CN101226956A - 一种高密度电荷存储的铁电电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，具体为一种高密度电荷存储的新型铁电电容器及其制作方法。本发明利用氢离子注入到铁电薄膜内部，改变原有的铁电特性，形成新的反铁电特性，这种新的反铁电特性能够使得新型铁电薄膜电容器存储以及释放更多的电荷，新的反铁电特性也能改变薄膜相对介电常数特性，使得新型铁电薄膜电容能够应用于需要可变相对介电常数的器件领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种高密度电荷存储的铁电电容器及其制作方法。
背景技术
目前在半导体模拟集成电路里应用到的电容器件结构主要是以PN结结电容，MOS栅电容和MIM(金属/绝缘层/金属)为主，半导体存储器件中应用到的电容主要是以MIM(金属/绝缘层/金属)为主。其中绝大部分的MOS栅电容和MIM电容中的介质用的是二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)。这两种电介质的主要优点在于都与半导体工艺相兼容，相对介电常数分别为2.5-4.2和3.5-9。相对与其他各种不同介质来说，二氧化硅和氮化硅的介电常数都比较小，所集成的电容的容量也比较小，在一定电压和厚度下能够存储的电荷量也比较小。所以，这两种介质的缺点是在存储电路以及模拟集成电路中，为了保持一定的存储电荷量，电容所占用的面积大，另外，随着电路单元面积的减小，存储密度的提高，每个电容单元中的面积会越来越小，用于电路中存储的电荷量(正比于电容器面积)会越来越少，导致了信号识别的困难而不得不扩大芯片的面积，甚至使用外部电容的接入。
MFM结构早在1963年就由Moll和Tarui提出[1]，开始应用于存储器件，通过电场的作用诱导电畴二种不同的取向作为逻辑单元来存储逻辑信息。也可以应用在电荷存储器件中[2]，利用铁电薄膜的高相对介电常数来提高存储电荷。但铁电薄膜具有保持自发极化的性质，电荷存储受到限制。对于反铁电薄膜的MAFM结构，由于反铁电薄膜相邻电畴沿反平行方向产生自发极化，在外加电场作用下，反铁电薄膜能够在铁电相和反铁电相之间相互转化，在撤出外加电场后，净自发极化强度为零。所以反铁电薄膜的MAFM结构应用在电容器件具有更大优势，能够通过高相对介电常数[3]以及电畴极化的方式存储更多的电荷，以及在外加电场撤消后通过电畴反转来完全释放存储的电荷。
参考文献：
1.L.Moll and Y.Tarui，IEEE Trans.Electron Devices ED-10(1963)338.
2.J.F.Scott and C.A.Paz de Araujo，Science 246，1400(1989).
3.S.S.N.Bharadwaja and S.B.Krupanidhi，J.Appl.Phys.88 7 4294(2000).
发明内容
本发明提出的新型铁电电容结构包括：第一电极；在第一电极上设置经过氢离子注入的铁电薄膜层结构；以及在第一电极和铁电薄膜层结构上设置的第二电极。
本发明提出的制作新型铁电电容结构的方法，其中包括形成第一电极，在第一电极上形成新型铁电薄膜电容，以及在新型铁电电容上形成第二电极。
本发明提出的一种制作新型高密度电荷存储铁电薄膜电容的方法，其中方法包括：利用各种不同形式方法，将不同能量，不同剂量的氢离子注入到铁电薄膜中，从而改变铁电薄膜的电学性质，使得铁电薄膜具有反铁电薄膜的电学特性。
本发明提出的一种制作新型可变相对介电常数铁电薄膜电容的方法，其中方法包括：利用各种不同形式方法，将不同能量，不同剂量的氢离子注入到铁电薄膜中，从而改变原来的相对介电常数特性，具有新的相对介电常数随着不同的偏置电压，以及不同的频率的改变而改变性质。
本发明所述的铁电薄膜指的是任何在外加电场作用下具有自发极化并且在电场去掉后能保持自发极化，在改变方向的外加电场的作用下，其自发极化的方向也会发生改变的材料。
本发明所述的反铁电薄膜指的是任何晶体结构和同型铁电体相近，但相邻电畴沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，在外加电压的作用下，体内的反铁电畴和铁电畴会相互发生改变的材料。
本发明所述的注入后的铁电薄膜和反铁电薄膜具有类似的电学性质是指氢离子注入后的铁电薄膜也具有反铁电薄膜的各种电学特性，但氢离子注入的铁电薄膜本身不是反铁电薄膜。
附图说明
结合附图，通过下面本发明的典型实施例，对本发明与其他方法的不同点，以及本发明的优点和特征进行说明。并且，本发明并不限于所述典型实施例。应该注意，并非所有可能的本发明的实施例必须显示出在此说明的每一和各个或任一优点。
图1一种制作新型高密度电荷存储铁电薄膜电容器的工艺流程简图。
图2氢离子注入前后的铁电薄膜的存储电荷密度与外加场强的P-E特性的比较曲线图。
图3为典型的反铁电薄膜在充放电过程中存储电荷密度与外加场强的P-E曲线图。其中的Ec1是指在正向外加电场增大的情况下，反铁电薄膜电畴开始正向翻转时候的电场场强，Ec2是指在正向外加电场减小的情况下，反铁电薄膜电畴开始反向回转时候的场强。
图4为新型铁电电容在不同频率下的电容和偏置电压曲线图。
图5为新型铁电薄膜电容器在基于电场的存储电荷密度曲线图，其中(□)为电畴翻转下的存储电荷密度，(○)为电畴未翻转下的存储电荷密度。图5a为正向脉冲电压下的存储电荷密度，图5b为反响脉冲电压下的存储电荷密度。
图中标号：101为衬底层，例如N型或者P型硅，102为在衬底层上形成的第一电极的基底层，例如二氧化硅层，103为在基底上形成的第一电极层，例如铂金层，104为在第一电极层上形成的铁电薄膜层，105为在铁电薄膜层上形成的第二电极层。
具体实施方式
在实施例中，提供一种铁电薄膜电容器的制作方法。
该制作方法流程如图1所示：
图1A，选取干净、光滑的衬底层，例如抛光后的N型或者P型硅。
图1B，在衬底层上形成有利于第一电极生长的基底层，例如二氧化硅层，此层不是必需层，第一电极也可以直接在衬底层上生长。
图1C，在基底层上形成第一电极层，例如铂金层。
图1D，在第一电极上形成一定厚度的铁电薄膜层，例如锆钛酸铅盐(PbZrTiO3)。
图1E，将一定剂量，一定能量的氢离子注入到图1D所形成的铁电薄膜层里，例如将剂量为5×1014cm-3，能量为40keV的氢离子注入到铁电薄膜层里。
图1F，在离子注入后的铁电薄膜上形成不同形状的第二电极层，例如铬、金层。
第一电极层可以是任一合适的材料，一切可能使用的电极，包括不同形状，不同结构，以及不同材料组分。诸如金属Pt，氧化物电极IrO2，多晶硅，硅等(然而未必限制如此组成)，采用诸如蒸发，贱射，热生长，电镀，化学气相淀积，物理气相淀积等方法(然而未必限制如此方法)。
铁电层104是任一合适的材料，诸如锆钛酸铅盐PbZrTiO3，铋钽酸锶盐SrBiTa2O9，(BiLa)4Ti3Ol2或者锶钛酸钡盐(BST)也称作BaSrTiO3。能够使用任一合适的技术来制作铁电层，例如溅射，CVD，溶胶-凝胶法，有或没有在氧气等气体环境中的后期退火处理，或通过不限于本领域技术人员已知的那些传统的合适技术。
氢离子注入可以是任一合适的方法，任一合适的剂量，任一合适的能量进行的氢离子注入。
第二电极层可以是任一合适的材料，一切可能使用的电极，包括不同形状，不同结构，以及不同材料组分。诸如金属Pt，氧化物电极IrO2，多晶硅，硅等(然而未必限制如此组成)，采用诸如蒸发，贱射，热生长，电镀，化学气相淀积，物理气相淀积等方法(然而未必限制如此方法)。
在实施例中，提供一种新型的高密度电荷存储铁电电容器的电学特性。氢离子注入前后薄膜的存储电荷密度与外加场强的P-E比较曲线如图2所示：
该铁电薄膜以锆钛酸铅盐Pb(Zr0.7Ti0.3)O3为例，在氢离子注入前，该铁电薄膜完全显示铁电特性，具有良好的铁电滞回曲线。在氢离子注入后，由于氢离子对铁电电畴的屏蔽作用，该薄膜不再具有极化保持特性，该铁电薄膜的滞回曲线变成反铁电特性。
在实施例中，提供一种典型的反铁电薄膜在充放电过程中存储电荷密度与外加场强的P-E曲线图。如图3所示：
当外加正向电压逐渐增大到它的前置矫顽电压Vc1时，电畴会从反铁电态转变成铁电态，薄膜存储大量饱和极化电荷；反之，当外加电压逐渐减小到小于它的后置矫顽电压Vc2时，电畴又会从铁电态转变成到原先的反铁电态，同时完全释放出它的饱和极化电荷，薄膜上电压降恢复为0。
在实施例中，提供一种新型铁电电容在不同频率下的电容和偏置电压曲线图。如图4所示：
通过不同的偏置电压，新型铁电电容的值将改变，同一曲线上出现两个峰值，并随着频率的增加而减小。新型铁电薄膜电容器件，可以应用于任何需要可变相对介电常数的电介质中，诸如滤波器件(然而未必限制如此方法)。
在实施例中，提供新型铁电薄膜电容在基于电场的存储电荷密度曲线图，如图5所示：
随着外加电场的增大，新型铁电薄膜电容器的存储电荷密度随之增大并趋向饱和。
在此描述的实施例仅仅是说明性的，无论如何也不能认为是限制性的。通过所附权利要求而非先前的描述来给出发明的范围，并且属于权利要求范围内的所有改变和变更均包含于此。
Claims (6)
1.一种高密度电荷存储的铁电电容器，其特征在于电容单元包括：第一电极；在第一电极上设置经过氢离子注入的铁电薄膜层结构；以及在第一电极和铁电薄膜层结构上设置的第二电极。
2.根据权利要求1所述的铁电电容器，其特征在于所述的第一电极包括不同形状，不同结构，以及不同材料组分。
3.根据权利要求1所述的铁电电容器，其特征在于所述的第二电极包括不同形状，不同结构，以及不同材料组分。
4.根据权利要求1所述的铁电电容器，其特征在于所述的氢离子注入是包括不同形式的氢离子注入，不同能量，不同剂量的氢离子注入。
5.根据权利要求1所述的铁电电容器，其特征在于所述的铁电薄膜指的是任何在外加电场作用下具有自发极化并且在电场去掉后能保持自发极化，在改变方向的外加电场的作用下，其自发极化的方向也会发生改变的材料。
6.根据权利要求1所述的铁电电容器，其特征在于所述的反铁电薄膜指的是任何晶体结构和同型铁电体相近，但相邻电畴沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，在外加电压的作用下，体内的反铁电畴和铁电畴会相互发生改变的材料。
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| CN109087949A (zh) * | 2017-06-14 | 2018-12-25 | 萨摩亚商费洛储存科技股份有限公司 | 铁电场效应晶体管、铁电内存与数据读写方法及制造方法 |
| WO2022000842A1 (zh) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | 湘潭大学 | 一种存储单元、存储器及存储器的制备方法 |
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2008
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