一种测量铁电薄膜负电容的方法与流程

本发明涉及微电子材料与器件领域，特别涉及一种测量铁电薄膜负电容的方法。

背景技术：

随着铁电薄膜和半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学的兴起，研制出了基于hzo(铪锆氧)铁电薄膜的铁电存储器，相比于一般的半导体存储器，它具有非易失性、高速度、操作电压低和与mos工艺兼容等特点，氧化铪薄膜由于在薄膜厚度薄的情况下仍然具有良好的铁电性能而成为近些年学术界和产业界关注的焦点。

在2009年，国际半导体发展路线图曾指出，由于晶体管尺寸不断缩小、集成度不断提高而使得芯片的功耗不断增加将是人们面临的一个非常严峻的问题。无论是处理器引擎数量，还是逻辑器件与存储器件总的数量都会随着时间的推移呈指数不断增加，导致逻辑器件与存储器件总的功耗会远远超过规定的幅值。这个问题的难点在于很难降低晶体管的亚阈值摆幅(subthresholdswing)。亚阈值摆幅，又称s因子，是mosfet在亚阈状态工作时用作为逻辑开关时的一个重要参数，定义s＝dvgs/d(logid)，在数值上等于改变一个数量级的沟道电流所需要的栅极电压，它在室温下的理论最小值为60mv/decade。为了提高晶体管在亚阈值区的工作速度，就应当使得s越小越好。当铁电薄膜呈现出负电容效应时，就有可能使得s在室温下小于60mv/decade。然而，如何使其有效呈现负电容效应并对其进行表征，从而获得理想的亚阈值摆幅，需要对铁电薄膜进行有效的调控，并先获得良好的铁电性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测量hzo铁电薄膜负电容的方法，从而获得理想的晶体管器件亚阈值摆幅，对低功耗mos场效应晶体管的设计具有很好的指导意义。

本发明的技术方案为：

一种测量hzo铁电薄膜负电容的方法，利用不同厚度的hzo靶材制备hzo铁电薄膜电容器，所述的hzo铁电薄膜电容器的制备包括采用脉冲激光沉积法对hzo靶材进行溅射，在tin导电介质/硅衬底结构上沉积hzo薄膜，hzo靶材的铪锆摩尔比为1：1，测试所获得的不同厚度的铁电薄膜的退极化电场随外加电场的变化情况，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好。

所述的hzo铁电薄膜电容器的制备方法，包括如下步骤：

(1)衬底处理

清洗p型单面抛光硅衬底；

(2)底电极的制备；

采用脉冲激光沉积法在衬底上生长tin导电层，得到tin导电介质/sio2/si衬底结构；

(3)hzo铁电薄膜的制备

用脉冲激光沉积法对铪锆摩尔比为1:1的hzo靶材进行溅射，在tin导电层上沉积hzo铁电薄膜，得到hzo铁电薄膜/tin导电介质/si衬底结构；

(4)顶电极的制备

在hzo铁电薄膜层上利用小型离子溅射仪生长tin电极，得到tin/hzo/tin/sio2/si结构；

(5)hzo铁电薄膜电容器的制备

再进行快速退火，退火温度为550～600℃，升温速率为20～25℃/s，保温时间为45～60s，即得到hzo铁电薄膜电容器。

进一步地，步骤(1)中，衬底清洗包括如下步骤：

①氢氟酸漂洗4～8分钟；

②在乙醇中超声清洗8～20分钟；

③在去离子水超声清洗15～20分钟，冲洗掉表面附着的乙醇；

④气枪吹干表面，炉内烘干，备用。

进一步地，步骤(2)中，tin导电层的厚度为8～12nm。

进一步地，步骤(3)中，hzo铁电薄膜沉积的条件为：衬底温度为450～500℃，溅射功率为2.37w，溅射频率为10hz，氧压为150mtorr，溅射时间为5～30min。

为了分析所得铁电薄膜电容及晶体管器件的性能，采用铁电压电材料测试系统对电容器的硅表面电势-栅电压(ψs-vg)特性和退极化电场-栅电压(ed-vg)特性、对晶体管的沟道电流-栅电压(id-vg)特性进行测试。

测试结果表明，本发明以铪锆摩尔比为1：1的hzo薄膜最终制得的电容器为金属-铁电-金属-绝缘体-半导体(mfmis)结构。

本发明能够获得铁电性能较好的hzo铁电薄膜，通过测试铪锆比为1：1的铁电薄膜包括硅表面电势-栅电压(ψs-vg)特性、退极化电场-栅电压(ed-vg)特性以及场效应晶体管的转移特性，通过对铁电薄膜电容器电学性能的表征与分析得到负电容效应，通过对场效应晶体管的转移特性的表征与分析得到相应的亚阈值特性。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过协调hzo的铪锆比和厚度等，获得了非常好的负电容，且能够获得不同厚度引起的稳定规律性变化，从而本发明能够提供一种测量铁电薄膜负电容的良好方法，在设计负电容场效应晶体管时，对如何选择hzo铁电薄膜厚度提供了良好的理论依据。

(2)本发明通过获得最佳的铁电薄膜负电容来降低mos结构场效应晶体管的亚阈值摆幅，提高其开/关转换速度，达到降低其操作电压和功耗的目的。

附图说明

图1为本发明制备hzo铁电薄膜电容器的过程示意图。

图2为在不同栅氧化物厚度下栅电压和表面电势及沟道电流之间的关系示意图。

图3为在不同栅氧化物厚度下栅电压和退极化电场及铁电层电场之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，附图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。

实施例1

hzo铁电薄膜电容器的制备

(1)在sio2/si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的tin导电层，得到tin导电介质/硅衬底结构，所得tin导电介质/二氧化硅/硅衬底结构如图1a所示，10表示单晶硅衬底，11表示缓冲层，12表示tin导电介质层。

(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的hzo靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37w、溅射频率为10hz、氧压为150mtorr、溅射时间为10min的条件下，在tin导电介质层上沉积hzo薄膜，得到厚度为50nm的hzo铁电薄膜，13表示hzo铁电薄膜层；

(3)用脉冲激光沉积法在hzo铁电薄膜上形成10nmtin层作为上电极，即图1c中的14，从而制备成hzo铁电薄膜电容器；

(4)用铁电压电材料测试系统对电容器的电学性能进行测试。

实施例2

hzo铁电薄膜电容器的制备

(1)在sio2/si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的tin导电层，得到tin导电介质/二氧化硅/硅衬底结构。

(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的hzo靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37w、溅射频率为10hz、氧压为150mtorr、溅射时间为15min的条件下，在tin导电介质层上沉积hzo薄膜，得到厚度为100nm的hzo铁电薄膜；

(3)用脉冲激光沉积法在hzo铁电薄膜上形成10nmtin层作为上电极，从而制备成hzo铁电薄膜电容器；

(4)用铁电压电材料测试系统对电容器的电学性能进行测试。

实施例3

hzo铁电薄膜电容器的制备

(1)在sio2/si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的tin导电层，得到tin导电介质/二氧化硅/硅衬底结构。

(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的hzo靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37w、溅射频率为10hz、氧压为150mtorr、溅射时间为20min的条件下，在tin导电介质层上沉积hzo薄膜，得到厚度为150nm的hzo铁电薄膜；

(3)用脉冲激光沉积法在hzo铁电薄膜上形成10nmtin层作为上电极，从而制备成hzo铁电薄膜电容器；

(4)用铁电压电材料测试系统对电容器的电学性能进行测试。

实施例4

hzo铁电薄膜电容器的制备

(1)在sio2/si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的tin导电层，得到tin导电介质/二氧化硅/硅衬底结构。

(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的hzo靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37w、溅射频率为10hz、氧压为150mtorr、溅射时间为25min的条件下，在tin导电介质层上沉积hzo薄膜，得到厚度为200nm的hzo铁电薄膜；

(3)用脉冲激光沉积法在hzo铁电薄膜上形成10nmtin层作为上电极，从而制备成hzo铁电薄膜电容器；

(4)用铁电压电材料测试系统对电容器的电学性能进行测试。

实施例5

hzo铁电薄膜电容器的制备

(1)在sio2/si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的tin导电层，得到tin导电介质/二氧化硅/硅衬底结构；

(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的hzo靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37w、溅射频率为10hz、氧压为150mtorr、溅射时间为30min的条件下，在tin导电介质层上沉积hzo薄膜，得到厚度为250nm的hzo铁电薄膜；

(3)用脉冲激光沉积法在hzo铁电薄膜上形成10nmtin层作为上电极，从而制备成hzo铁电薄膜电容器；

(4)用铁电压电材料测试系统对电容器的电学性能进行测试。

为指导本发明的研究工作，我们通过理论计算，考虑铪锆摩尔比为1：1不同厚度对铁电薄膜负电容的影响，得出了mfmis结构电容器及场效应晶体管的栅电压与硅表面电势和栅电压与沟道电流的关系，如图2所示。如实验上测试出类似图2中硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，说明该结构中存在铁电薄膜负电容效应。明显地，随着薄膜厚度的增加，硅表面势和漏电流不断增大，负电容效应不断变强。图3(a)中描述的是五种厚度hzo铁电薄膜对应的退极化电场与电场强度随外加栅电压的变化，图3(b)中描述的是五种厚度hzo铁电薄膜对应的电场强度随外加栅电压的变化，可知，退极化电场随栅电压的负向陡增现象与硅表面势及沟道电流的正向陡增是相对应的，或者说退极化电场的负向陡增是导致硅表面势与沟道电流正向陡增的直接原因。该结论为我们如何选择铁电薄膜厚度提供了理论参考依据。

综上所述，铪锆摩尔比为1：1的铁电薄膜膜厚为250nm的时候，硅表面电势和退极化电场陡增现象最明显，所得铁电薄膜电容器的负电容效应较强，相应场效应晶体管器件的亚阈值摆幅最小，操作电压最低，本发明为测量铁电薄膜负电容提供了一种非常有效的方法，从而为优化铁电场效应晶体管的性能提供了良好的理论依据。