【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子领域，具体涉及一种hfo2基铁电电容器及其制备方法和应用。
技术介绍
1、具有较高极化强度、尺寸微缩性以及金属氧化物半导体(cmos)工艺兼容性的hfo2基铁电材料被认为是应用于下一代的高密度新型非易失存储的优选。自从萤石结构的掺杂hfo2薄膜中的铁电性被发现后，该材料便引起了人们的广泛关注。随后在zr、al、la、y、ga、sr等掺杂hfo2的薄膜中均实现了铁电性。其中zr掺杂的hfo2薄膜具有约为400℃的低结晶温度，可以与cmos后端工艺(beol)兼容。
2、另一方面，hfo2基铁电材料的矫顽场较大(1-2mv/cm)，导致铁电随机存储器(feram)的操作电压相对较高，例如在通常hzo厚度为10nm的铁电电容器中，需要2v以上的高操作电压。为了使hfo2基铁电存储器与当前半导体先进工艺节点兼容，需要尽可能降低其操作电压，其中最有效的方法是减少hzo铁电层的厚度。当前文献报道的理论计算与实验结果均表明hzo铁电薄膜厚度可微缩至1nm以下，并且保持着稳定的铁电性。如cn111312898a公开了一种hfo2基铁电薄膜材料及其制备方法和应用，在包含超薄hzo的铁电电容器的基础上，通过引入al2o3薄膜层以发生界面极化实现铁电性能的提高。然而，在亚5nm的超薄hzo薄膜中由于受到退极化场、缺陷以及铁电相比例降低等影响，导致器件在初始态下呈现钉扎的类反铁电回滞，使存储窗口大幅降低。因此，超薄hzo薄膜需要经过大量循环进行唤醒操作后方可使用。此外，超薄hzo铁电薄膜由于更易击穿，循环耐久性也会有所降
3、由此，需要提出一种能够具有无需唤醒的铁电性，同时，还可提高耐久性和翻转速度的hfo2基铁电电容器。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种hfo2基铁电电容器及其制备方法和应用，以解决现有技术中超薄hzo层需要经过大量循环进行唤醒后才可正常使用的缺陷；本方案在hfo2基铁电电容器中实现了无需唤醒的铁电性，同时提高了耐久性和翻转速度。
2、本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
3、本专利技术第一方面公开了一种hfo2基铁电电容器的制备方法，包括如下步骤：
4、s1：在衬底表面生长底电极，随后在底电极表面沉积铁电介质层；
5、s2：退火处理；
6、s3：在退火处理后的铁电介质层表面涂覆负胶并曝光显影，随后在表面生长顶电极；
7、s4：剥离工艺。
8、优选地，所述的衬底为sio2/si层或sio2层，所述的底电极为tin层或w层，所述的铁电介质层为hzo层，所述的顶电极为tin层或w层。
9、优选地，所述的衬底为sio2/si层，氧化层厚度为300nm；所述的底电极的厚度为10-50nm；所述的铁电介质层为hf0.5zr0.5o2层，厚度为4-15nm；所述的顶电极的厚度为10-50nm。
10、更优选地，所述的底电极为tin层，厚度为50nm；所述的铁电介质层为hf0.5zr0.5o2层，厚度为4-5nm；所述的顶电极为tin层，厚度为50nm。
11、优选地，步骤s1中，所述的底电极通过磁控溅射的方式生长在衬底表面，所述的铁电介质层通过原子层沉积的方式沉积在底电极表面。
12、更优选地，磁控溅射为：磁控溅射工艺采用tin靶，直流溅射功率为100w，ar气气体流速为1.15mtorr；或磁控溅射工艺采用tin靶，直流溅射功率为100w，ar气气体流速为2.7mtorr，n2气体流速为0.3mtorr。
13、更优选地，原子层沉积为：循环脉冲生长zr前驱体源或hf前驱体源，每个循环包括0.5s的zr前驱体源或hf前驱体源脉冲、10s n2吹扫、0.15s的氧源脉冲、10s n2吹扫，zr前驱体源包括四(乙基甲基氨基)锆(temazr)或四(二乙氨基)锆(tdmazr)，hf前驱体源包括四(乙基甲基氨基)铪(temahf)和四(二乙氨基)铪(tdmahf)，氧源为去离子水，zr前驱体源和hf前驱体源加热至80℃，去离子水保持20℃室温。
14、优选地，步骤s2中，所述的退火为：在惰性气氛中进行，升温速率为10-30℃/s，退火温度为400-700℃，退火时间为30-1200s。
15、优选地，步骤s2中，所述的退火为：在n2气氛中进行，升温速率为20℃/s，退火温度为600℃，退火时间为30s。
16、优选地，步骤s3中，涂覆负胶并曝光显影为：在退火处理后的铁电介质层上涂覆负胶，150℃前烘2min，曝光后120℃后烘2min，在显影液中浸泡55s显影，用去离子水冲洗吹干。
17、优选地，步骤s3中，所述的顶电极通过磁控溅射的方式生长在退火处理后的铁电介质层表面。
18、更优选地，磁控溅射为：磁控溅射工艺采用tin靶，直流溅射功率为100w，ar气气体流速为1.15mtorr；或磁控溅射工艺采用tin靶，直流溅射功率为100w，ar气气体流速为2.7mtorr，n2气体流速为0.3mtorr。
19、优选地，步骤s4中，所述的剥离工艺为：浸泡于丙酮溶液中进行剥离，随后浸泡于无水乙醇中去除丙酮，最后用去离子水洗净并吹干。
20、本专利技术第二方面公开了一种hfo2基铁电电容器，采用如上任一所述的方法制备得到。
21、本专利技术第三方面公开了一种如上所述的hfo2基铁电电容器在存储器中的应用。
22、铁电电容器件中的内建电场来源于铁电层与上下电极之间的界面不对称，通过内建电场可将超薄hzo薄膜的反铁电回滞进行整体移动，从而实现低操作电压下的铁电回滞。因此，通过对底电极与hzo层先退火再生长顶电极的工艺不对称性，能够引入内建电场，最终实现无需唤醒的铁电性，同时提高了耐久性和翻转速度。
23、本专利技术的工作原理为：
24、本专利技术通过对超薄铁电介质层先进行退火处理再生长顶电极的不对称工艺引入内建电场，将超薄hf0.5zr0.5o2中的类反铁电回滞转变为低操作电压下的铁电回滞，实现无须唤醒的铁电回滞，并提高了耐久性和极化翻转速度。
25、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
26、1、本专利技术的超薄铁电电容器具有无须唤醒的铁电回滞；本专利技术的超薄铁电电容器有较低的操作电压，并具有较高的耐久性和极化翻转速度，实现高性能超薄铁电电容器的存储功能；
27、2、本专利技术的超薄铁电电容器完全基于cmos工艺制备，对cmos工艺具有良好的兼容性，且可与后端工艺(beol)兼容；
28、3、本专利技术的退火工艺有利于铁电薄膜晶体管的制备，无需夹持顶电极退火后再进行刻蚀。
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1.一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，所述的衬底为SiO2/Si层或SiO2层，所述的底电极为TiN层或W层，所述的铁电介质层为HZO层，所述的顶电极为TiN层或W层。
3.根据权利要求2所述的一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，所述的衬底为SiO2/Si层，氧化层厚度为300nm；所述的底电极的厚度为10-50nm；所述的铁电介质层为Hf0.5Zr0.5O2层，厚度为4-15nm；所述的顶电极的厚度为10-50nm。
4.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的底电极通过磁控溅射的方式生长在衬底表面，所述的铁电介质层通过原子层沉积的方式沉积在底电极表面。
5.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的退火为：在惰性气氛中进行，升温速率为10-30℃/s，退火温度为400-700℃，退火时间为30-1200s。
6.根据
7.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述的顶电极通过磁控溅射的方式生长在退火处理后的铁电介质层表面。
8.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述的剥离工艺为：浸泡于丙酮溶液中进行剥离，随后浸泡于无水乙醇中去除丙酮，最后用去离子水洗净并吹干。
9.一种HfO2基铁电电容器，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的方法制备得到。
10.一种如权利要求9所述的HfO2基铁电电容器在存储器中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种hfo2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种hfo2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，所述的衬底为sio2/si层或sio2层，所述的底电极为tin层或w层，所述的铁电介质层为hzo层，所述的顶电极为tin层或w层。
3.根据权利要求2所述的一种hfo2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，所述的衬底为sio2/si层，氧化层厚度为300nm；所述的底电极的厚度为10-50nm；所述的铁电介质层为hf0.5zr0.5o2层，厚度为4-15nm；所述的顶电极的厚度为10-50nm。
4.根据权利要求1所述的一种hfo2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述的底电极通过磁控溅射的方式生长在衬底表面，所述的铁电介质层通过原子层沉积的方式沉积在底电极表面。
5.根据权利要求1所述的一种hfo2基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤s2...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏莹芬，刘琦，陆皓宇，蒋昊，李昱，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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