一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备方法，具体包括：对衬底进行所述生长钨层；在所述衬底上沉积IGZO层；在所述衬底上生长钨层；在所述衬底上沉积掺杂HfO2层；对所述掺杂HfO2层进行退火处理。本发明专利技术不但具有明显的铁电滞后性，还显示出电压可调介电常数，具有明显的记忆效应，而且还可以消除忆阻阵列中的潜行路径电流问题，具有比忆阻器更低的开启电压、更低功耗。更低功耗。更低功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微电子器件领域，公开了一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在2008年忆阻器与忆阻系统大会上进一步拓展了忆阻概念，将记忆系统的概念扩展到容性和感性元件中，忆容器(Memcapacitor)即是容性元件中的典型。与忆阻器相比，集纳米尺寸、低功耗、集成密度高以及非线性特性与一身的忆容器同样适用于存储、人工神经网络、非线性科学等领域。然现有关忆容器的报道极少，许多是忆容器的理论研究以及建立在各种数学模型上的仿真模拟，至今为止尚没有实际可用的忆容器。现有研究指出：忆容器不但具有忆阻器的所有优点，还可以消除忆阻阵列中的潜行路径电流问题(sneak
‑
pathcurrents)，且具有比忆阻器更低的开启电压、更低功耗，忆容器在Boolean逻辑和低功耗模拟应用中都具有巨大的潜力，因此在下一代新型非易失性存储器中更具发展前景，被认为是最有可能延续摩尔定律的新型元件。
[0003]铁电介质材料电容器目前报道的有PZT基电容器和Hf
0.5
Zr
0.5
O2基铁电电容器。两者都具有明显的铁电滞后性，前者还显示出电压可调介电常数，可调范围达到ε
r
＝82ε0至330ε0，然而并未考虑其记忆效应。基于用钨作顶、底电极，底电极上沉积一层半导体的金属氧化物(IGZO)，极化材料选用Hf
0.5
Zr
0.5
O2的一种MFMS结构，可以实现良好的电荷注入与完全耗尽，具有明显的记忆效应。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术缺陷，本专利技术提供一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备的方法。
[0005]一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备的方法，具体包括：对衬底进行所述钨层生长；对沉积有所述钨层的所述衬底上沉积IGZO层；对沉积有所述IGZO层的所述衬底上生长钨层；对沉积有所述钨层的所述衬底上沉积掺杂铁电HfO2层；对沉积有所述掺杂铁电HfO2层样品进行退火处理。
[0006]在其他特征中，使用物理气相沉积电子束蒸发法沉积钨层。对所述钨层进行磁控溅射法生长4nm厚的IGZO层。在所述衬底上再生长一层较薄的钨。对所述钨层进一步进行ALD生长包含对所述HfO2层进行掺杂。对所述HfO2层进行掺杂包括ZrO2对所述HfO2层进行掺杂。对所述HfO2进行掺杂，HfO2与ZrO2掺杂比例为1：1。沉积所述掺杂HfO2层包括如下操作：利用原子层沉积技术按1：1比例生长若干循环的HfO2和ZrO
2。
所述厚度为4nm到8nm之间。沉积所述HfO2层和对所述HfO2进行所述退火处理。
[0007]在其他特征中，执行所述薄膜生长处理包括使用至多一种保护气来执行所述薄膜生长。本公开所述至多一种保护气体物质是氩(Ar)。
[0008]在其他特征中，执行所述电子束蒸发法沉积钨，沉积速率为持续时间是
20min，执行所述电子束蒸发法溅射功率为150W，腔体压强为6.7
×
10
‑3Pa。
[0009]在其他特征中，执行所述磁控溅射法生长4nm到6nm厚的IGZO层，制备样品的本底真空度均为1
×
10
‑4Pa，工作气压为0.05Pa,并调节氧气分压[O2/(Ar+O2)]的比例为5％,溅射功率为直流溅射30W，并进行15min的预溅射以及保持正式溅射时间为7min。
[0010]在其他特征中，再次通过电子束蒸发法生长钨，沉积速率为所述电极厚度为2nm到4nm之间，执行所述电子束蒸发法溅射功率为150W，腔体压强为6.7
×
10
‑3Pa。
[0011]在其他特征中，对所述钨层进一步进行ALD生长包含对所述HfO2层进行掺杂，对所述HfO2进行掺杂，HfO2与ZrO2掺杂比例为1：1，薄膜的生长温度是280℃，工艺压力为0.15torr，氧化铪与氧化锆交替沉积，共生长20个循环。
[0012]在其他特征中，对所述掺杂HfO2层进行退火包括在介700℃和750℃之间的温度下对所述掺杂HfO2层进行退火，退火步骤为在氮气保护气氛下，以10℃/min的升温速率缓慢加热到450℃，以5℃/min的速率加热至700℃，各节点保温5min，最后再以8℃/min速率加热至750℃，保温1min，随炉冷却至室温。
[0013]在上述退火之后在所述掺杂HfO2层上沉积顶部电极。所述顶部电极为钨(W)。所用仪器为电子束蒸发，真空度为6.7
×
10
‑3Pa，溅射功率为150W,沉积速率为所述电极厚度为30nm到50nm之间。
[0014]一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备方法具体包括：衬底的处理；在所述衬底上生长钨层；在所述衬底上沉积IGZO层；在所述衬底上沉积锆掺杂的HfO2层；对所述的掺杂HfO2层进行退火处理以形成铁电氧化铪。
[0015]在其他特性中，所述衬底为P型掺杂的单晶硅(p
‑
Si)，执行所述衬底处理，适量的丙酮溶液超声清洗10分钟，适量的无水乙醇超声清洗10分钟，再用去离子水超声清洗10分钟，再放入HF:H2O＝1：10的氢氟酸溶液中浸泡30s，再用去离子水超声清洗5分钟，最后烘干。
[0016]与其他制备忆容器的手段及性能相比，本专利技术的有益效果是：(1)首次实现了铁电氧化铪基MFMS结构的忆容器；(2)具有可重构性，利用电脉冲改变其电容后，只需施加反向极性电脉冲即可使电容回到初始状态；(3)具有电容可调性，只需施加低幅值方波电脉冲即可改变器件电容，此忆容器的电容值可以随着频率、脉冲幅值和刺激次数的增加而改变；(4)具有结构简单，环境友好等优点，基于铁电氧化铪基MFMS结构的忆容器，其结构为金属W
‑
氧化物介质层(IGZO)
‑
金属W
‑
介电材料Hf
0.5
Zr
0.5
O2‑
金属W。在本身具有非线性电容
‑
电压特性下，在氧化物介质层渗入具有忆阻特性的铁电氧化铪纳米晶后，当外加脉冲刺激改变铁电氧化铪的极性时，介质层内可以实现电荷的注入和完全耗尽，即介电常数将发生变化，最终器件电容也随之改变。此时，器件具有明显的电容
‑
电压回线迟滞现象，即典型的忆容特性。
附图说明
[0017]图1是本专利技术铁电基MFMS结构忆容器的结构示意图。
[0018]图2是铁电基MFMS结构忆容器器件制备方法流程图。
[0019]图3是铁电基MFMS结构忆容器器件退火方法流程图。
[0020]图4是用ALD生长Hf
0.5
Zr
0.5
O2介电薄膜层后的原子力显微镜形貌(AFM)表征图。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铁电氧化铪材料MFMS结构的忆容器及其制备方法，该方法包括：步骤一、对P型掺杂的单晶硅衬底进行所述生长钨层作底电极；步骤二、在上述衬底上沉积IGZO层；步骤三、在上述衬底上生长钨层作隔离层；步骤四、在上述衬底上沉积掺杂铁电HfO2层；步骤五、对上述锆掺杂铁电HfO2层进行退火处理；步骤六、在上述衬底上进行所述生长钨层作顶电极。2.根据权利要求1所述的方法，均使用物理气相沉积方法沉积顶、底钨电极。3.根据权利要求1所述的方法，使用磁控溅射技术生长IGZO薄膜厚度介于4nm到6nm之间。4.根据权利要求1所述的方法，使用ALD沉积技术沉积锆掺杂铁电HfO2层厚度介于4nm到8nm之间。5.根据权利要求4所述的方法，上述锆掺杂铁电HfO2层掺杂比例为HfO2：ZrO2＝1...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕少安，刘陆伟，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：