一种测量铁电薄膜负电容的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量铁电薄膜负电容的方法。本发明专利技术包括以下步骤：①通过脉冲激光沉积方法，制备不同厚度铪锆摩尔比为1：1的HZO铁电薄膜；②对HZO铁电薄膜电容器进行电学性能分析。本发明专利技术通过分析不同厚度HZO铁电薄膜的退极化电场随外加电压的变化，获得一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法。本发明专利技术能够有效地判断铁电薄膜在外电场作用下是否呈现出负电容效应，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好，本发明专利技术对超低功耗MOS结构场效应晶体管的设计具有很好的指导意义。

A method of measuring the negative capacitance of ferroelectric film

【技术实现步骤摘要】
一种测量铁电薄膜负电容的方法
本专利技术涉及微电子材料与器件领域，特别涉及一种测量铁电薄膜负电容的方法。
技术介绍
随着铁电薄膜和半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学的兴起，研制出了基于HZO(铪锆氧)铁电薄膜的铁电存储器，相比于一般的半导体存储器，它具有非易失性、高速度、操作电压低和与MOS工艺兼容等特点，氧化铪薄膜由于在薄膜厚度薄的情况下仍然具有良好的铁电性能而成为近些年学术界和产业界关注的焦点。在2009年，国际半导体发展路线图曾指出，由于晶体管尺寸不断缩小、集成度不断提高而使得芯片的功耗不断增加将是人们面临的一个非常严峻的问题。无论是处理器引擎数量，还是逻辑器件与存储器件总的数量都会随着时间的推移呈指数不断增加，导致逻辑器件与存储器件总的功耗会远远超过规定的幅值。这个问题的难点在于很难降低晶体管的亚阈值摆幅(SubthresholdSwing)。亚阈值摆幅，又称S因子，是MOSFET在亚阈状态工作时用作为逻辑开关时的一个重要参数，定义S＝dVgs/d(logId)，在数值上等于改变一个数量级的沟道电流所需要的栅极电压，它在室温下的理论最小值为60mV/decade。为了提高晶体管在亚阈值区的工作速度，就应当使得S越小越好。当铁电薄膜呈现出负电容效应时，就有可能使得S在室温下小于60mV/decade。然而，如何使其有效呈现负电容效应并对其进行表征，从而获得理想的亚阈值摆幅，需要对铁电薄膜进行有效的调控，并先获得良好的铁电性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法，从而获得理想的晶体管器件亚阈值摆幅，对低功耗MOS场效应晶体管的设计具有很好的指导意义。本专利技术的技术方案为：一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法，利用不同厚度的HZO靶材制备HZO铁电薄膜电容器，所述的HZO铁电薄膜电容器的制备包括采用脉冲激光沉积法对HZO靶材进行溅射，在TiN导电介质/硅衬底结构上沉积HZO薄膜，HZO靶材的铪锆摩尔比为1：1，测试所获得的不同厚度的铁电薄膜的退极化电场随外加电场的变化情况，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好。所述的HZO铁电薄膜电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)衬底处理清洗p型单面抛光硅衬底；(2)底电极的制备；采用脉冲激光沉积法在衬底上生长TiN导电层，得到TiN导电介质/SiO2/Si衬底结构；(3)HZO铁电薄膜的制备用脉冲激光沉积法对铪锆摩尔比为1:1的HZO靶材进行溅射，在TiN导电层上沉积HZO铁电薄膜，得到HZO铁电薄膜/TiN导电介质/Si衬底结构；(4)顶电极的制备在HZO铁电薄膜层上利用小型离子溅射仪生长TiN电极，得到TiN/HZO/TiN/SiO2/Si结构；(5)HZO铁电薄膜电容器的制备再进行快速退火，退火温度为550～600℃，升温速率为20～25℃/s，保温时间为45～60s，即得到HZO铁电薄膜电容器。进一步地，步骤(1)中，衬底清洗包括如下步骤：①氢氟酸漂洗4～8分钟；②在乙醇中超声清洗8～20分钟；③在去离子水超声清洗15～20分钟，冲洗掉表面附着的乙醇；④气枪吹干表面，炉内烘干，备用。进一步地，步骤(2)中，TiN导电层的厚度为8～12nm。进一步地，步骤(3)中，HZO铁电薄膜沉积的条件为：衬底温度为450～500℃，溅射功率为2.37W，溅射频率为10Hz，氧压为150mTorr，溅射时间为5～30min。为了分析所得铁电薄膜电容及晶体管器件的性能，采用铁电压电材料测试系统对电容器的硅表面电势-栅电压(ψs-Vg)特性和退极化电场-栅电压(Ed-Vg)特性、对晶体管的沟道电流-栅电压(Id-Vg)特性进行测试。测试结果表明，本专利技术以铪锆摩尔比为1：1的HZO薄膜最终制得的电容器为金属-铁电-金属-绝缘体-半导体(MFMIS)结构。本专利技术能够获得铁电性能较好的HZO铁电薄膜，通过测试铪锆比为1：1的铁电薄膜包括硅表面电势-栅电压(ψs-Vg)特性、退极化电场-栅电压(Ed-Vg)特性以及场效应晶体管的转移特性，通过对铁电薄膜电容器电学性能的表征与分析得到负电容效应，通过对场效应晶体管的转移特性的表征与分析得到相应的亚阈值特性。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术通过协调HZO的铪锆比和厚度等，获得了非常好的负电容，且能够获得不同厚度引起的稳定规律性变化，从而本专利技术能够提供一种测量铁电薄膜负电容的良好方法，在设计负电容场效应晶体管时，对如何选择HZO铁电薄膜厚度提供了良好的理论依据。(2)本专利技术通过获得最佳的铁电薄膜负电容来降低MOS结构场效应晶体管的亚阈值摆幅，提高其开/关转换速度，达到降低其操作电压和功耗的目的。附图说明图1为本专利技术制备HZO铁电薄膜电容器的过程示意图。图2为在不同栅氧化物厚度下栅电压和表面电势及沟道电流之间的关系示意图。图3为在不同栅氧化物厚度下栅电压和退极化电场及铁电层电场之间的关系示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明，附图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。实施例1HZO铁电薄膜电容器的制备(1)在SiO2/Si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的TiN导电层，得到TiN导电介质/硅衬底结构，所得TiN导电介质/二氧化硅/硅衬底结构如图1a所示，10表示单晶硅衬底，11表示缓冲层，12表示TiN导电介质层。(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的HZO靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37W、溅射频率为10Hz、氧压为150mTorr、溅射时间为10min的条件下，在TiN导电介质层上沉积HZO薄膜，得到厚度为50nm的HZO铁电薄膜，13表示HZO铁电薄膜层；(3)用脉冲激光沉积法在HZO铁电薄膜上形成10nmTiN层作为上电极，即图1c中的14，从而制备成HZO铁电薄膜电容器；(4)用铁电压电材料测试系统对电容器的电学性能进行测试。实施例2HZO铁电薄膜电容器的制备(1)在SiO2/Si基底上，通过脉冲激光沉积技术生长厚度为10nm的TiN导电层，得到TiN导电介质/二氧化硅/硅衬底结构。(2)用脉冲激光沉积技术对铪锆摩尔比为1:1的HZO靶材进行溅射，在衬底温度为500℃、溅射功率为2.37W、溅射频率为10Hz、氧压为150mTorr、溅射时间为15min的条件下，在TiN导电介质层上沉积HZO薄膜，得到厚度为100nm的HZO铁电薄膜；(3)用脉冲激光沉积法在HZO铁电薄膜上形成10nmTiN层作为上电极，从而制备成HZO铁电薄膜电容器；(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法，其特征在于，利用不同厚度的HZO靶材制备HZO铁电薄膜电容器，所述的HZO铁电薄膜电容器的制备包括采用脉冲激光沉积法对HZO靶材进行溅射，在TiN导电介质/硅衬底结构上沉积HZO薄膜，HZO靶材的铪锆摩尔比为1：1，测试所获得的不同厚度的铁电薄膜的退极化电场随外加电场的变化情况，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好。/n

【技术特征摘要】
1.一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法，其特征在于，利用不同厚度的HZO靶材制备HZO铁电薄膜电容器，所述的HZO铁电薄膜电容器的制备包括采用脉冲激光沉积法对HZO靶材进行溅射，在TiN导电介质/硅衬底结构上沉积HZO薄膜，HZO靶材的铪锆摩尔比为1：1，测试所获得的不同厚度的铁电薄膜的退极化电场随外加电场的变化情况，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好。


2.根据权利要求1所述的测量HZO铁电薄膜负电容的方法，其特征在于，所述的HZO铁电薄膜电容器的制备，包括如下步骤：
(1)衬底处理
清洗p型单面抛光硅衬底；
(2)底电极的制备
采用脉冲激光沉积法在衬底上生长TiN导电层，得到TiN导电介质/SiO2/Si衬底结构；
(3)HZO铁电薄膜的制备
用脉冲激光沉积法对铪锆摩尔比为1:1的HZO靶材进行溅射，在TiN导电层上沉积HZO薄膜，得到HZO铁电薄膜/TiN导电介质/Si衬底结构；
(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖永光，谭逢前，燕罗，唐明华，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43