一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件及制造方法与流程

本发明属于存储器，具体涉及一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件及制造方法。

背景技术：

1、在这个信息高速增长的时代，个人电脑、物联网设备和人工智能计算无时无刻不在产生大量数据。在传统的冯诺依曼架构下，存储和计算的分离直接导致内存和cpu之间的数据传输效率低下，从而产生了内存墙和功耗墙等问题。虽然动态随机存取存储器(dram)和闪存(nand flash)在过去几十年中得到了快速发展，但相比于cpu等数字计算芯片，存储芯片制程缩小速度较慢，设备性能的提升非常困难，它们的缺点也越来越明显。dram虽然读写速度快、成本低，但属于易失性存储器，断电后无法保存数据，且由于需要一直刷新，功耗相对较高，限制了其在一些低功耗领域的应用。对于闪存来说，三维结构的出现提高了其密度，使其性能显著提升。但是读写速度慢、耐用性差的问题仍有待改进。

2、铁电随机存取存储器(feram)具有功耗低(<100fj/bit)、写入速度快(～10ns)、数据保持时间长(超过10年)和耐久性好(>1014次循环)等特点，因此被认为是一类非常有潜力的新型存储器。第一代铁电存储器是基于钙钛矿结构的复合氧化物铁电薄膜，如pbzrxti1-xo3(pzt)、batio3(bto)和srbi2ta2o9(sbt)。但是由于钙钛矿材料在低于100nm以下铁电性急剧衰退、3d结构较难实现且与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺的兼容性较差等问题，铁电存储器的商业化仅限于技术节点为130纳米的利基市场。第二代铁电存储器为基于氧化铪(hfo2)薄膜的铁电薄膜，最常见的薄膜类型为铪锆氧(即在氧化铪中掺杂50％的氧化锆，hzo)，与第一代铁电存储器相比，基于铪锆氧的铁电存储器在厚度小于5nm时仍能表现出显著的铁电性，且其与cmos工艺具有良好的兼容性。

3、尽管基于铪锆氧的铁电存储器具备这些优势，但想在130nm甚至更先进的制程下实现商业化，仍面临一些挑战。目前最大的难题是如何使得存储器在低电压(1.8v及以下)具备较好铁电性的同时又能有较好的循环寿命(耐用性)。然而，常规工艺下存储器耐久性的提高往往伴随着剩余极化强度的降低，从而导致器件在低电压下的性能进一步下降。这个问题严重限制了基于氧化铪的铁电存储器的商业化。

4、现有技术中，一般采取减小铪锆氧薄膜的厚度来提升其在低电压下的铁电性和循环寿命。在现有方案中，凭借4nm的铪锆氧薄膜，制备了在低电压下具有一定铁电性(2pr～23μc/cm2)的铁电电容，同时循环寿命可以达到1010次。但是该电容的铁电性仍相对较小(普通铁电存储器2pr>30μc/cm2)，漏电流较大(1.2v工作电压下漏电流约10-5a)，唤醒行为也更为突出，需要在额外的高电压下循环以实现前期的唤醒(约2v)，因此仍很难应用在商用领域。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的低电压下性能差、耐用性差、疲劳效应明显以及难以唤醒的问题，本发明目的在于提供一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件及制造方法。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，包括顶电极层、中间介质层以及底电极层，顶电极层设置于中间介质层的顶部，底电极层设置于中间介质层的底部，中间介质层包括若干层氧化铪薄膜，氧化铪薄膜包括铁电性氧化铪薄膜和反铁电性氧化铪薄膜。

4、进一步地，顶电极层和底电极层均为金属电极层。

5、进一步地，中间介质层包括2n+1层氧化铪薄膜，2n+1层氧化铪薄膜由n+1层铁电性氧化铪薄膜和n层反铁电性氧化铪薄膜构成，其中，n为[1,5]范围内的整数。

6、进一步地，n+1层铁电性氧化铪薄膜和n层反铁电性氧化铪薄膜交替设置，位于顶端的铁电性氧化铪薄膜的顶部与顶电极层的底部连接，位于底端的铁电性氧化铪薄膜的底部与顶电极层的顶部连接。

7、进一步地，铁电性氧化铪薄膜的铪物质和锆物质的含量比例为1:1。

8、进一步地，反铁电性氧化铪薄膜的铪物质和锆物质的含量比例为1:3。

9、一种铁电存储器件的制造方法，应用于基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，铁电存储器件包括顶电极层、中间介质层以及底电极层，中间介质层包括2n+1层氧化铪薄膜，制造方法包括如下步骤：

10、在衬底的顶部，制备底电极层；

11、在底电极层的顶部，依次制备2n+1层氧化铪薄膜，得到中间介质层；

12、在中间介质层的顶部，制备顶电极层，得到铁电存储器件。

13、进一步地，依次制备底电极层、中间介质层以及顶电极层。

14、进一步地，在底电极层的顶部，依次制备2n+1层氧化铪薄膜，得到中间介质层，包括如下步骤：

15、在底电极层或反铁电性氧化铪薄膜的顶部，控制铪物质前驱体和锆物质前驱体的通入量，将铪物质和锆物质的含量比例设置为1:1，并制备一层铁电性氧化铪薄膜；

16、在铁电性氧化铪薄膜的顶部，控制铪物质前驱体和锆物质前驱体的通入量，将铪物质和锆物质的含量比例设置为1:3，并制备一层反铁电性氧化铪薄膜；

17、重复上述步骤，直到制备出交替设置的n+1层铁电性氧化铪薄膜和n层反铁电性氧化铪薄膜，得到中间介质层。

18、进一步地，在中间介质层的顶部，沉积顶电极层，得到铁电存储器件，包括如下步骤：

19、在位于顶端的铁电性氧化铪薄膜的顶部，制备初始的顶电极层；

20、根据预设图案，使用光刻刻蚀方法，对初始的顶电极层进行光刻刻蚀，得到最终的顶电极层；

21、基于制备完毕的底电极层、中间介质层以及最终的顶电极层，得到铁电存储器件。

22、本发明的有益效果为：

23、本发明提供的一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件及制造方法，在1.8v甚至更低的工作电压下实现较好的铁电性、优良的循环寿命、无明显的疲劳效应、较小的漏电流，同时该器件不需要额外的高电压进行唤醒。

24、本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。

技术特征：

1.一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，其特征在于：包括顶电极层(1)、中间介质层(2)以及底电极层(3)，所述的顶电极层(1)设置于中间介质层(2)的顶部，所述的底电极层(3)设置于中间介质层(2)的底部，所述的中间介质层(2)包括若干层氧化铪薄膜，所述的氧化铪薄膜包括铁电性氧化铪薄膜(201)和反铁电性氧化铪薄膜(202)。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，其特征在于：所述的顶电极层(1)和底电极层(3)均为金属电极层。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，其特征在于：所述的中间介质层(2)包括2n+1层氧化铪薄膜，2n+1层所述的氧化铪薄膜由n+1层铁电性氧化铪薄膜(201)和n层反铁电性氧化铪薄膜(202)构成，其中，n为[1,5]范围内的整数。

4.根据权利要求3所述的一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，其特征在于：所述的n+1层铁电性氧化铪薄膜(201)和n层反铁电性氧化铪薄膜(202)交替设置，位于顶端的铁电性氧化铪薄膜(201)的顶部与顶电极层(1)的底部连接，位于底端的铁电性氧化铪薄膜(201)的底部与顶电极层(1)的顶部连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，其特征在于：所述的铁电性氧化铪薄膜(201)的铪物质和锆物质的含量比例为1:1。

6.根据权利要求1所述的一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，其特征在于：所述的反铁电性氧化铪薄膜(202)的铪物质和锆物质的含量比例为1:3。

7.一种铁电存储器件的制造方法，应用于如权利要求1-6任一所述的基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件，所述的铁电存储器件包括顶电极层、中间介质层以及底电极层，所述的中间介质层包括2n+1层氧化铪薄膜，其特征在于：所述的制造方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种铁电存储器件的制造方法，其特征在于：依次制备底电极层、中间介质层以及顶电极层。

9.根据权利要求8所述的一种铁电存储器件的制造方法，其特征在于：在底电极层的顶部，依次制备2n+1层氧化铪薄膜，得到中间介质层，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种铁电存储器件的制造方法，其特征在于：在中间介质层的顶部，沉积顶电极层，得到铁电存储器件，包括如下步骤：

技术总结
本发明属于存储器技术领域，公开了一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件及制造方法。所述的铁电存储器件包括顶电极层、中间介质层以及底电极层，顶电极层设置于中间介质层的顶部，底电极层设置于中间介质层的底部，中间介质层包括若干层氧化铪薄膜，氧化铪薄膜包括铁电性氧化铪薄膜和反铁电性氧化铪薄膜。所述的制造方法包括如下步骤：在衬底的顶部，制备底电极层；在底电极层的顶部，依次制备2n+1层氧化铪薄膜，得到中间介质层；在中间介质层的顶部，制备顶电极层，得到铁电存储器件。本发明解决了现有技术存在的低电压下性能差、耐用性差、疲劳效应明显以及难以唤醒的问题。

技术研发人员：任天令,杨煜哲,刘厚方,许文嘉,郭一达,张盛,李昌荣
受保护的技术使用者：晶铁半导体技术（广东）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27