CN113363384B - 一种HfO2基铁电隧道结器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种HfO2基铁电隧道结器件及其制备方法。HfO2基铁电隧道结器件包括：衬底；底电极，形成在所述衬底上；ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构，其具有对称冠状能带；顶电极，形成在所述叠层结构上。通过引入Al2O3中间层，有效控制了HZO薄膜的晶粒尺寸，提高了HZO薄膜的质量。此外，ZrO2薄膜可以诱导HZO薄膜产生更多的铁电相。以此叠层结构制备铁电隧道结器件能有效提高可靠性，隧穿电阻以及耐受性，能够满足至少104次的读写操作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种HfO2基铁电隧道结器件及其制备方法。
背景技术
铁电隧道结(FTJ)器件具有功耗低，读写速度快，结构简单，耐用性强，非易失性数据存储和非破坏性的数据读取等优点，是非常有前途的下一代非易失性存储器件。
相比于传统钙钛矿型铁电材料，基于HfO2的铁电薄膜具有更低的处理温度(400℃～600℃)，更大的禁带宽度，更薄的厚度以及与CMOS工艺的更好兼容性。
但是，基于HfO2的铁电薄膜也存在着剩余极化太小，稳定性差等缺点，以此制备的FTJ器件隧穿电阻比较小，可靠性较低。并且薄膜的铁电性会随着厚度的增加而降低，使得器件的耐受性较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种HfO2基铁电隧道结器件，包括：衬底；底电极，形成在所述衬底上；ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构，其具有对称冠状能带；顶电极，形成在所述叠层结构上。
本发明的HfO2基铁电隧道结器件中，优选为，所述 ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构各层的能带分别为2.65eV，2.7eV，1.25eV， 2.7eV，2.65eV。
本发明的HfO2基铁电隧道结器件中，优选为，所述 ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构中，ZrO2薄膜厚度为1～2nm，HZO薄膜厚度为6nm，Al2O3薄膜的厚度为1～2nm。
本发明还公开一种HfO2基铁电隧道结器件制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成底电极；在所述底电极上形成ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构，其具有对称冠状能带；对上述结构进行快速热退火处理；在所述叠层结构上形成顶电极。
本发明的HfO2基铁电隧道结器件制备方法中，优选为，所述 ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构各层的能带分别为2.65eV，2.7eV，1.25eV， 2.7eV，2.65eV。
本发明的HfO2基铁电隧道结器件制备方法中，优选为，所述 ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构中，ZrO2薄膜厚度为1～2nm，HZO薄膜厚度为6nm，Al2O3薄膜的厚度为1～2nm。
本发明的HfO2基铁电隧道结器件制备方法中，优选为，采用原子层沉积方法形成ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构。
本发明的HfO2基铁电隧道结器件制备方法中，优选为，进行快速热退火处理前，在所述叠层结构上形成TiN层。
本发明通过引入Al2O3中间层，打断了原子层沉积过程中HZO薄膜的连续生长，有效控制了晶粒的尺寸。此外，ZrO2薄膜可以诱导HZO薄膜产生更多的铁电相。这种结构虽然提高了厚度，但是在HZO总厚度一致的情况下能够获得更好的剩余极化。以此叠层结构制备FTJ有较好的可靠性，较大的隧穿电阻比以及较好的耐受性，能够满足至少104次的读写操作。
附图说明
图1是HfO2基铁电隧道结器件制备方法流程图。
图2～图5是HfO2基铁电隧道结器件制备方法各步骤的结构示意图。
图6是HfO2基铁电隧道结器件的工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
如图1所示，在步骤S1中，在衬底上形成底电极。具体而言，利用物理气相沉积方法(PVD)在衬底100(如SiO2)上依次形成Ti101/Pt102。
接下来，在步骤S2中，利用原子层沉积(ALD)生长 ZrO2103/HZO104/Al2O3105/HZO106/ZrO2107叠层，其中ZrO2薄膜103,107厚度为1～2nm，ZrxHf1-xO2(HZO)薄膜104,106厚度为6nm，Al2O3薄膜105的厚度为1～2nm。ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构各层的能带分别为2.65eV， 2.7eV，1.25eV，2.7eV，2.65eV，形成了对称的冠状势垒。通过将Al2O3薄膜作为中间层引入到HZO薄膜中，中断了HZO晶粒的连续生长，从而控制了相邻HZO层的晶粒尺寸，有效地提高了HZO薄膜的质量。此外，HZO薄膜的铁电性是由于存在非中心对称的正交相(o相)获得的，而ZrO2在300℃的生长温度下可以形成更多的o相，因此以ZrO2作为晶种层可以诱导HZO薄膜产生更多的铁电相。
然后，在步骤S3中，对上述叠层进行退火处理。具体而言，首先利用PVD 方法在上述叠层结构上生长30nm厚的TiN层108，所得结构如图2所示；然后使用快速热退火(RTP)在550℃对上述结构进行退火；最后利用湿法刻蚀去除TiN层108，所得结构如图3所示。采用的腐蚀液为过氧化氢：氨水：水＝1： 1：5。ZrO2层和TiN层在退火过程中共同使HZO形成更多的铁电相，能够有效改善器件的铁电性。
最后，在步骤S4中，形成顶电极。首先，旋凃光刻胶109，利用紫外光刻技术曝光出电极图案，所得结构如图4所示；然后，利用PVD方法生长Ti/Au；最后，剥离金属，形成顶电极Ti110/Au111，所得结构如图5所示。
如图5所示，HfO2基铁电隧道结器件包括：衬底100；底电极Ti101/Pt102，形成在衬底上；ZrO2103/HZO104/Al2O3105/HZO106/ZrO2107叠层结构，其具有对称冠状能带；顶电极Ti110/Au111，形成在叠层结构上。其中， ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构各层的能带分别为2.65eV，2.7eV，1.25eV，2.7eV，2.65eV，形成了对称的冠状势垒，使得隧穿势垒的高度与宽度都会改变，改善了薄膜质量以及铁电隧道结的性能。Al2O3薄膜105作为中间层引入到HZO中，中断了HZO晶粒的连续生长，从而控制了相邻HZO层的晶粒尺寸。因此，有效地提高了HZO膜的质量。此外，ZrO2薄膜可以诱导HZO薄膜产生更多的铁电相。
本发明与传统的铁电隧道结器件相比，改善了单一HZO薄膜铁电性随厚度衰减的问题，在较大的厚度下依然有较大的剩余极化。具有较好的可靠性，较大的隧穿电阻比以及较好的耐受性，能够满足至少104次的读写操作。
以下结合图6简要说明本发明的HfO2基铁电隧道结器件的工作原理：
外加电压使得铁电层获得统一的极化方向，在外加脉冲消失后，电畴可以在一定时间内维持一定的的强度。
当向Pt电极施加负脉冲时，剩余极化方向朝向Pt电极，在铁电层的界面处将感应出大量的负电荷，以保持电荷电中性。类似地，Pt电极侧会感应出大量的正电荷，从而在电介质中形成了与极化方向相反的自建电场。该电场改变了铁电层的电势分布，使能带向下弯曲。随着能带的弯曲，电子隧穿势垒高度减小。同时，电子可以直接隧穿三角形势垒区和薄的Al2O3层，而不必穿过整个介电层，因此，隧穿的宽度也减小了，因此可以获得大的隧穿电流，即FTJ的“导通”状态。
类似地，如果将正脉冲施加到Pt电极，并且剩余极化的方向朝着Ti电极，则大量的正电荷将出现在铁电层的界面处。同时，Pt电极侧会感应出大量的负电荷，形成指向Pt电极的自建电场，使能带向上弯曲。因此，电子难以从低能态的Ti电极侧隧穿到高能态的Pt电极侧。同时，由于Al2O3的带隙较大，隧道的高度和宽度也增加，隧道电流极小，即FTJ的“截止”状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种HfO2基铁电隧道结器件，其特征在于，
包括：
衬底；
底电极，形成在所述衬底上；
ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构，其具有对称冠状能带，所述ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构各层的能带分别为2.65eV，2.7eV，1.25eV，2.7eV，2.65eV，使得隧穿势垒的高度与宽度发生改变，改善了铁电隧道结的性能；
顶电极，形成在所述叠层结构上。
2.根据权利要求1所述的HfO2基铁电隧道结器件，其特征在于，
所述ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构中，ZrO2薄膜厚度为1～2nm，HZO薄膜厚度为6nm，Al2O3薄膜的厚度为1～2nm。
3.一种HfO2基铁电隧道结器件制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
在衬底上形成底电极；
在所述底电极上形成ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构，其具有对称冠状能带，所述ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构各层的能带分别为2.65eV，2.7eV，1.25eV，2.7eV，2.65eV，使得隧穿势垒的高度与宽度发生改变，改善了铁电隧道结的性能；
对上述结构进行快速热退火处理；
在所述叠层结构上形成顶电极。
4.根据权利要求3所述的HfO2基铁电隧道结器件制备方法，其特征在于，
所述ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构中，ZrO2薄膜厚度为1～2nm，HZO薄膜厚度为6nm，Al2O3薄膜的厚度为1～2nm。
5.根据权利要求3所述的HfO2基铁电隧道结器件制备方法，其特征在于，
采用原子层沉积方法形成所述ZrO2/HZO/Al2O3/HZO/ZrO2叠层结构。
6.根据权利要求3所述的HfO2基铁电隧道结器件制备方法，其特征在于，
进行快速热退火处理前，在所述叠层结构上形成TiN层。
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