一种铪基铁电器件及其制备方法

本发明属于微电子器件，更具体地，涉及一种铪基铁电器件及其制备方法。

背景技术：

1、铁电存储器结构为典型的金属-铁电层-金属三明治结构，其中铁电层主要由具有自发极化强度的铁电材料构成。通过控制施加电压的大小和方向，可以实现铁电材料极化方向的翻转，进而实现铁电器件信息的非易失性存储。目前，传统的氧化物钙钛矿因cmos工艺兼容的劣势导致feram长期停留在130nm的技术节点。与此同时，传统氧化物钙钛矿材料在厚度低于100nm时，材料铁电性会出现减小或者消失等问题，导致钙钛矿型铁电材料在铁电存储器集成化应用中存在较多挑战。

2、2011年，首次在10nm厚的si掺杂hfo2中发现铁电特性。因此，铪基铁电材料吸引了众多研究者的目光。相较于传统的氧化物钙钛矿型铁电材料，新型铪基铁电材料可以作为集成栅或者电容电介质的合适“高k”替代品。新型铪基铁电材料同时具有较低的电介质常数和较大的的禁带宽度，可以实现降低器件漏电流的同时解决器件可靠性问题。与此同时，其具有与cmos工艺兼容的成熟制程工业产线，使得薄膜厚度在10nm以下均可保持较优的铁电特性。基于此，铪基铁电材料有望克服传统氧化物钙钛矿铁电材料工艺不兼容、膜厚要求高、无法高密度集成等技术瓶颈，并有望替代传统钙钛矿铁电材料，吸引众多研究者的目光。

3、铪基铁电材料主要以hfo2材料为主。通过掺杂的方式可以使铁电材料展现出较优的铁电特性，其中常用的铪基铁电材料为zr掺杂hfo2(hzo)。hzo铁电薄膜包括中心对称的单斜相(m相)和四方相(t相)，以及非中心对称的正交相(o相)。其中铁电材料的铁电相主要来源于非中心对称的o相。但是值得注意的是，非中心对称的o相为非热力学稳定相。因此需要稳定铁电相，抑制铁电o相的转换，提高铁电相的含量，从而提高器件剩余极化强度值和稳定性。由于o相的体自由能和表自由能在t相与m相之间，且在界面处表自由能的贡献大于体自由能，因此，界面调控对稳定铁电相、提高o相含量、提高器件剩余极化强度以及稳定性有着至关重要的作用。

4、对于铪基铁电器件，降低界面缺陷浓度，提高界面质量，可以达到提高o相转换率并提高其铁电性和循环稳定性的目的。chen等人提出用nh3处理下电极的方法来减少电极与铁电层界面处的氧空位(k.-y.chen,p.-h.chen,r.-w.kao,y.-x.lin,y.-h.wu.impactofplasma treatment on reliability performance for hfzrox-based metal-ferroelectric-metal capacitors.ieee electron device letters,2018,39(1):87-90)。他们的结果表明，下电极经nh3处理后，提高了铁电相的含量，铪基铁电器件的剩余极化强度提升至30μc/cm2。然而，nh3处理后会导致底电极n元素过多。富n底电极在循环过程中会导致n元素向hzo薄膜转移，进而实现铁电薄膜的n元素掺杂。n元素掺杂会导致hzo薄膜内缺陷增加，抑制铁电相的转换，增加铁电器件漏电流等问题。尽管研究了各种不同插层对hzo薄膜与电极界面情况的影响，但插层对于改善hzo薄膜与电极之间界面质量的机理，还需要进行进一步的研究。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铪基铁电器件及其制备方法，其目的在于，在不影响铪基铁电器件其他性能的条件下提高铁电相含量的技术问题。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种铪基铁电器件，包括：从上到下依次分布的上电极层、铪基铁电功能层和下电极层；

3、其中，下电极层为上表面经过氧化处理后的电极层。

4、进一步优选地，氧化时间为60～600s。

5、进一步优选地，氧化时间为300s。

6、进一步优选地，下电极层为对金属氮化物的上表面进行氧化处理后的电极层，包括：tin或tan。

7、进一步优选地，上电极层的材料为金属或金属氮化物，包括：pt、tin、w、ru、ir、au、tan、ni中的任意一种。

8、进一步优选地，铪基铁电功能层的材料为hfxzryo2铁电材料；其中，x和y均为正数，且x+y<1。

9、第二方面，本发明提供了一种铪基铁电器件的制备方法，包括：

10、制备下电极层，并对下电极层的上表面进行氧化处理；

11、在下电极层之上制备铪基铁电功能层；

12、在铪基铁电功能层之上制备上电极层，得到铪基铁电器件，并对铪基铁电器件进行退火处理。

13、进一步优选地，氧化时间为60～600s。

14、进一步优选地，氧化时间为300s。

15、进一步优选地，进一步优选地，下电极层的材料为金属氮化物，包括：tin或tan。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

17、1、本发明提供了一种铪基铁电器件，包括从上到下依次分布的上电极层、铪基铁电功能层和下电极层；其中，下电极层为上表面经过氧化处理后的电极层。通过对下电极和铪基铁电功能层界面进行改进，通过氧化处理下电极的方式在下电极和铪基铁电功能层界面处形成一层富氧层，实现了下电极和铁电层界面化学组分的调节，减少了铁电层及其异质界面的氧空位缺陷，补偿了界面处缺失氧，抑制了铁电o相的转换，降低了器件漏电流和极化翻转势垒，在不影响铪基铁电器件其他性能的条件下提高了铁电相含量。

18、2、进一步地，本发明所提供的铪基铁电器件，通过对金属氮化物下电极氧化处理60～600s，富氧插层会在沉积hfo2薄膜的过程中明显弥补铪基铁电功能层/下电极界面化学组分缺失的问题，从而获得界面质量更高的hzo薄膜，达到稳定铁电相的目的，显著降低了器件漏电流，大大提升了器件稳定性。

19、3、除此之外，本发明所提供的铪基铁电器件，解决了由于ald制备工艺中无法避免的界面缺陷状态所带来的问题。富氧插层补偿界面处缺失氧，在界面处形成了化学计量比接近于1：2的hfo2层，提升了界面质量，诱导了hzo薄膜的结晶方向，最终降低了器件的漏电流，提升了器件的循环稳定性。

技术特征：

1.一种铪基铁电器件，其特征在于，包括：从上到下依次分布的上电极层、铪基铁电功能层和下电极层；

2.根据权利要求1所述的铪基铁电器件，其特征在于，氧化时间为60～600s。

3.根据权利要求2所述的铪基铁电器件，其特征在于，氧化时间为300s。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述下电极层为对金属氮化物的上表面进行氧化处理后的电极层，包括：tin或tan。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述上电极层的材料为金属或金属氮化物，包括：pt、tin、w、ru、ir、au、tan、ni中的任意一种。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述铪基铁电功能层的材料为hfxzryo2铁电材料；其中，x和y均为正数，且x+y<1。

7.一种铪基铁电器件的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的铪基铁电器件的制备方法，其特征在于，氧化时间为60～600s。

9.根据权利要求8所述的铪基铁电器件的制备方法，其特征在于，氧化时间为300s。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的铪基铁电器件的制备方法，其特征在于，所述下电极层的材料为金属氮化物，包括：tin或tan。

技术总结
本发明公开了一种铪基铁电器件及其制备方法，属于微电子器件技术领域；包括从上到下依次分布的上电极层、铪基铁电功能层和下电极层；其中，下电极层为上表面经过氧化处理后的电极层。通过对下电极和铪基铁电功能层界面进行改进，通过氧化处理下电极的方式在下电极和铪基铁电功能层界面处形成一层富氧层，实现了下电极和铁电层界面化学组分的调节，减少了铁电层及其异质界面的氧空位缺陷，补偿了界面处缺失氧，抑制了铁电o相的转换，降低了器件漏电流和极化翻转势垒，在不影响铪基铁电器件其他性能的条件下提高了铁电相含量。

技术研发人员：孙华军,白娜,汪宇凡,缪向水
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19