一种基于HfO2/ZrO2或HfO2/Al2O3超晶格铁电忆阻器及其制备制造技术

本发明专利技术属于微电子器件技术领域，公开了一种超晶格铁电忆阻器，包括自下而上依次堆叠的下电极层、功能层和上电极层，其中，所述功能层是由至少一个超晶格单元构成的超晶格功能层，每一个超晶格单元是由第一功能材料和第二功能材料自下而上依次堆叠形成；该功能层中任意一个由第一功能材料或第二功能材料形成的子功能层的厚度均满足0.6

【技术实现步骤摘要】
一种基于HfO2/ZrO2或HfO2/Al2O3超晶格铁电忆阻器及其制备


[0001]本专利技术属于微电子器件
，更具体地，涉及一种基于HfO2/ZrO2或HfO2/Al2O3超晶格铁电忆阻器及其制备方法，该超晶格薄膜具有高介电常数、低界面陷阱电荷以及高热稳定性等优势，有利于增加器件薄膜铁电相含量，促进薄膜极化翻转并提高器件铁电性能。与此同时，HfO2与ZrO2(或Al2O3)子功能层间存在氧空位缺陷和势垒，促使器件同时兼具优异的忆阻特性。

技术介绍

[0002]后摩尔时代的到来伴随着元件尺寸微缩逐渐趋于物理极限，导致器件成本、速度和功耗的提高。数据的存储单元数目远低于处理单元，再加上存储速度之间的频繁交换带来了延迟和功耗，导致冯
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诺依曼瓶颈的存储墙和功耗墙问题。制备低功耗、性能稳定且适用于“存算一体化”的非易失性存储器件成为突破冯诺依曼瓶颈的最佳解决方案。
[0003]铁电存储器作为新兴存储技术，通过施加外加电场的方式实现器件电极化翻转进而达到器件非易失性存储的目的。因其高读写速度、低功耗与传统CMOS工艺兼容等优点在存储、逻辑运算和神经网络计算等领域有着广泛应用潜力。传统铁电材料PbZrTiO3和BaTiO3已经实现在硅基MOSFET器件中的应用，但是存在与CMOS兼容和器件尺寸减小铁电性退化等问题。HfO2和ZrO2作为一种高K材料被认为是与CMOS兼容的理想高介质材料。
[0004]HfO2分别存在单斜相、四方相和立方相。纯HfO2为稳定存在的单斜相，其原子中心对称导致薄膜没有铁电性能。通过退火、掺杂等方式可以实现不同相之间的转变，形成非中心对称的四方相和立方相，进而实现器件的铁电性能。Michael Hoffmann等人(M.Hoffmann,Nano Energy.18,(2015))通过Si掺杂HfO2的方式获得极化强度为10uC/cm2的铁电器件。Stefan Mueller等人(Mueller,S，Adv.Funct.Mater.22:2412
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2417，2012)则制备了Al掺杂HfO2的方式获得极化强度为5uC/cm2的铁电器件。但是由于Si、Al等元素介电常数较低导致氧化铪薄膜介电常数降低，不同浓度的掺杂因为晶格失配而导致薄膜内部缺陷较多，器件的漏电流增加，器件不能够形成稳定的四方相/立方相氧化铪且铁电性能较弱。因此，制备具有高介电常数，低漏电流且能形成稳定铁电性能的铁电器件具有重要的研究意义。
[0005]另一方面，超晶格材料是两种晶格匹配度较高的材料以几纳米到几十纳米的薄层交替生长并保持严格周期性排列的多层膜。由于超晶格独特的量子力学效应，可以作为缓冲层提高相变存储器性能，例如，通过制备Sb2Te3/Bi2Te3超晶格结构作为缓冲层应用于相变存储器(中国专利申请《一种具有超晶格结构缓冲层的相变存储单元及制备方法》，CN112909162A)。与此同时，超晶格结构可以有效提供薄膜晶界进而引导导电细丝的形成路径应用于忆阻器，提高器件的一致性(中国专利申请《一种具有类超晶格材料功能层的忆阻器及其制备方法》，CN113078262A)。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于HfO2/ZrO2或HfO2/Al2O3超晶格铁电忆阻器及其制备，其中通过对器件功能层结构及组成进行改进，区别于传统金属掺杂HfO2基铁电忆阻器，本专利技术采用堆叠生长超晶格HfO2层和ZrO2层(或Al2O3层)作为铁电忆阻器功能层，具有良好的铁电性和忆阻特性。该功能层基于HfO2/ZrO2超晶格结构或HfO2/Al2O3超晶格结构，利用HfO2和ZrO2(或Al2O3)原子半径相等，晶体结构、晶格参数相似，具有较高的晶格匹配度，并且，较强的Hf
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O键和Zr
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O键(或Al
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O键)可以很好的保持器件的剩余极化强度，实现非易失性存储；而超晶格界面间的应力更有利于诱导铁电相形成，界面间势垒可以有效束缚电子、粒子的自由扩散，有效防止极化子中和以及相分离，提高铁电的疲劳特性，与此同时又为导电细丝的迁移提供有效形成路径，稳定器件忆阻特性。利用HfO2/ZrO2(或HfO2/Al2O3)超晶格薄膜电学特性，器件可以在
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3V
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3V的电压范围内稳定循环30圈忆阻特性。并且，本专利技术尤其可通过简单的退火处理，使器件可以同时展现出铁电性和忆阻特性，对高性能铁电忆阻器及存储器的制备提供重要的理论指导和技术支撑。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种超晶格铁电忆阻器，其特征在于，包括自下而上依次堆叠的下电极层、功能层和上电极层，其中，所述功能层是由至少一个超晶格单元构成的超晶格功能层，每一个超晶格单元是由第一功能材料和第二功能材料自下而上依次堆叠形成，并且，该功能层中任意一个由第一功能材料或第二功能材料形成的子功能层的厚度均满足0.6
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5nm；该超晶格铁电忆阻器具体为基于HfO2/ZrO2的超晶格铁电忆阻器或基于HfO2/Al2O3的超晶格铁电忆阻器，所述第一功能材料为四方相和/或立方相的HfO2，所述第二功能材料为ZrO2或Al2O3。
[0008]作为本专利技术的进一步优选，所述超晶格铁电忆阻器还经过了退火处理，退火温度为500℃－800℃；退火时间为20s
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300s；
[0009]优选的，所述退火温度为650℃，所述退火时间为30s。
[0010]作为本专利技术的进一步优选，所述超晶格铁电忆阻器能够通过直流电压调节和限制电流调节使所述超晶格功能层的内部极化方向翻转或内部氧空位迁移，实现该超晶格铁电忆阻器高阻值与低阻值的切换调控；其中，所述直流电压调节是在
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5V～5V范围内变化，所述限制电流调节在10uA～10mA范围内变化；
[0011]优选的，所述直流电压调节范围为
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3V～3V,所使用的限制电流为10mA。
[0012]作为本专利技术的进一步优选，所述超晶格铁电忆阻器还通过脉冲振幅和频率调节所述超晶格功能层内部铁电畴翻转方向，实现该超晶格铁电忆阻器的非易失性铁电特性；其中，脉冲振幅控制为1V
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4V，脉冲频率控制为100Hz
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5kHz；
[0013]更优选的，所述脉冲振幅和频率调节所施加的脉冲信号为三角脉冲，脉冲振幅为4V，频率为1kHz。
[0014]作为本专利技术的进一步优选，所述功能层中所述超晶格单元的数量为2n个，n为大于等于1、且小于等于5的整数。
[0015]作为本专利技术的进一步优选，所述n等于3，所述功能层是由HfO2子功能层、ZrO2子功能层、HfO2子功能层、ZrO2子功能层、HfO2子功能层及ZrO2子功能层这6层子功能层自下而上依次堆叠形成的；
[0016]或者，所述n等于3，所述功能层是由HfO2子功能层、Al2O3子功能层、H本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超晶格铁电忆阻器，其特征在于，包括自下而上依次堆叠的下电极层、功能层和上电极层，其中，所述功能层是由至少一个超晶格单元构成的超晶格功能层，每一个超晶格单元是由第一功能材料和第二功能材料自下而上依次堆叠形成，并且，该功能层中任意一个由第一功能材料或第二功能材料形成的子功能层的厚度均满足0.6
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5nm；该超晶格铁电忆阻器具体为基于HfO2/ZrO2的超晶格铁电忆阻器或基于HfO2/Al2O3的超晶格铁电忆阻器，所述第一功能材料为四方相和/或立方相的HfO2，所述第二功能材料为ZrO2或Al2O3。2.如权利要求1所述超晶格铁电忆阻器，其特征在于，所述超晶格铁电忆阻器还经过了退火处理，退火温度为500℃－800℃；退火时间为20s
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300s；优选的，所述退火温度为650℃，所述退火时间为30s。3.如权利要求1所述超晶格铁电忆阻器，其特征在于，所述超晶格铁电忆阻器能够通过直流电压调节和限制电流调节使所述超晶格功能层的内部极化方向翻转或内部氧空位迁移，实现该超晶格铁电忆阻器高阻值与低阻值的切换调控；其中，所述直流电压调节是在
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5V～5V范围内变化，所述限制电流调节在10uA～10mA范围内变化；优选的，所述直流电压调节范围为
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3V～3V,所使用的限制电流为10mA。4.如权利要求1所述超晶格铁电忆阻器，其特征在于，所述超晶格铁电忆阻器还通过脉冲振幅和频率调节所述超晶格功能层内部铁电畴翻转方向，实现该超晶格铁电忆阻器的非易失性铁电特性；其中，脉冲振幅控制为1V
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4V，脉冲频率控制为100Hz
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5kHz；更优选的，所述脉冲振幅和频率调节所施加的脉冲信号为三角脉冲，脉冲振...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙华军，白娜，王文琳，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：