【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于存储器领域，具体涉及一种抗疲劳的铁电电容器、一种铁电存储电路、一种铁电存储器及非易失性存储芯片。
技术介绍
1、随着大数据、云计算、物联网、ai等的发展，存储器在整个互联网生态产业链中扮演的角色愈发重要。然而动态随机存储器(dram)、闪存(nandflash)等传统存储器在数据爆炸式增长的现在面临极大挑战，依据传统摩尔定律微缩的半导体技术所面临几何尺寸微缩到极致的困境、其制备所需要的成本越来越高、实现的存储性能提高也趋于放缓。传统存储器在耗电量、数据访问速度、存储密度等方面受限于工艺制程的一些问题，无法与时俱进。在此背景下，多种新型存储器应运而生，例如，铁电存储器(fefet)等，铁电存储器利用了铁电材料的铁电性质，即断电后依然具有极化残留的特性，实现了信息的存储与读取。
2、在铁电存储器中，铪锆氧基(hzo)fefet具有读写速度快、非易失、功耗低、易于cmos集成的优势，是新型内存突破的不二之选。与传统的钙钛矿氧化物(如pb(zr，ti)o3(pzt))铁电材料相比，hzo系统具有几个优点：高缩放能力，即厚度低至10nm以下依然具有足够的铁电性质；适当的矫顽场(ec)，可以优化超薄极限下的开关电压；以及与cmos制造技术的兼容性。因此，基于hzo的铁电电容器在fefet和铁电随机存取存储器(fram)等相关器件中显示出广阔的应用潜力。
3、将数据写入铁电电容器涉及通过施加外部电场(ework)来切换铁电电畴的极化。ework需要使用远高于两倍矫顽场(ec)，以适应ec在不同器件中的不均
技术实现思路
1、为了解决铪锆氧基铁电存储器因薄膜结构抗疲劳性不足导致的存储寿命较短缺陷，本专利技术提供一种抗疲劳的铁电电容器、一种高可靠性的铁电存储电路、一种高可靠性的铁电存储器及非易失性存储芯片。
2、本专利技术采用以下技术方案实现：
3、一种抗疲劳的铁电电容器，按照从上至下的顺序，其包括：上电极层、顶电极层、铁电介质层和底电极层。铁电介质层的材料采用zro2、hfo2或hfxzr1-xo2；特别地，顶电极层和铁电介质层之间还包括一个非晶保护层。非晶保护层采用与铁电介质层相同的基体，并在其中掺杂预设量的al、si、la、y、nb、ce或er元素，以使得非晶保护层达到非晶体状态。非晶保护层的厚度为铁电介质层厚度的10％-40％。
4、作为本专利技术进一步的改进，非晶保护层采用原子层沉积技术生成；将掺杂材料与铁电介质层材料按照预设的顺序和比例交替沉积，得到所需的预设厚度的非晶保护层。
5、作为本专利技术进一步的改进，非晶保护层的生长方法如下：
6、先在底部的基层上直接沉积2-3循环的掺杂材料，然后再沉积8循环的铁电介质层材料，最后再沉积2-3循环的掺杂材料。
7、作为本专利技术进一步的改进，顶电极层和顶电极层的材料均采用tin，并通过等离子体增强原子沉积工艺生成；其中，顶电极层的厚度为10-20nm；底电极层的厚度为5-10nm。
8、作为本专利技术进一步的改进，上电极层的材料采用sige，并通过电子束蒸发技术生成，厚度为270-300nm。
9、作为本专利技术进一步的改进，铁电介质层采用原子层沉积技术生成，厚度为5nm。
10、本专利技术还包括一种铁电存储电路，其包括硅衬底，以及位于硅衬底上的采用如前述的抗疲劳的铁电电容器的电路结构。其中，该铁电存储电路包括fefet和fram两种类型。
11、本专利技术还包括一种铁电存储器，其为由前述的铁电存储电路作为单元电路构成的大规模集成电路。该铁电存储器的制备方法如下：
12、(1)对硅衬底进行清洁，并采用等离子体增强原子层沉积技术在硅衬底表面生长一整层tin作为底电极，厚度为10-20nm。
13、(2)采用原子层沉积技术在tin底电极表面生长一整层的铁电介质层的薄膜，厚度为5nm。
14、(3)使用原子层沉积技术在铁电介质层的薄膜上沉积2-3循环的掺杂材料，然后再沉积8循环的铁电介质层的材料，最后再沉积2-3循环的掺杂材料，得到所需的非晶保护层，厚度为1-1.5nm。
15、(4)使用等离子体增强原子层沉积在非晶保护层上生长tin，得到厚度为5-10nm的顶电极层。
16、(5)使用电子束蒸发设备在顶电极上继续生长270-300nm的sige层，得到所需的上电极层。
17、(6)采用光刻显影的工艺对多层结构进行图形化，用感应耦合等离子体设备icp进行刻蚀，得到金属-铁电层-金属的电路结构。
18、作为本专利技术进一步的改进，铁电介质层的材料采用zro2、hfo2或hfxzr1-xo2。掺杂材料选择al、si、la、y、nb、ce或er。
19、本专利技术还包括一种非易失性存储芯片，其由如前述的铁电存储器封装而成。
20、本专利技术提供的技术方案，具有如下有益效果：
21、本专利技术提供了一种新的铁电电容器的薄膜结构，利用al、si、la、y、nb、ce、er等元素掺杂hzo薄膜，获得一定厚度的非晶保护层，非晶保护层可以打断传统铁电电容器的纵向晶界，阻挡氧空位迁移，减缓导电细丝的产生，从而达到提升电容器抗疲劳特性的技术效果。另外，新型结构中非晶保护层的掺杂不会带来多余的界面，保证铁电介质层性能的稳定，还可以提升介质经时绝缘击穿性能，降低电容漏电。
22、本专利技术属于改进型的铪锆氧基铁电电容器，在产品角度上，利用本专利技术的薄膜结构，有助于提高铪锆氧基fefet器件的电极化翻转次数，增强器件的疲劳特性，保障器件内部数据存储的可靠性。而在工艺角度上，该方案只需改变介质材料生长的一个小环节，调整ald设备的部分recipe即可；因而可以兼容现有产线。本专利技术提供的铁电存储器可以利用现有的dram生产工艺线完成生产，无需设计新的产线，无需摸索新的工艺，非常易于投产应用，可以在提升性能的基础上降低新产品的生产制造成本。
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1.一种抗疲劳的铁电电容器，按照从上至下的顺序，其包括：上电极层、顶电极层、铁电介质层和底电极层，其特征在于：所述铁电介质层的材料采用萤石结构材料ZrO2、HfO2或HfxZr1-xO2；所述顶电极层和铁电介质层之间还包括一个非晶保护层；所述非晶保护层采用与铁电介质层相同的萤石结构基体，并在其中掺杂预设量的Al、Si、La、Y、Nb、Ce、或Er元素，以使得所述非晶保护层达到非晶体状态；所述非晶保护层的厚度为铁电介质层厚度的10％-40％。
2.如权利要求1所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述非晶保护层采用原子层沉积技术生成；将掺杂材料与铁电介质层材料按照预设的顺序和比例交替沉积，得到所需的预设厚度的非晶保护层。
3.如权利要求2所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述非晶保护层的生长方法如下：
4.如权利要求1所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述顶电极层和顶电极层的材料均采用TiN，并通过等离子体增强原子沉积工艺生成；其中，顶电极层的厚度为10-20nm；底电极层的厚度为5-10nm。
5.如权利要求1所述的抗疲劳的
6.如权利要求1所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述铁电介质层采用原子层沉积技术生成，厚度为5nm。
7.一种铁电存储电路，其特征在于：其包括硅衬底，以及位于硅衬底上的采用如权利要求1-6中任意一项所述的抗疲劳的铁电电容器的电路结构；所述铁电存储电路包括FeFET和FRAM。
8.一种铁电存储器，其特征在于：其为由如权利要求7所述的铁电存储电路作为单元电路构成的大规模集成电路；所述铁电存储器的制备方法如下：
9.如权利要求8所述的铁电存储器，其特征在于：所述铁电介质层的材料采用ZrO2、HfO2或HfxZr1-xO2；所述掺杂材料选择Al、Si、La、Y、Nb、Ce或Er。
10.一种非易失性存储芯片，其特征在于：其由如权利要求7-9中任意一项所述的铁电存储器封装而成。
...【技术特征摘要】
1.一种抗疲劳的铁电电容器，按照从上至下的顺序，其包括：上电极层、顶电极层、铁电介质层和底电极层，其特征在于：所述铁电介质层的材料采用萤石结构材料zro2、hfo2或hfxzr1-xo2；所述顶电极层和铁电介质层之间还包括一个非晶保护层；所述非晶保护层采用与铁电介质层相同的萤石结构基体，并在其中掺杂预设量的al、si、la、y、nb、ce、或er元素，以使得所述非晶保护层达到非晶体状态；所述非晶保护层的厚度为铁电介质层厚度的10％-40％。
2.如权利要求1所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述非晶保护层采用原子层沉积技术生成；将掺杂材料与铁电介质层材料按照预设的顺序和比例交替沉积，得到所需的预设厚度的非晶保护层。
3.如权利要求2所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述非晶保护层的生长方法如下：
4.如权利要求1所述的抗疲劳的铁电电容器，其特征在于：所述顶电极层和顶电极层的材料均采用tin，并通过等离子体增强原子沉积工艺生成；其中，顶电极层的厚度为10-20nm；底电...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐光伟，唐心怡，吕頔，白卫平，龙世兵，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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