铁电电容器结构及其制备方法

1.本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种铁电电容器结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着信息技术的发展，人们对于信息存储的需求不断增大，对存储器的容量、体积、功耗和价格等提出了越来越高的要求。作为传统非易失性存储器的典型代表，闪存器件正面临其发展瓶颈。一方面，不断缩小的器件尺寸使得制造成本越来越高；另一方面，尺寸缩小带来的一系列可靠性问题，使得闪存器件难以继续沿摩尔定律向前发展。因此，寻找和研制新型非易失性存储器的需求迫在眉睫。其中，二氧化铪(hfo2)基铁电存储器因为具有高速、低功耗、结构简单易集成、与现有互补金属氧化物半导体(简称cmos)工艺兼容性好等一系列优点，成为后摩尔时代新型非易失性存储器的热门候选之一。
3.除了需求量的增加，人们对于电子产品外观及功能要求日益增多，便携式、可穿戴、可弯曲折叠的柔性电子器件逐渐成为主流。如果将存储器与信息处理单元集成于柔性电子器件系统，不仅可以进行实时感知，而且有助于降低功耗、提升计算速度和存储容量，这对加快柔性可穿戴设备的商用化具有重要的推动作用。
4.表面粗糙度对于铁电存储器的性能有着至关重要的影响，它会在无意中影响铁电薄膜内部电场分布的不均匀性，当极化反转出现时，会延迟开关时间或形成电短路。更重要的是，对于许多材料，有报道称随后沉积的薄膜的电学性能会受到粗糙界面的影响。然而当在柔性衬底上制备铁电存储器件时，由于柔性衬底较为柔软脆弱，易受生长工艺的影响，导致器件表面粗糙度较大。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种铁电电容器结构及其制备方法，通过在柔性衬底上生长一层缓冲层，使得表面粗糙度降低，减小了器件的漏电流，并且使得铁电薄膜内部电场分布均匀，提高了器件的可靠性。
7.(二)技术方案
8.本发明一方面提供一种铁电电容器结构，包括：衬底层1，以及依次叠设于所述衬底层1上的缓冲层2、第一电极3、介质层4和第二电极5；其中，所述衬底层1为柔性衬底，所述介质层为hfo2铁电介质。
9.可选地，所述缓冲层2材料为al2o3，厚度为100nm。
10.可选地，所述衬底层1材料为聚酰亚胺，厚度为500um。
11.可选地，所述介质层4材料为铪锆氧，厚度为10nm。
12.可选地，所述介质层4材料中，铪和锆的摩尔组分比例为1∶1。
13.可选地，所述介质层4采用以zr掺杂的hfo2铁电介质。
14.可选地，所述第一电极3和第二电极5材料均为氮化钛，厚度均为40nm。
15.可选地，所述介质层4采用hfo2铁电介质，其中掺杂si、al、y或gd；所述第一电极3和第二电极5材料均为w、tan或高导硅。
16.本发明另一方面提供一种该铁电电容器结构的制备方法，包括以下步骤：提供一衬底层1，并清洗衬底层1；在清洗完成的衬底层1上沉积缓冲层2；在缓冲层2上溅射制备第一电极3；在第一电极3上沉积介质层4；在介质层4上涂光刻胶并曝光显影；在经过上述处理后的介质层4上溅射制备第二电极5；去除光刻胶和多余金属后退火处理。
17.可选地，所述在清洗完成的衬底层1上沉积缓冲层2，以及在第一电极3上沉积介质层4，均采用ald工艺制备。
18.(三)有益效果
19.本发明提供一种铁电电容器结构及其制备方法，通过在柔性衬底上生长一层缓冲层，使得表面粗糙度降低，大大减小了器件的漏电流，并且使得铁电薄膜内部电场分布均匀，提高了器件的可靠性。
附图说明
20.图1是根据本发明实施例的铁电电容器结构示意图。
21.图2是根据本发明实施例的铁电电容器结构的制备方法的流程图。
22.图3是根据本发明实施例的衬底层表面粗糙度示意图。
23.图4是衬底层与第一电极之间没有增加缓冲层的表面粗糙度示意图。
24.图5是根据本发明实施例的衬底层、缓冲层与第一电极之间的表面粗糙度示意图。
25.图6是根据本发明实施例的铁电电容器结构的剩余极化曲线示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
27.本发明实施例提供了一种铁电电容器结构，通过在柔性聚酰亚胺衬底上生长一层缓冲层改善衬底平整度，使其相应柔性铁电电容器具有优良性能。
28.图1是根据本发明实施例的铁电电容器结构示意图。
29.如图1所示，该铁电电容器结构包括：衬底层1，以及依次叠设于衬底层1上的缓冲层2、第一电极3、介质层4和第二电极5；其中，衬底层1为柔性衬底，介质层为hfo2铁电介质。
30.本发明实施例中，缓冲层2材料为al2o3，厚度为100nm。
31.本发明实施例中，衬底层1材料为聚酰亚胺(化学式pi)，厚度为500um。介质层4材料为铪锆氧(简称hzo)，厚度为10nm。
32.进一步地，为了实现该铁电电容器结构的剩余极化强度最大，介质层4材料中的铪与锆的摩尔组分比例为1∶1。
33.可以理解的是，在其他实施例中，铪与锆具有接近1∶1的其他组分比例均可适用于本发明实施例中，只要能够有效提高该铁电电容器结构的剩余极化强度即可。
34.优选地，介质层4采用以zr掺杂的hfo2铁电介质。
35.在其他实施例中，介质层4也可采用其他掺杂，例如介质层4采用hfo2铁电介质，其中掺杂si、al、y或gd。
36.优选地，第一电极3和第二电极5材料均为氮化钛(tin)，厚度均为40nm。
37.在其他实施例中，第一电极3和第二电极5材料也可选用其他电极材料，例如可以为w、tan或高导硅，具体本发明不做限制。
38.至此，本发明实施例提供的铁电电容器结构已描述完毕，本发明可提高柔性hfo2基的铁电电容器的表面平整度，进而提高器件的可靠性。
39.本发明另一方面提供了一种该铁电电容器结构的制备方法。如图2所示，该铁电电容器结构的制备方法包括以下步骤：
40.步骤s1，提供一衬底层1，并清洗衬底层1。
41.具体地，选用材料pi作为衬底层1，将衬底层1依次用丙酮、无水乙醇浸泡、清洗、吹干，再用去离子水浸泡冲洗、吹干，完成衬底层1的清洗。
42.示例性的，衬底层1的厚度可以为500um。
43.步骤s2，在清洗完成的衬底层1上沉积缓冲层2。
44.具体地，在衬底层1上，利用ald工艺制备al2o3缓冲层2。al的先驱物和去离子水均保持20℃室温，载气选择n2，气体流量100sccm。
45.示例性的，al的先驱物采用三甲基铝(简称tma)，采用去离子水作为氧源，反应腔气压小于2mbar，淀积温度为200℃。缓冲层2的厚度可以为100nm。
46.步骤s3，在缓冲层2上溅射制备第一电极3。
47.具体地，在缓冲层2上，利用离子束溅射工艺溅射制备第一电极3。溅射工艺包括但不限于离子束溅射、直流溅射或反应溅射。
48.示例性的，采用离子束溅射工艺：tin靶，束流电压700～900v，束流40～60ma，加速电压150～170v，气体为ar与n2的混合气体，其中，ar的流速设定为7～9sccm，n2的流速设定为4～6sccm。第一电极3的厚度可以为40nm。可以理解的是，在此离子束溅射工艺范围内可获得较好的薄膜衬度，有利于铁电性的产生。
49.步骤s4，在第一电极3上沉积介质层4。
50.具体地，在第一电极3上利用ald工艺沉积介质层4。
51.示例性的，利用ald工艺制备hzo介质层4。淀积时，先长一层zro2，再长一层hfo2，依次交替循环，最后以一层zro2封顶。沉积保证hf和zr的摩尔组分比例为1∶1。介质层4的厚度可以为10nm。
52.还需要说明的是，先驱物及氧源均有其他不同选择，淀积温度范围通常在280-300℃。zr和hf的先驱物加热至100～140℃，去离子水保持20℃室温，载气选择n2，气体流量40～80sccm。
53.示例性的，hf的先驱物采用：四(乙基甲基氨基)铪(iv)(英文全称为tetrakis(ethylmethylamido)hafnium(iv)，简称temah)，化学式为hf(nch3c2h5)4；zr的先驱物采用：四(乙基甲基氨基)锆(iv)(英文全称为tetrakis(ethylmethylamido)zirconium(iv)，简称temaz)，化学式为zr(nch3ch5)4；采用去离子水作为氧源。
54.步骤s5，在介质层4上涂光刻胶并曝光显影。
55.具体地，在hzo介质层4上涂覆负胶，150℃前烘3min，曝光后120℃后烘3min，在显影液中浸泡45s显影，用去离子水冲洗吹干。
56.步骤s6，在经过上述处理后的介质层4上溅射制备第二电极5。
57.具体地，利用离子束溅射工艺溅射制备第二电极5。溅射工艺包括但不限于离子束溅射、直流溅射或反应溅射。
58.示例性的，采用离子束溅射工艺：tin靶，束流电压700～900v，束流40～60ma，加速电压150～170v，气体为ar与n2的混合气体，其中，ar的流速设定为7～9sccm，n2的流速设定为4～6sccm。第二电极5的厚度可以为40nm。可以理解的是，在此离子束溅射工艺范围内可获得较好的薄膜衬度，有利于铁电性的产生。
59.步骤s7，去除光刻胶和多余金属后退火处理。
60.具体地，将通过上述操作得到的具有衬底层、缓冲层、第一电极、介质层、第二电极的hfo2基铁电器件在丙酮溶液中浸泡至光刻胶和多余金属脱落；然后在无水乙醇中浸泡去除丙酮；之后用去离子水冲洗吹干。
61.可选地，将冲洗吹干的柔性hfo2基铁电器件在n2气氛、430℃条件下退火60s，得到柔性hfo2基铁电容器。
62.在一些实施例中，利用制备完成的柔性铁电电容器，对其施加电压激励，具体步骤如下：
63.第一电极3加直流电压，采用电压扫描模式，电压值从0v增大到3.5v，限流1μa，第二电极5接地；
64.然后保持第一电极3加直流电压和第二电极5接地的状态，使用pund模式施加脉冲幅值为3.5v，脉宽100μs，测得器件的极化回滞曲线。
65.图3是根据本发明实施例的衬底层表面粗糙度示意图。图4是衬底层与第一电极之间没有增加缓冲层的表面粗糙度示意图。图5是根据本发明实施例的衬底层、缓冲层与第一电极之间的表面粗糙度示意图。图6是根据本发明实施例的铁电电容器结构的剩余极化曲线示意图。
66.如图3所示，根据本实施例提供的上述制备方法制得的衬底层pi的显微镜形貌表征图，测得衬底层pi的相对于轮廓平均线偏差的均方根值rq约等于0.99nm。
67.可以理解的是，相对于轮廓平均线偏差的均方根值rq作为表面粗糙度的一种表征参数，可体现表面微观几何形状误差，进而表征表面的光滑程度。
68.为了便于比较，如图4所示，其为铁电电容器结构中的衬底层pi材料和第一电极tin材料之间没有增加缓冲层2时的显微镜形貌表征图，其中采用的第一电极tin厚度为40nm，测得的pi和tin的之间的接触面的相对于轮廓平均线偏差的均方根值rq约等于7.34nm。
69.如图5所示，其为根据本实施例提供的上述制备方法，也即衬底层pi材料和第一电极tin材料之间增加了缓冲层al2o3材料时的显微镜形貌表征图，其中采用的缓冲层al2o3厚度为100nm，第一电极tin厚度为40nm，测得的pi、al2o3和tin的两两之间的接触面的相对于轮廓平均线偏差的均方根值rq约等于1.03nm。
70.经过上述测量结果比较可知，本发明实施例提供的铁电电容器结构，器件结构更加紧密，颗粒均匀，薄膜晶粒小且表面平整，可明显降低柔性衬底的表面粗糙度，从而改善柔性衬底的平整度，使制得的柔性铁电电容器具有优良性能。
71.如图6所示，图中横坐标表示电场，纵坐标表示剩余极化强度，该测试结果通过铁电分析仪测试得到。可以看出，根据本实施例提供的上述制备方法，制得的100nm的介质层
al2o3展现出良好的铁电回线，当电场增加到接近3.5mv/cm时，剩余极化强度增加到15μc/gm2，极化可翻转，都表明本发明实施例的铁电电容器具有良好的铁电极化特性。
72.综上所述，本发明实施例提供了一种铁电电容器结构及其制备方法，通过在柔性衬底上生长一层缓冲层，使得表面粗糙度降低，大大减小了器件的漏电流，并且使得铁电薄膜内部电场分布均匀，提高了器件的可靠性。
73.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。