧化鉿，其中鉿元素和硅元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：硅＝0.75：0.25；頂電極的材料為20nmtin和30nm的al。

本實(shí)施例所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟：

(1)、用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)p型硅進(jìn)行清洗；

(2)、在p型硅上形成氧化鉿緩沖層，并且對(duì)氧化鉿緩沖層進(jìn)行退火處理，退火速率為25℃/s，退火溫度為600℃，退火時(shí)間保持6min；

(2)、用等離子濺射的方式在氧化鉿緩沖層上鍍上pt底電極層，然后在底電極層上用等離子濺射的方式鍍上一層摻雜硅的氧化鉿的鐵電層，在氧氣氛中快速退火，退火溫度為620℃，退火時(shí)間為45s；

(3)、在鐵電層上依次濺射tin和al兩層薄膜頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，退火溫度為400℃，退火時(shí)間為20s，得所述多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例4

本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電層和頂電極層；其中，襯底的材料為p型硅；緩沖層的材料為10nm的氧化硅；底電極層的材料為58nm的金屬tan；鐵電層的材料為9nm的摻雜鋁的氧化鉿，其中鉿元素和鋁元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：鋁＝0.75：0.25；頂電極的材料為40nm的金屬tin。

本實(shí)施例所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟：

(1)、用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)p型硅進(jìn)行清洗；

(2)、在p型硅上形成氧化硅緩沖層，并且對(duì)氧化硅緩沖層進(jìn)行退火處理，退火速率為25℃/s，退火溫度為600℃，退火時(shí)間保持5min；

(2)、用等離子濺射的方式在氧化硅緩沖層上鍍上tan底電極層，然后在底電極層上用等離子濺射的方式鍍上一層摻雜鋁的氧化鉿的鐵電層，在氧氣氛中快速退火，退火溫度為620℃，退火時(shí)間為45s；

(3)、在鐵電層上濺射一層tin頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，退火溫度為350℃，退火時(shí)間為28s，得所述多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例5

本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電層和頂電極層；其中，襯底的材料為p型硅；緩沖層的材料為5nm的氧化硅；底電極層的材料為15nm的金屬pt；鐵電層的材料為25nm的摻雜釓的氧化鉿，其中鉿元素和釓元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：釓＝0.8：0.2；頂電極的材料為20nm的多晶硅。

本實(shí)施例所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟：

(1)、用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)p型硅進(jìn)行清洗；

(2)、在p型硅上形成氧化硅緩沖層，并且對(duì)氧化硅緩沖層進(jìn)行退火處理，退火速率為25℃/s，退火溫度為620℃，退火時(shí)間保持8min；

(2)、用等離子濺射的方式在氧化硅緩沖層上鍍上pt底電極層，然后在底電極層上用等離子濺射的方式鍍上一層摻雜釓的氧化鉿的鐵電層，在氧氣氛中快速退火，退火溫度為620℃，退火時(shí)間為45s；

(3)、在鐵電層上濺射一層多晶硅頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，退火溫度為240℃，退火時(shí)間為20s，得所述多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例6

本發(fā)明所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例，包括襯底，所述襯底的表面上依次層疊有緩沖層、底電極層、鐵電層和頂電極層；其中，襯底的材料為n型硅；緩沖層的材料為2nm的氧化鉿；底電極層的材料為60nm的金屬pt；鐵電層的材料為7nm的摻雜釔的氧化鉿，其中鉿元素和釔元素的物質(zhì)的量之比為：鉿：釔＝0.8：0.2；頂電極的材料為40nmtin和50nm的w

本實(shí)施例所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟：

(1)、用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)n型硅進(jìn)行清洗；

(2)、在n型硅上形成氧化鉿緩沖層，并且對(duì)氧化鉿緩沖層進(jìn)行退火處理，退火速率為25℃/s，退火溫度為620℃，退火時(shí)間保持8min；

(2)、用等離子濺射的方式在氧化鉿緩沖層上鍍上pt底電極層，然后在底電極層上用等離子濺射的方式鍍上一層摻雜釔的氧化鉿的鐵電層，在氧氣氛中快速退火，退火溫度為620℃，退火時(shí)間為45s；

(3)、在鐵電層上依次濺射tin和w兩層薄膜作為頂電極層，對(duì)頂電極層退火處理，退火溫度為240℃，退火時(shí)間為20s，得所述多層膜結(jié)構(gòu)；

(4)、對(duì)步驟(3)所得多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，得所述基于氧化鉿的鐵電柵結(jié)構(gòu)。

最后所應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。