一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法；本发明专利技术的制备方法如下：首先，在Si/SiO2衬底上采用磁控溅射沉积形成底电极，然后，采用原子层沉积技术生长ZrO2籽晶层，在籽晶层上依次生长氧化铪基铁电薄膜和氧化铝覆盖层，并采用快速热退火形成铁电相，最后利用光刻、电子束蒸发、剥离制备顶电极得到铁电电容器。在本发明专利技术的电容存储器结构中，通过添加氧化锆ZrO2作为氧化铪基铁电薄膜的籽晶层，来优化氧化铪基铁电薄膜与底电极之间的界面，增加了退火后铁电薄膜中铁电相的成分，实现高性能的电容存储功能。性能的电容存储功能。性能的电容存储功能。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铁电存储器
，特别涉及一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于具有非易失性、较优的铁电性以及互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容性，氧化铪基铁电材料被广泛应用于铁电存储器中。然而，由于氧化铪铁电相需要借助快速热退火工艺形成，且结晶后铁电相的比例与退火温度和退火时间有直接的关系，受此因素的影响，氧化铪基铁电薄膜在低热预算工艺下很难呈现出较好的铁电性，进而导致氧化铪基铁电电容器存在铁电性差、可靠性低等问题，这也在一定程度上限制了氧化铪基铁电材料及器件在后道工艺中的应用。
[0003]因此，为了兼顾工艺热预算和器件性能，需要构建高质量种子层，来诱导氧化铪基铁电材料在退火过程中形成更多的铁电相。近年来，部分研究通过引入高介电常数薄膜种子层一定程度上提高了器件的特性。然而，目前已有的研究中大都基于高温工艺所进行，部分在后道工艺下进行的研究则体现出开启电压高、铁电性差、可靠性差等问题，使器件难以在性能和工艺之间取得好的平衡。所以，采用适当厚度的晶格匹配的氧化锆材料作为种子层，可以为氧化铪基铁电材料的生长提供更多的生长位点，且能在退火中诱导更多的铁电相，将有利于实现铁电性和工艺热预算兼得的铁电器件。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法，通过构建晶格匹配的氧化锆种子层优化氧化铪基铁电薄膜的生长和退火结晶的过程，从而在低工艺热预算下获得性能优异的铁电电容存储器。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0006]一种氧化铪基铁电电容器，其包括衬底、衬底上从下往上依次为底电极、ZrO2籽晶层、锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜层、Al2O3覆盖层和顶电极。
[0007]本专利技术中，衬底为Si/SiO2衬底。
[0008]本专利技术中，底电极W的厚度为30～50nm。
[0009]本专利技术中，ZrO2籽晶层的厚度为0.1～2nm。优选的，厚度为1～1.5nm。
[0010]本专利技术中，锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜层的厚度为10～15nm。
[0011]本专利技术中，Al2O3覆盖层的厚度为1～3nm。
[0012]本专利技术中，顶电极为上下双层结构，下层为厚度为10～15nm Ti层，上层为厚度为40～50nm的Au层。
[0013]本专利技术还提供一种上述的氧化铪基铁电电容器的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)利用磁控溅射技术，在衬底上沉积金属作为底电极；
[0015](2)利用原子层沉积技术，在步骤(1)结构基础上生长ZrO2籽晶层；
[0016](3)利用原子层沉积技术，在步骤(2)基础上生长锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜；
[0017](4)利用原子层沉积技术，在步骤(3)结构基础上生长Al2O3薄膜；
[0018](5)将步骤(4)所得的晶圆采用快速热退火工艺进行处理；
[0019](6)通过光刻、电子束蒸发技术、剥离等工艺对顶电极进行图形化形成最终器件；
[0020]本专利技术中，步骤(1)中，利用磁控溅射技术在Si/SiO2衬底上生长30～50nm的金属W作为底电极，生长过程中Ar气流量为50sccm，溅射功率为150W。
[0021]本专利技术中，步骤(2)中，利用原子层沉积生长1～2nm ZrO2籽晶层，生长工艺温度为250～280℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2s四二甲氨基锆TDMAZr脉冲，2s N2吹扫，0.2s氧等离子体脉冲，2s N2吹扫；
[0022]本专利技术中，步骤(3)中，利用原子层沉积生长10～20nm氧化铪基铁电薄膜，生长工艺温度为250～280℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2s四二甲氨基锆或四二甲氨基铪TDMAZr/TDMAHf脉冲，2s N2吹扫，0.2s氧等离子体脉冲，2s N2吹扫；
[0023]本专利技术中，步骤(4)中，利用原子层沉积生长1～2nmAl2O3薄膜，生长工艺温度为250～300℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2s三甲基铝TMA脉冲，2s N2吹扫，0.2s去离子水脉冲，2s N2吹扫；
[0024]本专利技术中，步骤(5)中，将步骤(4)晶圆在氮气氛围下进行快速热退火处理，加热速率为15～20℃/s，退火温度为330～450℃，退火时间为60～300s；
[0025]本专利技术中，步骤(6)中，采用紫外光刻定义器件电极区域；顶电极采用电子束蒸发技术生长10～15nmTi/40～50nmAu，其中Ti的沉积速率为0.16nm/s，Au的沉积速率为0.2nm/s；采用剥离工艺对步骤(6)中的晶圆进行剥离处理：首先，将晶圆浸泡于丙酮中静置至顶电极结构清晰，接着采用异丙醇浸泡去除晶圆表面残留的丙酮及其他有机物，最后采用去离子水清洗并用氮气吹干。
[0026]本专利技术的原理如下：
[0027]本专利技术通过引入具有高介电常数的ZrO2介质薄膜材料作为氧化铪铁电薄膜的籽晶层，为氧化铪铁电薄膜提供更多的生长位点，相较于其他薄膜材料，氧化锆与氧化铪铁电薄膜之间具有更好的晶格匹配系数，可以诱导氧化铪铁电薄膜在退火过程中形成更多的铁电相，实现高性能的电容存储功能。
[0028]相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0029]1、采用原子层沉积技术构建高介电常数的氧化锆籽晶层，易于大规模制备晶圆级存储器件。
[0030]2、本专利技术的氧化铪基铁电电容器的制备全过程完全后道工艺兼容。
[0031]3、本专利技术的氧化铪基铁电电容器在较低电压下具有更大的铁电极化现象，并具有较高的耐久性。
附图说明
[0032]图1是实施例1
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3中在Si/SiO2衬底上磁控溅射淀积30～50nm的金属W作为底电极所形成的结构示意图。
[0033]图2是实施例1
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3中在金属W底电极上利用原子层沉积1～2nm的ZrO2籽晶层所形成的结构示意图。
[0034]图3是实施例1
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3中在ZrO2籽晶层的结构基础上利用原子层沉积技术生长12nm的锆掺杂氧化铪(HZO)铁电薄膜所形成的结构示意图。
[0035]图4是实施例1
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3中在HZO薄膜之上利用原子层沉积技术生长2nmAl2O3薄膜所形成的结构示意图。
[0036]图5是实施例1
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3中利用紫外光刻技术定义器件电极区域之后所形成的结构示意图。
[0037]图6是实施例1
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3中所得的晶圆表面采用电子束蒸发技术生长10nmTi/50nmAu作为顶电极后所形成的结构示意图。
[0038]图7是实施例1
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3中对器件进行剥离工艺之后所形成的器件结构示意图。
[0039]图8是实施例1
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3中具有1～2nm的Z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化铪基铁电电容器，其特征在于，其包括衬底、衬底上从下往上依次为底电极、ZrO2籽晶层、氧化铪基铁电薄膜层、Al2O3覆盖层和顶电极。2.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，衬底为Si/SiO2衬底。3.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，底电极为金属W，厚度为30～50nm，ZrO2籽晶层的厚度为0.1～2nm，氧化铪基铁电薄膜层的厚度为10～15nm，Al2O3覆盖层的厚度为1～3nm，顶电极为上下双层结构，下层为厚度为10～15nmTi层，上层为厚度为40～50nm的Au层。4.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，其通过下述方法制备得到：(1)利用磁控溅射技术，在衬底上沉积金属作为底电极；(2)利用原子层沉积技术，在步骤(1)得到的结构基础上生长ZrO2籽晶层；(3)利用原子层沉积技术，在步骤(2)得到的结构基础上生长氧化铪基铁电薄膜；(4)利用原子层沉积技术，在步骤(3)得到的结构基础上生长Al2O3薄膜；(5)将步骤(4)所得的晶圆采用快速热退火工艺进行处理；(6)通过光刻、电子束蒸发技术和剥离工艺对顶电极进行图形化形成最终器件。5.一种根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用磁控溅射技术，在衬底上沉积金属作为底电极；(2)利用原子层沉积技术，在步骤(1)得到的结构基础上生长ZrO2籽晶层；(3)利用原子层沉积技术，在步骤(2)得到的结构基础上生长氧化铪基铁电薄膜；(4)利用原子层沉积技术，在步骤(3)得到的结构基础上生长Al2O3薄膜；(5)将步骤(4)所得的晶圆采用快速热退火工艺进行处理；(6)通过光刻、电子束蒸发和剥离工艺对顶电极进行图形化形成最终器件。6.根据权利要求5所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红亮，刘胤池，刘文军，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：