一种半导体器件及其制备方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种半导体器件及其制备方法。

背景技术：

近年来随着对阻变式存储器(rram)器件研究的不断深入，很多钙钛矿结构的阻变材料被发现。钙钛矿材料是指一类陶瓷氧化物材料，其分子通式为abo3，这些材料都有着稳定的电阻开关特性。srtio3作为一种经典的钙钛矿结构材料，因为它具有可调谐的高介电常数、较低的介电损耗、良好的热稳定性等优良性能广泛应用于消磁、微波、超导、传感、催化等各个方面。

纯相srtio3是一个初始铁电体或顺电体，它在无压力条件下直到0k时一直保持顺电性，在低温下铁电性不稳定。srtio3从立方相到四方相的铁电无序相转变温度是105k，这意味着srtio3的铁电性在很多情况下都不能获得。之前有很多工作致力于获得srtio3的室温铁电性，例如引入应力、用o18替换o16或者掺杂其他元素。其中，铁电性已经在外延srtio3薄膜中获得，并通过外延失配获得较大的外延应力。此外，掺杂异价离子也有可能为材料提供应力，以促进铁电生成。

另一方面钛酸锶基材料的阻变特性也吸引了广泛的研究。阻变式存储器是一种非易失存储设备，具有良好的保持和抗疲劳特性，读写速度快，并且结构简单，可以与集成工艺兼容，有望成为下一代新型存储器。通过过渡金属掺杂，可以明显改善钙钛矿氧化物的阻变特性，如cr-srtio3，nb-srtio3，v-srzro3等均表现出这种特性。通常掺杂元素可以控制薄膜内部的缺陷、甚至引起一定的应力，从而改善器件的某些性能。再者对于多铁材料，尤其是同时具有铁电和铁磁性能的多铁材料，在存储器、传感器以及制动器等领域具有非常大的应用潜力。

如何将多铁材料应用于如阻变式存储器等半导体器件中，并发掘其在不同半导体器件中的独特特性成为相关领域技术人员研究的方向之一。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体器件及其制备方法，以实现将多铁薄膜应用于半导体器件中，并使得该结构的半导体器件具有双极阻变效应的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种半导体器件，包括：

衬底；

位于所述衬底表面的底电极；

位于所述底电极背离所述衬底一侧表面的多铁薄膜；

位于所述多铁薄膜背离所述底电极一侧表面的顶电极。

可选的，所述多铁薄膜为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜。

可选的，所述底电极为lanio3或srruo3电极或fto电极或ito电极或pt电极。

可选的，所述顶电极为au电极或pt电极或al电极或w电极或ito电极。

一种半导体器件的制备方法，包括：

制备多铁溶胶；

在衬底表面制备底电极；

利用所述多铁溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备多铁薄膜；

在所述多铁薄膜背离所述底电极一侧表面制备顶电极。

可选的，当所述多铁薄膜为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜时，所述制备多铁溶胶包括：

将醋酸锶在60℃条件下溶于冰醋酸中，溶解过程保持搅拌直至获得第一前驱体溶液；

将九水合硝酸铁在60℃条件下溶于乙二醇甲醚中，溶解过程保持搅拌直至获得第二前驱体溶液；

将钛酸丁酯在60℃条件下溶于乙酰丙酮中，溶解过程保持搅拌直至获得第三前驱体溶液；

将所述第一前驱体溶液、第二前驱体溶液和第三前驱体溶液混合，并在60℃条件下持续搅拌，直至获得透明均匀的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶；

利用乙二醇甲醚和冰醋酸将所述sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶的浓度调节为0.25mol/l，将所述sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶的ph值调节为2-3之间，包括端点值。

可选的，当所述多铁薄膜为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜时，所述利用所述多铁溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备多铁薄膜：

a：采用溶胶凝胶法在所述底电极背离所述衬底一侧旋涂sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶；

b：对旋涂后的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶进行烘胶处理；

c：重复a和b步骤n次；

d：对步骤c获得的产物在空气气氛中进行退火处理，获得所述sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶薄膜。

可选的，n的取值为2。

可选的，所述对旋涂后的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶进行烘胶处理包括：

e：将旋涂后的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶在100℃环境下烘烤10min；

f：将步骤e得到的产物在300℃环境下烘烤60min。

可选的，所述底电极和多铁薄膜的厚度的取值范围为100nm-120nm，包括端点值。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种半导体器件及其制备方法，其中，所述半导体器件包括：衬底；位于所述衬底表面的底电极；位于所述底电极背离所述衬底一侧表面的多铁薄膜；位于所述多铁薄膜背离所述底电极一侧表面的顶电极。通过测试所述半导体器件的i-v曲线可以发现，所述半导体器件在不同外界电压下均表现出良好的双极阻变效应，最高与最低电阻比值可达10²，而且具有很好的可重复性。当外界最大电压为10v时，所述半导体器件的双极阻变效应在重复30次之后仍然非常明显。

并且所述半导体器件的双极阻变效应会随着重复次数的增加不断趋于稳定，在双极阻变存储器件的应用中，其可控性、可靠性(数据的保持力及可翻转次数)、翻转速度方面优于单极阻变存储器件和一般挥发性存储器件，更有利于器件的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种半导体器件的剖面结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的对半导体器件进行测试获得的i-v曲线图；

图3为本申请的一个实施例提供的半导体器件i-v曲线的疲劳保持特性图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种半导体器件制备方法的流程示意图；

图5为本申请的另一个实施例提供的一种半导体器件制备方法的流程示意图；

图6为本申请的又一个实施例提供的一种半导体器件制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种半导体器件，如图1所示，包括：

衬底10；

位于所述衬底10表面的底电极20；

位于所述底电极20背离所述衬底10一侧表面的多铁薄膜30；

位于所述多铁薄膜30背离所述底电极20一侧表面的顶电极40。

优选的，所述多铁薄膜30为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜。

需要说明的是，由于多铁薄膜30与底电极20及顶电极40之间的肖特基势垒，使得所述半导体器件具有了双极阻变效应，属于界面势垒阻变机制的范畴。

参考图2和图3，图2为对所述半导体器件进行测试获得的i-v曲线图，从图2中可以发现，所述半导体器件内部的电流随电压的变化主要分为四个阶段，对应于不同的电阻状态：开始对器件施加电压(电压从0到vmax，过程1)时，所述半导体器件处于低阻态；当电压达到vmax，并向0变化过程中(电压从+vmax到0，过程2)，所述半导体器件阻态发生重置，电阻随即变成高阻态；降低电压至0，随后对所述半导体器件施加负偏压(电压从0到-vmax，过程3)，所述半导体器件的阻态不变，始终处于高阻态；直到负偏压达到一定值，所述半导体器件电阻急剧增大，重新回到低阻态，到达-vmax，降低负偏压，所述半导体器件仍然为高阻态(过程4)，表现出良好的双极阻变效应，并且具有很好的重复性。

图3为所述半导体器件i-v曲线的疲劳保持特性图，从图3中可以看出，所述半导体器件的双极阻变效应在重复30次之后仍然非常明显。所述半导体器件具有双极阻变效应，是由于多铁薄膜30(sr(ti0.1fe0.9)o3)与电极之间的肖特基势垒所产生的，属于界面势垒阻变机制的范畴。并且所述半导体器件的双极阻变效应会随着循环次数的增加，不断趋于稳定，在双极阻变存储件的应用中，其可控性、可靠性(数据的保持力、可翻转次数)、翻转速度方面优于单极阻变存储件和一般挥发性存储器件，更有利于器件的应用。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述衬底10为单晶、多晶或非晶结构的硅衬底10；

所述底电极20可以为lanio3或srruo3电极或fto电极或ito电极或pt电极，但出于优化半导体器件性能的目的考虑，优选地，所述底电极20为lanio3电极，当所述底电极20为lanio3电极时，底电极20与所述多铁薄膜30之间更接近纯欧姆接触。

所述顶电极40可以为pt电极或al电极或w电极或ito电极，同样的，出于优化半导体器件性能的目的考虑，优选地，所述顶电极40为金电极，当所述顶电极40为金电极时，顶电极40与所述多铁薄膜30之间更接近纯欧姆接触。

所述顶电极40和底电极20的制备方式可以为磁控溅射、热蒸镀或丝网印刷等。本申请对所述顶电极40和底电极20的具体制备材料和制备方式并不做限定，具体视实际情况而定。

相应的，本申请实施例还提供了一种半导体器件的制备方法，如图4所示，包括：

s101：制备多铁溶胶；

s102：在衬底表面制备底电极；

s103：利用所述多铁溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备多铁薄膜；

s104：在所述多铁薄膜背离所述底电极一侧表面制备顶电极。

优选的，所述多铁薄膜为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜。

需要说明的是，由于多铁薄膜与底电极及顶电极之间的肖特基势垒，使得所述半导体器件具有了双极阻变效应，属于界面势垒阻变机制的范畴。

参考图2和图3，图2为对所述半导体器件进行测试获得的i-v曲线图，从图2中可以发现，所述半导体器件内部的电流随电压的变化主要分为四个阶段，对应于不同的电阻状态：开始对器件施加电压(电压从0到vmax，过程1)时，所述半导体器件处于低阻态；当电压达到vmax，并向0变化过程中(电压从+vmax到0，过程2)，所述半导体器件阻态发生重置，电阻随即变成高阻态；降低电压至0，随后对所述半导体器件施加负偏压(电压从0到-vmax，过程3)，所述半导体器件的阻态不变，始终处于高阻态；直到负偏压达到一定值，所述半导体器件电阻急剧增大，重新回到低阻态，到达-vmax，降低负偏压，所述半导体器件仍然为高阻态(过程4)，表现出良好的双极阻变效应，并且具有很好的重复性。

图3为所述半导体器件i-v曲线的疲劳保持特性图，从图3中可以看出，所述半导体器件的双极阻变效应在重复30次之后仍然非常明显。所述半导体器件具有双极阻变效应，是由于多铁薄膜(sr(ti0.1fe0.9)o3)与电极之间的肖特基势垒所产生的，属于界面势垒阻变机制的范畴。并且所述半导体器件的双极阻变效应会随着循环次数的增加，不断趋于稳定，在双极阻变存储件的应用中，其可控性、可靠性(数据的保持力、可翻转次数)、翻转速度方面优于单极阻变存储件和一般挥发性存储器件，更有利于器件的应用。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，在利用所述衬底制备所述半导体器件之前，通常需要对所述衬底进行清洗，一般流程为：先用酒精，丙酮清洗所述衬底，然后用脱脂棉粘取适量氢氟酸小心擦拭，待清洗干净后，烘干备用。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图5所示，当所述多铁薄膜为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜时，所述制备多铁溶胶包括：

s1011：将醋酸锶在60℃条件下溶于冰醋酸中，溶解过程保持搅拌直至获得第一前驱体溶液；

s1012：将九水合硝酸铁在60℃条件下溶于乙二醇甲醚中，溶解过程保持搅拌直至获得第二前驱体溶液；

s1013：将钛酸丁酯在60℃条件下溶于乙酰丙酮中，溶解过程保持搅拌直至获得第三前驱体溶液；

s1014：将所述第一前驱体溶液、第二前驱体溶液和第三前驱体溶液混合，并在60℃条件下持续搅拌，直至获得透明均匀的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶；

s1015：利用乙二醇甲醚和冰醋酸将所述sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶的浓度调节为0.25mol/l，将所述sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶的ph值调节为2-3之间，包括端点值。

可选的，参考图6，当所述多铁薄膜为sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜时，所述利用所述多铁溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备多铁薄膜：

a：采用溶胶凝胶法在所述底电极背离所述衬底一侧旋涂sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶；

b：对旋涂后的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶进行烘胶处理；

c：重复a和b步骤n次；

d：对步骤c获得的产物在空气气氛中进行退火处理，获得所述sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶薄膜。

当所述底电极为lanio3时，所述底电极的制备步骤与sr(ti0.1fe0.9)o3薄膜的制备步骤类似，具体地，包括：

采用溶胶凝胶法在所述衬底上旋涂lanio3溶胶，并在一定的温度气氛条件下烘胶，以充分除去有机物，为达到合适厚度，反复n次旋涂烘胶，之后在空气气氛中750℃保温15min快速退火，得到lanio3薄膜作为底电极。

在本申请的一个具体实施例中，n的取值为2，制备获得的底电极和多铁薄膜的厚度的取值范围为100nm-120nm，包括端点值。

顶电极为au电极时，其制备过程为采用au靶，工作真空度为0.09-0.1mmhg，放电电流为11ma，镀膜时间为120秒，重复2-3次，以达到30nm左右厚度。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述对旋涂后的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶进行烘胶处理包括：

e：将旋涂后的sr(ti0.1fe0.9)o3溶胶100℃环境下烘烤10min；

f：将步骤e得到的产物在300℃环境下烘烤60min。

综上所述，本申请实施例提供了一种半导体器件及其制备方法，其中，所述半导体器件包括：衬底；位于所述衬底表面的底电极；位于所述底电极背离所述衬底一侧表面的多铁薄膜；位于所述多铁薄膜背离所述底电极一侧表面的顶电极。通过测试所述半导体器件的i-v曲线可以发现，所述半导体器件在不同外界电压下均表现出良好的双极阻变效应，最高与最低电阻比值可达10²，而且具有很好的可重复性。当外界最大电压为10v时，所述半导体器件的双极阻变效应在重复30次之后仍然非常明显。

并且所述半导体器件的双极阻变效应会随着重复次数的增加不断趋于稳定，在双极阻变存储器件的应用中，其可控性、可靠性(数据的保持力及可翻转次数)、翻转速度方面优于单极阻变存储器件和一般挥发性存储器件，更有利于器件的应用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。