专利名称：一种铁电存储器用铁电薄膜电容及其制备方法
技术领域：
本发明属于铁电存储器技术，具体涉及一种铁电存储器用铁电薄膜电 容及其制备方法。
背景技术：
铁电存储器(FeRAM)与传统的半导体存储器相比有许多突出的优点， 具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。以Bi4Ti30,2(BTO)为代表的含铋层 钙钛矿结构铁电薄膜有望取代含铅的PZT薄膜成为铁电存储器用材料。其 中，掺杂Nd元素的Bi4Ti30,2(BNT)铁电薄膜由于具有较高的剩余极化值、 好的抗疲劳特性等优点成为最受关注的存储器用材料之一。Di Wu[ Di Wu， Aidong Li, Naiben Ming. Structure and electrical properties of Bi3.15Nd0.85Ti3O12 ferroelectric thin films. J. Appl. Phys.， 2004， 95 (8) 4275-4281.]等人在Pt/Ti/Si02/Si衬底上制备了 BNT薄膜，其c轴取向度高， 剩余极化值偏小。BUTi30u的铁电性能与取向有密切的关系，其沿着c轴 的自发极化远远小于沿着a轴的。由于Bi4Ti3C^薄膜易于沿c轴方向生长， 因此制备高度非c轴取向的Bi4Ti3C^薄膜具有特别的意义。发明内容本发明的目的在于提供铁电存储器用铁电薄膜电容，该铁电薄膜电容 具有更好的铁电性能和更为致密的表面形貌；本发明还提供了该铁电薄膜 电容的制备方法。本发明提供的铁电存储器用铁电薄膜电容，依次包括硅基底、二氧化硅阻挡层、二氧化钛粘结层、底电极金属层、铁电薄膜层和顶电极金属层； 其特征在于在底电极金属层与铁电薄膜层之间还设置有缓冲层，缓冲层的材料为Ti02，厚度为10-30nm。本发明提供的制备上述铁电存储器用铁电薄膜电容方法，其步骤包括① 将硅基底进行表面处理和清洗；② 采用热氧化法，在硅基底表面生成二氧化硅阻挡层；③ 在二氧化硅阻挡层上制备二氧化钛粘结层； 在二氧化钛粘结层上制备底电极金属层； 采用磁控溅射法在底电极金属层上制备10-30nm厚度的Ti02缓冲 层，溅射工艺条件为溅射气压l 3Pa，溅射基片温度为200-400°C，溅射 气氛为02和Ar的混合气体；◎采用溶胶-凝胶法在Ti02缓冲层上制备配置铁电薄膜层； ⑦对铁电薄膜层进行退火处理； ⑧采用磁控溅射法在铁电薄膜层上制备顶电极金属层，制得铁电薄膜电^* o为了提高具有金属Pt/BNT/金属Pt(MFM)结构的BNT铁电电容的铁电 性能，本发明采用制备Ti02缓冲层5的方法来改变BUTi30u薄膜的取向， 从而达到提高铁电性能的目的。与现有技术相比，本发明具有以下优点 (1)本发明制备的BNT铁电薄膜非c轴取向度高，剩余极化值大。(2)本发明BNT铁电薄膜电容结晶性能良好、表面致密均匀、且具有 较好的疲劳特性及漏电流特性。
图1为本发明铁电薄膜电容的结构示意图。图2为在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积和具有Ti02缓冲层5的BNT薄 膜的XRD图；其中(a)直接沉积在Pt/Ti/Si02/Si衬底上；(b)具有TiQ2缓冲层
图3为在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积和具有Ti02缓冲层5的BNT薄 膜的FE-SEM表面形貌图；(a)直接沉积在Pt/Ti/Si02/Si衬底上；(b)具有Ti02 缓冲层5;图4为在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积和具有Ti02缓冲层5的BNT薄 膜的电滞回线比较图；图5为在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积和具有Ti02缓冲层5的BNT薄 膜的疲劳特性，其中，(a)直接沉积在Pt/Ti/Si02/Si衬底上；(b)具有Ti02缓冲 层5;图6为在Pt/Ti/Si(VSi衬底上直接沉积和具有Ti02缓冲层5的BNT薄膜的漏电流密度。 '具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。 如图1所示，本发明铁电存储器用铁电薄膜电容依次由硅基底1、 二氧 化硅阻挡层2、 二氧化钛粘结层3、底电极金属层4、缓冲层5、铁电薄膜 层6和顶电极金属层7组成；其中，二氧化钛粘结层3的厚度为10-30nm; 底电极金属层4的厚度为100-200nm;缓冲层5的厚度为10-30nm;铁电薄 膜层6的厚度为300-400nm;顶电极金属层7的厚度为80-150nm;缓冲层 5的材料为Ti02材料；铁电薄膜层6的材料为BNT，其化学式为 Bi3.15Nd。.85Ti3012。本发明的关键在于在现有的铁电薄膜电容的底电极金属 层和铁电薄膜层之间增加缓冲层。实例1:(1) 将硅基底按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 采用热氧化法，在硅基底表面生成150nm厚的二氧化硅阻挡层；(3) 采用磁控溅射法在二氧化硅阻挡层上制备20nm厚的二氧化钛粘结 层3，其磁控溅射的工艺条件为溅射气压1.5Pa，溅射基片温度200 。C，
溅射气氛为02:Ar=l :9;(4) 采用磁控溅射法在二氧化钛粘结层上制备150nm厚的底电极金属 层，其磁控溅射的工艺条件为溅射气压lPa，溅射基片温度200。C，溅射 气氛为Ar气；(5) 采用磁控溅射法在底电极金属层上制备10-30nm厚的缓冲层，磁控 溅射的工艺条件为溅射气压1.5Pa，溅射基片温度200 °C，溅射气氛为 02: Ar=l: 9;(6) 采用溶胶-凝胶法制备BNT薄膜，可以选用如下制备工艺采用硝 酸铋Bi(N03)3'5H20、硝酸钕Nd(N03)3'6H20和钛酸正四丁酯Ti(OC4H9)4为 原料，乙酰丙酮为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，按照化学式Bi3.15Nda85Ti3012 计量比称量后分别溶解并混合后搅拌均匀，得到淡黄色的清亮溶液，浓度 为0.1mol/L左右，其中以10%过量硝酸铋补偿热处理过程中的铋挥发。采 用KW-4A型台式匀胶机进行旋转镀膜，甩胶速度约为4000rpm、甩胶时间 30s。每甩一层膜后在管式炉中从室温以3°C/min的速度加热到400。C保温 IO分钟进行热处理，进行溶剂的挥发和有机物的分解，之后随炉冷却。(7) 将甩胶和热处理工艺重复4-5次之后，将薄膜在退火炉中进行退火 处理，制得铁电薄膜电容，其退火工艺为750。C快速热处理30分钟。(8) 采用磁控溅射法在铁电薄膜层6上制备100nm厚的顶电极金属层 7，其溅射工艺条件为溅射气压8Pa，溅射基片温度为200°C，溅射气氛 为Ar气。本实施例制备的铁电薄膜电容的结晶性能采用X射线进行分析测量， 分析结果如图2所示。从图中可以看出，对于用Ti02作缓冲层5的BNT薄 膜，(200)的强度显著增加，取代(117)峰成为最强峰。Ti02种子层的存在降 低了 BNT铁电薄膜的成核能，在BNT铁电薄膜和电极之间提供更多的(200) 晶核，从而使BNT薄膜能容易地沿(200)方向晶化，表现为a轴择优取向。图3为用场发射扫描电镜对在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积的BNT薄 膜和具有Ti02种子层的BNT铁电薄膜的表面形貌的比较。BNT薄膜中圆 盘状晶粒主要对应于薄膜的c轴取向，棒状的晶粒主要对应于(117)和(200) 取向。从图中可以看出对于直接沉积在Pt/Ti/Si02/Si衬底上的BNT薄膜， 其表面主要由具有c轴取向的晶粒组成，而对于具有Ti02种子层的BNT薄 膜，其表面则主要是由非c轴取向的晶粒组成。同时，具有Ti02种子层的 BNT薄膜的表面更为致密，这是因为Pt电极上薄的TK)2种子层可以使薄膜 具有更高的成核密度从而导致形成更为致密的表面。具有Ti02缓冲层5的和不具有缓冲层5的BNT铁电薄膜电容的电滞回 线采用专用铁电测试仪RT66A测试，测量结果如图4所示。两种薄膜都具 有饱和的电滞回线，在电压为14V时，直接沉积的BNT薄膜和具有Ti02 种子层的BNT薄膜的剩余极化Pr值分别为26和43.6pc/cm2,矫顽场强Ec 分别为91和80.5kv/cm。从图中可以看出，具有Ti02种子层的BNT薄膜的电滞回线矩形度更高，剩余极化值更大。具有Ti02缓冲层5的和不具有缓冲层5的BNT铁电薄膜电容的疲劳特 性采用专用铁电测试仪RT66A测试，测量结果如图5所示。疲劳测试表明 两种薄膜均具有良好的抗疲劳特性，Ti02种子层的引入并没有降低BNT薄膜的疲劳特性。具有Ti02缓冲层5的和不具有缓冲层5的BNT铁电薄膜电容的漏电流 密度与电场强度之间的关系采用美国Radiant Technologies公司生产的 RT6000标准铁电测试仪得到，如图6。在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积的 BNT薄膜和具有Ti02种子层的BNT铁电薄膜的漏电流密度大小相当，在 -3.0V (约为100Kv/cm)时为2xlO_6A/cm2。当电场强度为正时，具有Ti02 种子层的BNT铁电薄膜的漏电流密度比在Pt/Ti/Si02/Si衬底上直接沉积的 BNT薄膜增加得稍快一些，但均在1(T6-1(T5 A/cm2之间。实例2:(1) 将硅基底按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 采用热氧化法，在硅基底表面生成150nm厚的二氧化硅阻挡层；(3) 采用磁控溅射法在二氧化硅阻挡层上制备20nm厚的二氧化钛粘结 层3，其磁控溅射的工艺条件为溅射气压2Pa，溅射基片温度300。C，溅
射气氛为02:Ar=2:8;(4) 采用磁控溅射法在二氧化钛粘结层上制备150nm厚的底电极金属 层，其磁控溅射的工艺条件为溅射气压lPa，溅射基片温度200。C，溅射 气氛为Ar气；(5) 采用磁控溅射法在底电极金属层上制备10-30nm厚的缓冲层，磁控 溅射的工艺条件为溅射气压1.5Pa，溅射基片温度200 。C，溅射气氛为 02:Ar=l: 9;(6) 采用溶胶-凝胶法制备BNT薄膜，可以选用如下制备工艺采用硝 酸铋Bi(N03)y5H20、硝酸钕Nd(N03)3'6H20和钛酸正四丁酯Ti(OC4H9)4为 原料，乙酰丙酮为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，按照化学式Bi3.15Nd。.85Ti3012 计量比称量后分别溶解并混合后搅拌均匀，得到淡黄色的清亮溶液，浓度 为0.1mol/L左右，其中以10%过量硝酸铋补偿热处理过程中的铋挥发。采 用KW-4A型台式匀胶机进行旋转镀膜，甩胶速度约为4000rpm、甩胶时间 30s。每甩一层膜后在管式炉中从室温以3°C/min的速度加热到400'C保温 IO分钟进行热处理，进行溶剂的挥发和有机物的分解，之后随炉冷却。(7) 将甩胶和热处理工艺重复4-5次之后，将薄膜在退火炉中进行退火 处理，制得铁电薄膜电容，其退火工艺为750。C快速热处理30分钟。(8)采用磁控溅射法在铁电薄膜层6上制备100nm厚的顶电极金属层7，其 溅射工艺条件为溅射气压8Pa，溅射基片温度为200°C，溅射气氛为Ar 气。
权利要求
1、一种铁电存储器用铁电薄膜电容，依次包括硅基底(1)、二氧化硅阻挡层(2)、二氧化钛粘结层(3)、底电极金属层(4)、铁电薄膜层(6)和顶电极金属层(7)；其特征在于在底电极金属层(4)与铁电薄膜层(6)之间还设置有缓冲层(5)，缓冲层(5)的材料为TiO2，厚度为10-30nm。
2、 一种制备铁电存储器用铁电薄膜电容的方法，包括以下步骤① 将硅基底进行表面处理和清洗；② 采用热氧化法，在硅基底表面生成二氧化硅阻挡层；③ 在二氧化硅阻挡层上制备二氧化钛粘结层； 在二氧化钛粘结层上制备底电极金属层；⑤采用磁控溅射法在底电极金属层上制备10-30nm厚度的7102缓冲层， 溅射工艺条件为溅射气压l 3Pa，溅射基片温度为200-400°C，溅射气氛 为02和Ar的混合气体；⑥ 采用溶胶-凝胶法在Ti02缓冲层上制备配置铁电薄膜层；⑦ 对铁电薄膜层进行退火处理；⑧ 采用磁控溅射法在铁电薄膜层上制备顶电极金属层，制得铁电薄膜 电容。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤⑤中，溅射工艺条 件为溅射气压1.5Pa，溅射基片温度为200°C，溅射气氛为02:Ar二l :9。
全文摘要
本发明属于铁电存储器技术，公开了一种铁电存储器用铁电薄膜电容及其制备方法。铁电薄膜电容依次由硅基底、二氧化硅阻挡层、二氧化钛粘结层、底电极金属层、缓冲层、铁电薄膜层和顶电极金属层构成，缓冲层的材料为TiO<sub>2</sub>，厚度为10-30nm。制备过程中，采用磁控溅射法在底电极金属层上制备10-30nm厚度的TiO<sub>2</sub>缓冲层，溅射工艺条件为溅射气压1～3Pa，溅射基片温度为200-400℃，溅射气氛为O<sub>2</sub>和Ar的混合气体；本发明铁电薄膜结晶性能良好、非c轴取向度高、电滞回线饱满、剩余极化值大。
文档编号H01L27/115GK101159271SQ20071016836
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者军 于, 周文利, 佳 李, 李建军, 斌 杨, 王耘波, 高俊雄 申请人:华中科技大学