一种HfO2基铁电电容器的制备方法

本发明属于微电子，特别涉及一种hfo2基铁电电容器的制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路产业的发展，代表当今半导体非易失性存储器先进水平的闪存器件，尽管有新型结构和设计方案不断涌现，依然面临着诸如读写速度慢、操作电压高、循环次数有限以及尺寸缩放极限等问题。相比于对传统闪存器件的改进和发展，多种新型非易失性存储器也在广泛研究中。铁电随机存取存储器(feram)是这其中具有代表性的新型器件。铁电存储器单元结构和动态随机存取存储器(dram)相似，由一个场效应晶体管(mosfet)和一个铁电电容器组成。铁电电容器是其中存储信息的部分，由上下电极和介质层组成三明治结构，其介质层具有铁电性，存在极化回滞曲线，利用铁电畴的极化方向代表二进制“0”和“1”存储信息，其剩余极化强度值代表了存储器的存储窗口大小。铁电畴的极化翻转时间在纳秒量级，因此铁电存储器的写入速度较快，且能耗较低。

2、传统钙钛矿结构的铁电材料存在诸多缺陷。首先其化学成分复杂，制备难度较大，且不能和现有的cmos工艺兼容；其次钙钛矿结构的铁电材料禁带宽度相对较小，为了保证漏电流水平，薄膜的厚度难以微缩到现有工艺节点水平；部分钙钛矿铁电材料，如钛酸锆铅(pzt)，其成分中含有有毒物质铅。传统铁电材料由于这些缺陷的限制，始终难以正式走向市场应用。近期提出的基于掺杂hfo2的新型铁电材料，因为其成熟的原子层淀积(ald)制备工艺，能与现有标准cmos工艺兼容，并且其禁带宽度比钙钛矿铁电材料大，目前已经证实在5nm左右厚度时仍存在铁电性，从而能应用于3d结构，极大程度提高集成度。因此，hfo2基铁电存储器是极具发展潜力的新一代非易失性半导体存储器。

3、目前已证实，由于非中心对称的正交相(o相，空间集群pca21)的存在导致了铁电性的出现。常温常压下，hfo2的本体相为中心对称的单斜相(m相，空间集群p21/c)，不具有铁电性。在材料退火结晶的过程中，由于受到非对称的应力作用(主要为竖直方向的拉伸应力和水平方向的压缩应力)，产生了从m相到o相的相变，薄膜出现铁电性。o相的组分比例决定了材料铁电性的强弱，可通过剩余极化强度(pr)直观体现。剩余极化强度是铁电存储器的关键参数之一，通常将2pr视为存储器的存储窗口大小，提高存储窗口大小可以有效防止信息误读，从而提高存储器的可靠性。

技术实现思路

1、鉴于以上分析，本发明旨在提供一种hfo2基铁电电容器的制备方法和hfo2基铁电存储器，达到增大铁电存储器存储窗口的目的。本发明对于其他元素(如si、y、gd等)掺杂的hfo2基铁电存储器同样适用。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种hfo2基铁电电容器的制备方法，包括以下步骤：

4、提供衬底层(1)；

5、在衬底层(1)上溅射制备下电极(2)；

6、在下电极(2)上沉积介质层(3)；

7、在介质层(3)上沉积al2o3插层(4)；

8、在al2o3插层(4)上涂光刻胶、曝光显影；

9、在上述处理后的al2o3插层(4)上溅射制备上电极(5)；

10、在形成的上电极(5)上溅射制备金属保护层(6)；

11、去除光刻胶和多余金属后退火处理；

12、所述在下电极(2)上沉积介质层(3)中，沉积温度为280-300℃。

13、可选地，所述退火处理的退火温度为400-500℃，退火时间为20-30s。

14、可选地，所述在al2o3插层(4)上涂光刻胶、曝光显影为：在al2o3插层(4)上涂覆负胶，150℃前烘1min，曝光后120℃后烘1min，在显影液中浸泡30s显影，用去离子水冲洗吹干。

15、可选地，所述去除光刻胶和多余金属包括以下步骤：在丙酮溶液中浸泡至光刻胶和多余金属脱落；在无水乙醇中浸泡去除丙酮；用去离子水冲洗吹干。

16、可选地，所述衬底层(1)材料为sio2/si或sio2。

17、可选地，所述在介质层(3)上沉积al2o3插层(4)中，沉积得到的al2o3插层(4)的厚度为2nm～3nm。

18、可选地，所述在下电极(2)上沉积介质层(3)中，沉积得到的介质层(3)为hzo，厚度为8～15nm。

19、可选地，所述在衬底层(1)上溅射制备下电极(2)中，溅射得到的下电极(2)的材料为tin，厚度为10～60nm。

20、另一方面，本发明还提供了一种hfo2基铁电电容器，采用上述的制备方法制备得到的，所述hfo2基铁电电容器从下到上依次包括衬底层(1)、下电极(2)、介质层(3)、al2o3插层(4)、上电极(5)和金属保护层(6)。

21、此外，本发明还提供了一种hfo2基铁电存储器，包括采用上述的制备方法制备得到的hfo2基铁电电容器，所述hfo2基铁电电容器用于形成铁电随机存取存储器。

22、可选地，所述介质层(3)为hzo，hf和zr的摩尔组分比例为(0.4～0.6)：(0.4～0.6)。

23、可选地，所述al2o3插层(4)厚度为2nm～3nm。

24、可选地，所述介质层(3)和上电极(2)之间插入热膨胀系数小于tin的al2o3插层，所述al2o3插层用于在退火过程中提供更强的拉伸应力作用；提高介质中o相的组分比例，最终达到提高剩余极化强度，增大铁电存储器存储窗口，防止信息误读，提高存储器的可靠性。

25、可选地，所述金属保护层(6)的材料为pd、au或pt，厚度为10-30nm。

26、可选地，所述衬底层(1)材料为sio2/si，sio2的厚度为100～500nm，si的厚度为300～600μm；所述下电极(2)材料为tin；所述上电极(5)材料为tin，tin厚度为40nm。

27、具体地，hfo2基铁电电容器的制备方法包括以下步骤：

28、步骤1，清洗衬底；将衬底依次用丙酮、无水乙醇浸泡、清洗、吹干；再用去离子水浸泡冲洗、吹干；

29、步骤2，在衬底上利用离子束溅射工艺溅射制备下电极；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/n2混合气体，流速分别为(7～9sccm)/(4～6sccm)；

30、步骤3，在下电极上沉积介质层，利用ald工艺制备hzo介质层，淀积温度为280-300℃；淀积时，先长一层zro2，再长一层hfo2，依次循环，最后一层zro2封顶；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；hf的先驱物采用四(乙基甲基氨基)铪(iv)；zr的先驱物采用四(乙基甲基氨基)锆(iv)；采用去离子水作为氧源；

31、步骤4，在介质层上沉积al2o3插层；三甲基铝作为al的先驱物，去离子水作为氧源，淀积温度280-300℃，al先驱物和去离子水均保持20℃室温，载气为n2，气体流量为40～80sccm；

32、步骤5，涂光刻胶、曝光显影；在al2o3插层上涂覆负胶，150℃前烘1min，曝光后120℃后烘1min，在显影液中浸泡30s显影，用去离子水冲洗吹干；

33、步骤6，制备上电极；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/n2混合气体，流速分别为(7～9sccm)/(4～6sccm)；

34、步骤7，制备金属保护层；采用离子束溅射工艺：pd靶，束流电压700～900v，束流40～60ma，加速电压150～170v，气体为ar，流速7～9sccm；

35、步骤8，去除光刻胶和多余金属；

36、步骤9，退火：在n2气氛、400-500℃条件下热退火，热退火时间为20-30s；

37、所述步骤8包括以下步骤：

38、步骤801，在丙酮溶液中浸泡至光刻胶和多余金属脱落；

39、步骤802，在无水乙醇中浸泡去除丙酮；

40、步骤803，用去离子水冲洗吹干。

41、与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

42、1)本发明通过在铁电电容器的介质层和上电极(tin)之间插入热膨胀系数小于tin的al2o3插层，以此在退火过程中提供更强的拉伸应力作用，从而提高介质中o相的组分比例，最终达到提高剩余极化强度，增大铁电存储器存储窗口的目的，提高存储窗口大小可以有效防止信息误读，从而提高存储器的可靠性。

43、2)介质层为hzo(铪-锆氧化物)时，hf和zr的摩尔组分比例为(0.4～0.6)：(0.4～0.6)，厚度为8～15nm，此时，具有最强的铁电性。

44、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。