一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容及其制造方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，更具体地，涉及一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容及其制造方法。

背景技术：

半导体存储器是集成电路产业建设的重要组成部分，是信息技术产业发展的基础，也是市场占有率最大的消费型电子产品的核心器件。

目前，应用最广泛的非挥发性存储器是闪存(Flash)，但其操作电压、读写时间、抗疲劳特性以及存储密度等已经接近其物理极限。因此，急需开发一种性能更为优越的新型非挥发性存储器。

铁电存储器(FeRAM)具有高读写速度、高存储密度、低功耗、长寿命、高抗辐射和结构简单等优势，被认为是下一代最具前景的新型存储器之一。

请参阅图1，图1是现有的一种铁电薄膜电容的结构示意图。如图1所示，传统的铁电存储器主要采用由上电极103、铁电薄膜102和下电极101组成的铁电薄膜电容结构，作为铁电存储器的存储单元。

然而，上述传统的铁电存储器存在以下主要技术问题：

1)操作电压较高，一般为2～4V，而其他存储器通常为1.5V。较高的操作电压会限制铁电存储器在移动和低功耗领域的应用。

2)由于铁电薄膜材料介电常数较大，有些可以高达10³～10⁴，高介电常数会导致铁电材料的散热性能变差，在制备高密度的铁电存储器时，存在器件的散热性问题。

因此，本领域技术人员亟需提供一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容及其制造方法，以改善现有铁电存储器操作电压过高和器件散热性差的问题，提高器件的性能和稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容及其制造方法，以改善现有铁电存储器的操作电压较高和散热性差的问题，提高器件的性能和稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容，自下而上包括：下电极层、铁电薄膜层和上电极层；其中，铁电薄膜层与上、下电极层至少其中之一的之间叠设有缓冲层和散热层。

优选地，所述缓冲层材料的相对介电常数不高于铁电薄膜层材料的相对介电常数。

优选地，所述缓冲层材料为SiO₂、SiON、Si₃N₄、Al₂O₃、Ta₂O₅、HfO₂、ZrO₂、k值小于2.5的超低介电常数材料、六方氮化硼中的一种或多种。

优选地，所述散热层材料为石墨烯。

优选地，所述上、下电极层材料为Pt、Au、W、Al、Cu、Ir、Ti、TiN、TaN、AlCu中的一种或几种。

优选地，所述铁电薄膜层材料为BaTiO₃、BaSrTiO₃、PbTiZrO₃、BiFeO₃、Bi₄Ti₃O₁₂、BiSr₂Ta₂O₉、LiNbO₃、HfO₂中的一种或几种，或者为掺杂有La、Ce、Nd、Dy、Ho、Yb、Mn、Cr、Si、Al、Gd中的一种或几种元素的铁电薄膜材料。

一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容的制造方法，用于制造上述的任意一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容，包括：生长下电极层；生长铁电薄膜层；生长上电极层；还包括：在铁电薄膜层与上、下电极层至少其中之一的之间生长缓冲层和散热层。

优选地，所述缓冲层通过热氧化、脉冲激光淀积、分子束外延、磁控溅射、原子层沉积或化学气相沉积方法生长形成。

优选地，所述散热层通过机械剥离、低温化学气相沉积、原子气相沉积、SiC热分解或氧化还原方法生长形成。

优选地，所述散热层厚度为0.5-5nm。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在电极层和铁电薄膜层之间加入缓冲层，能有效降低铁电存储器单元的操作电压，并且采用的缓冲层材料的介电常数越小，其分压能力就越强，铁电存储器单元的操作电压降低就越显著；另一方面，在电极层和铁电薄膜层之间还采用例如石墨烯作为散热层，利用石墨烯优异的散热性能，能有效降低器件由于铁电薄膜介电常数较高导致的器件发热和散热性差的问题，从而避免了高密度铁电存储器可能产生的散热问题，有利于提高铁电存储器器件性能以及器件稳定性和良率。

附图说明

图1是现有的一种铁电薄膜电容的结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例的一种制造图2的铁电薄膜电容的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想之一在于：本发明提供了一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容，自下而上包括：下电极层、铁电薄膜层和上电极层；其中，铁电薄膜层与上、下电极层至少其中之一的之间叠设有缓冲层和散热层。

本发明的核心思想之二在于：本发明还提供了一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容的制造方法，包括：生长下电极层；生长铁电薄膜层；生长上电极层；还包括：在铁电薄膜层与上、下电极层至少其中之一的之间生长缓冲层和散热层。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容结构示意图。如图2所示，本发明的铁电薄膜电容结构具体可包括：下电极层、铁电薄膜层和上电极层，铁电薄膜层位于下电极层、上电极层之间。在下电极层与铁电薄膜层之间含有缓冲层和散热层，同时，在铁电薄膜层与上电极层之间也含有缓冲层和散热层。

缓冲层能有效降低铁电存储器单元的操作电压，并且采用的缓冲层材料的介电常数越小，其分压能力就越强，铁电存储器单元的操作电压降低就越显著。由于铁电薄膜介电常数较高，易导致器件发热和散热性差的问题，因此，可通过设置散热层对铁电薄膜进行及时散热，从而避免了高密度铁电存储器可能产生的散热问题。

其中，所述缓冲层材料的相对介电常数应不高于铁电薄膜层材料的相对介电常数。并且，所述缓冲层材料可为SiO₂、SiON、Si₃N₄、Al₂O₃、Ta₂O₅、HfO₂、ZrO₂、k值小于2.5的超低介电常数材料、六方氮化硼中的一种或多种。例如，可选用Ti作为缓冲层的材料。

所述散热层材料可选用石墨烯。利用石墨烯优异的散热性能，能有效降低器件由于铁电薄膜介电常数较高导致的器件发热和散热性差的问题，从而可避免高密度铁电存储器可能产生的散热问题，有利于提高铁电存储器器件性能以及器件稳定性和良率。

所述上、下电极层材料可采用Pt、Au、W、Al、Cu、Ir、Ti、TiN、TaN、AlCu中的一种或几种。例如，可选用Pt作为上、下电极层材料。

所述铁电薄膜层材料可采用BaTiO₃、BaSrTiO₃、PbTiZrO₃、BiFeO₃、Bi₄Ti₃O₁₂、BiSr₂Ta₂O₉、LiNbO₃、HfO₂中的一种或几种，或者为掺杂有La、Ce、Nd、Dy、Ho、Yb、Mn、Cr、Si、Al、Gd中的一种或几种元素的铁电薄膜材料；例如，可选用PbTiZrO₃作为铁电薄膜层材料。

请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例的一种制造图2的铁电薄膜电容的制造方法的流程示意图。如图3所示，本发明的一种用于铁电存储器的铁电薄膜电容的制造方法，包括以下步骤：

步骤S01：生长下电极层201。

下电极层材料为Pt，厚度为150nm；可采用常规方式生长下电极层201。

步骤S02：在下电极层上生长缓冲层202。

缓冲层材料为Ti，厚度为20nm；缓冲层可通过热氧化、脉冲激光淀积、分子束外延、磁控溅射、原子层沉积或化学气相沉积方法生长形成。例如可采用磁控溅射法沉积Ti缓冲层材料。

步骤S03：在缓冲层上生长散热层203。

散热层材料为石墨烯，厚度为4nm；散热层可通过机械剥离、低温化学气相沉积、原子气相沉积、SiC热分解或氧化还原方法生长形成。例如可采用原子气相沉积法生长石墨烯。

步骤S04：在散热层上生长铁电薄膜层204。

铁电薄膜层材料为PbTiZrO₃，厚度为300nm；可采用常规方式生长铁电薄膜层204。

步骤S05：在铁电薄膜层上生长散热层205。

散热层材料为石墨烯，厚度为4nm。

步骤S06：在散热层上生长缓冲层206。

缓冲层材料为Ti，厚度为20nm。

步骤S07：在缓冲层上生长上电极层207。

上电极层材料为Pt，厚度为150nm，可采用常规方式生长。

由于铁电薄膜材料PbTiZrO₃其介电常数很高，在10³量级，因此需要在铁电薄膜层的上下都加上石墨烯散热层，使器件更好地散热。缓冲层材料介电常数越低，分压效果越好，而Ti的介电常数相比SiO₂和Si₃N₄要高，因此在下电极层、铁电薄膜层之间和铁电薄膜层、上电极层之间都采用缓冲层来使缓冲层能有足够的分压效果，从而可更好地降低铁电薄膜电容的操作电压。

作为其他可选的实施方式，铁电薄膜电容结构具体还可包括：下电极层、铁电薄膜层和上电极层；铁电薄膜层位于下电极层、上电极层之间。其中，可在下电极层、铁电薄膜层之间设置缓冲层和散热层。下电极层和上电极层材料均为Pt，铁电薄膜层材料为掺Si的HfO₂，缓冲层的材料为六方氮化硼，散热层材料为石墨烯。制作此结构的方法，包括以下步骤：

[1]生长下电极层。下电极层材料为Pt，厚度为80nm。

[2]在下电极层上生长缓冲层。缓冲层材料为六方氮化硼，厚度为10nm，采用化学气相淀积。

[3]在缓冲层上生长散热层。散热层材料为石墨烯，厚度为2nm，采用原子气相沉积法。

[4]在散热层上生长铁电薄膜层。铁电薄膜层的材料为掺Si的HfO₂，厚度为20nm。

[5]在铁电薄膜层上生长上电极层。上电极层材料为Pt，厚度为80nm。

由于上述铁电薄膜材料为掺Si的HfO₂，介电常数相对其他铁电薄膜如PbTiZrO₃等较低，大约在20左右；因此，只需要在铁电薄膜层的一边加上石墨烯散热层，即可保证铁电薄膜电容良好的散热效果。缓冲层材料六方氮化硼的介电常数在3～5，和SiO₂和Si₃N₄相当，因此在下电极层、铁电薄膜层之间采用一层缓冲层就可以有效降低铁电薄膜电容的操作电压。并且，六方氮化硼的结构与石墨烯的结构类似，晶格失配仅为1.7％，从而在六方氮化硼上生长的石墨烯薄膜质量也较好。另一方面，采用石墨烯作为散热层，石墨烯其介电常数为4.5，与六方氮化硼缓冲层的介电常数相当，不会增加铁电薄膜电容的操作电压，并且具有良好的散热性，可以解决铁电薄膜电容在制作高密度铁电存储器时的散热问题。同时，由于石墨烯所有sp2杂化的碳原子均饱和成键，其结构非常稳定，从而使得石墨烯作为一种阻挡层具有优良的热稳定性和化学稳定性，可以使铁电薄膜在反复操作中其薄膜成分保持稳定，提高了器件的性能和稳定性。

所述石墨烯散热层厚度根据设计要求可在0.5-5nm之间变动。

类似地，也可以将上述缓冲层和散热层施加在铁电薄膜层与上电极层之间。

综上所述，本发明通过在电极层和铁电薄膜层之间加入缓冲层，能有效降低铁电存储器单元的操作电压，并且采用的缓冲层材料的介电常数越小，其分压能力就越强，铁电存储器单元的操作电压降低就越显著；另一方面，在电极层和铁电薄膜层之间还采用例如石墨烯作为散热层，利用石墨烯优异的散热性能，能有效降低器件由于铁电薄膜介电常数较高导致的器件发热和散热性差的问题，从而避免了高密度铁电存储器可能产生的散热问题，有利于提高铁电存储器器件性能以及器件稳定性和良率。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。