一种铁电存储器用外延应变铁电薄膜及调控其应变的方法技术

本发明专利技术公开了一种铁电存储器用外延应变铁电薄膜及调控应变的方法，主要应用于铁电存储器技术领域。即首先准备硅衬底或覆有绝缘层的硅衬底；然后在衬底上覆盖一层具有合理晶格常数的钛酸锶钡（ＢＳＴ）合金层（晶格常数范围在３．９０５～４．０？ａｎｇｓｔｒｏｍ）；其次在合金层上外延生长铁电（ＦＥ）薄膜（ＡＢ０３钙钛矿铁电、铋层状铁电或多重铁电氧化物）；最后形成ＢＳＴ／ＦＥ（１０－３０ｎｍ）／ＢＳＴ（１０－３０ｎｍ）／ＦＥ（１０－３０ｎｍ）…／ＢＳＴ多层膜结构。该结构实现了对外延铁电薄膜的应变调控作用；底层钛酸锶钡合金层生长在硅衬底或者覆有一层约５～２０ｎｍ绝缘层（如ＨｆＯ２）的硅衬底上；最终完成铁电薄膜存储器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铁电存储器
，具体涉及一种铁电存储器用外延应变铁电薄膜及调控外延铁电薄膜应变的方法。
技术介绍
传统的SRAM、DRAM、E乍ROM、FLASH等存储器都是以硅为存储介质。由于物理和工艺 上的极限，硅已经不再满足信息产业的高速发展，并且E乍ROM和FLASH都是基于电子电荷 来存储信息，在电磁波或其他射线的辐射下，可能就会导致存储信息的丢失。随着微电子产 业的发展，信息安全和知识产权保护受到广泛的重视，特别是在国防工业器件的开发上，需 要一种高效率、低成本和安全保密的存储技术，因此，寻求和开发新的存储介质尤为重要。 铁电材料是一类具有自发极化特性，并且自发极化可随电场变化进行反转并在断电时仍可 保持的介电材料，利用这种特性，可以实现数据的非挥发存储。基于铁电薄膜材料的铁电存 储器除了具有非挥发性以外，还具有高写入速度(l-100ns)、低功耗、低电压工作(l-3V)、 抗辐照性能好、高的抗疲劳特性(1(T-10"次)、超高密度的理论存储容量，日益成为科技 界、产业界和军事界等部门的研究热点。 铁电存储器的优势是毋庸置疑的，但是从目前的研究现状来看却存在几大问题亟 待解决。典型的可靠性问题即三大失效疲劳、印记和保持损失还没有克服。因此，寻求新 的制作方法和制作工艺尤为重要。在长期的研究过程中，人们总结发现界面对薄膜的性能 有极大的影响，关键的可靠性问题都与之相关。著名铁电物理学家J. F. Scott教授也指出 改善界面结构和施加高应变态是改善铁电薄膜性能行之有效的方法。外延薄膜和衬底因为 晶格失配、热失配会产生应力应变。如果能合理利用这种应变，就可避免薄膜产生大量的界 面位错，从而改善薄膜的性能。另外，应变工程已被成功地用来提高半导体晶体管的迁移率 以及铁磁和超导体的相变温度。但是将应变工程用在铁电存储器中，用来改善铁电薄膜和 器件的电性能，目前文献中仍鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提出一种铁电存储器用外延应变铁电 薄膜，本专利技术的铁电薄膜具有优异的界面和极化性能，从而使得存储器件具有更好的存储性能。 本专利技术的目的是通过下述方式实现的 所述的铁电存储器用外延应变铁电薄膜，为多层膜结构，在铁电存储器硅衬底或 者覆有一层绝缘层的硅衬底上为松弛的底层Ba,Sr卜,TiO"钛酸锶钡，BST)合金膜层，O < x < 1 ;所述的合金膜层上沉积有铁电薄膜层；合金膜层与铁电薄膜层依次交替沉积成膜。 本专利技术的多层膜最少为二层，即在铁电存储器硅衬底或者覆有一层绝缘层的硅衬 底上生长松弛的底层BaxSivxTi03(钛酸锶钡，BST)合金膜层，O < x < 1 ;然后在合金膜层 上沉积一层铁电薄膜层。 钛酸锶钡(BST)合金膜层的晶格常数范围为3. 905 4. Oangstrom。 所述的铁电(FE)薄膜为AB03钙钛矿铁电、铋层状铁电或多重铁电氧化物。各个膜层的厚度为10-30nm。 本专利技术是通过钛酸锶钡合金层来调控外延铁电薄膜的应变。因而存储器栅极层结 构中铁电薄膜具有优异的界面和极化性能，所得到的存储器件也就具有更好的存储性能。 本专利技术的铁电薄膜材料还可以在与CMOS集成工艺相兼容的前提下，实现衬底对铁电薄膜 的应变调控。 本专利技术的调控方法为在硅衬底或者覆有一层绝缘层的硅衬底上沉积具有合理晶 格常数和松弛度的钛酸锶钡BaxSivxTi03薄膜，然后与铁电薄膜进行交替外延生长；通过设 定松弛度R值和选择Ba的含量x来调节钛酸锶钡合金膜层的晶格常数。 由于专利技术人研究发现，松弛的B Siv;ri03合金的晶格常数随着钡含量x的变化呈现一种近似线性的变化关系，因而可以考虑选择Ba的含量x来调节钛酸锶钡合金膜层的晶 格常数。 另外，本专利技术的松弛度应考虑不低于90% ，较佳的为不低于95% 。 为了调控外延铁电薄膜的应变，合金层BST平行于表面的晶格常数a〃需要控制。晶格松弛可以定义为 A = 100x~^~^~ 其中，as是衬底或覆盖有绝缘层衬底的晶格常数，a(x)是BST合金层完全松弛时 的晶格常数，a〃为想要的外延应变铁电薄膜的晶格参数，设定R值，(需要注意的是，R值，即钛酸锶钡合金松弛度应尽可能大，( 一般在95%以上))，这时a^;H a, +100x(a〃,)，由外延应变铁电薄膜晶格常数a (x)值求得对应的Ba的含量x，即可得到确定x值的钛酸锶 钡合金层。 钡的含量和钛酸锶钡的松弛度是需考虑的两个因素。理论上可以将松弛度的值设 的高些，因为通过多层薄膜的交替生长，在生长好整个结构后各BST薄膜层的松弛度还会 有所增加，多层结构对铁电薄膜的应变调控也会朝着BST完全松弛时的理想状态变化。 本专利技术制备钛酸锶钡Ba,Sr卜xTi03层，通过控制Ba的含量x在其表面上得到所需 要的晶格常数，因为松弛的BaxSivxTi03合金的晶格常数随着钡含量x的变化而改变。使外 延铁电薄膜的应变最小化，可以提高薄膜的结晶质量。适当的压或张应变铁电薄膜，也可以 不同程度地提高薄膜铁电性或介电性，使其满足最终器件的需要。 所述的底层B Siv;ri03合金层松弛度的调节方法，具体可以参考以下两种方法(1) 采用低温生长或者离子注入来产生补偿性衬底，在其上面可以生长松弛的合金薄膜；(2) 生长10-30nm厚合金薄膜，然后通过掺杂H+，tf+等进行松弛。能够直接生长完全松弛的 底层合金层是最好的，即使不能完全松弛底层合金层，通过交替生长多层薄膜也可提高合 金层的松弛度，起到应变调控的作用。 本专利技术具体实现步骤包括首先准备硅衬底或覆有绝缘层的硅衬底；然后在硅 衬底或者覆有一层绝缘层(如Hf02、 Si02)(厚度为5 20nm)的硅衬底上，形成具有合 理晶格常数的底层钛酸锶钡(BaxSivxTi03， BST)合金层；其次在合金层上外延生长铁电4(FE)薄膜ABO^丐钛矿铁电、铋层状铁电或多重铁电氧化物；最后形成BST/FE(10-30nm)/ BST (10-30nm) /FE (10-30nm). . . /BST多层膜结构；通过选择合金材料的Ba含量x来调节或 者说选择钛酸锶钡合金的应变类型来调节外延铁电薄膜的晶格常数。最终完成铁电薄膜存 储器件。 本专利技术的优势在于，一、在本专利技术的调控方法中，专利技术人提出了添加晶格常数可调 的合金层。通过添加合金层，可以人为的、可修改地对在其上交替外延生长的铁电薄膜施加 张应变、无应变或者压应变。 二、本专利技术的薄膜通过合理选择钛酸锶钡合金材料的成分来调节合金层的晶格常 数，使外延铁电(多重铁电)薄膜(AB03钙钛矿铁电、铋层状铁电或多重铁电氧化物薄膜) 的应变最小。 三、本专利技术还提供了一种调整外延铁电(多重铁电)薄膜(AB03钙钛矿铁电、铋层 状铁电或多重铁电氧化物薄膜)的晶格常数的张应变或压应变的方式。 本专利技术所述方法提出了一个晶格常数可调的中间合金层，该层可人为的、可修改 地使外延铁电薄膜产生张应变、无应变或压应变。这对于以Si (100) 、 Si (111)和Si (110) 为基底的AB03钙钛矿铁电、铋层状铁电或多重铁电氧化物薄膜在铁电存储器、微机电系统 (MEMS)、光电系统以及高介电常数器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电存储器用外延应变铁电薄膜，其特征在于，为多层膜结构，在铁电存储器硅衬底或者覆有一层绝缘层的硅衬底上为松弛的底层Ｂａ↓［ｘ］Ｓｒ↓［１－ｘ］ＴｉＯ↓［３］合金膜层，０＜ｘ＜１；所述的合金膜层上沉积有铁电薄膜层；合金膜层与铁电薄膜层依次交替沉积成膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周益春，杨锋，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]