CN114360929A - 一种氧化铪基铁电薄膜电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铪基铁电薄膜电容器及其制备方法，制备方法包括如下步骤：S1：在衬底上沉积底电极层；S2：对步骤S1沉积的底电极层进行一定时间的紫外臭氧辐射处理；S3：在步骤S2处理后的底电极层上生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜层；S4：在步骤S3生长的Hf0.5Zr0.5O2薄膜层上沉积顶电极层，得到衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物；S5：对步骤S4得到的衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物进行快速退火处理。本发明的制备方法操作简便，可控性强，效率高，制备的氧化铪基铁电薄膜质量高、铁电性能好。
Description
技术领域
本发明涉及电容器领域，具体涉及一种氧化铪基铁电薄膜电容器及其制备方法。
背景技术
存储器是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备，是电子系统中不可或缺的核心部件。作为下一代新型的存储技术之一，铁电存储器(FeRAM)因其具有低功耗、超快擦写以及抗辐射等优点在过去的几十年中一直是人们研究的热点。从理论上预期，FeRAM有望克服闪存的不足之处，不仅可以部分取代乃至提高现有非易失性存储器件的功能，而且有望在一些特殊领域得到应用。然而，受到传统铁电材料(钙钛矿结构氧化物)体系缺陷(如尺寸效应、污染问题等)等因素的限制，使得传统铁电材料与现有互补金属氧化物半导体(COMS)生产线不兼容，导致FeRAM的商业化应用进程受到阻碍。
新型氧化铪基铁电薄膜(Fe-HfO2，萤石结构氧化物)具有稳定的纳米级铁电性和与COMS工艺的良好兼容性，使FeRAM重新成为最前沿的存储器技术之一。在过去短短几年内，基于Fe-HfO2的FeRAM的研究也逐步深入展开，尤其是铁电场效应晶体管(FeFET)取得了重大进展。基于现有成熟的高K金属栅极工艺(HKMG)，Fe-HfO2基FeFET在器件尺寸、电学性能和存储容量等各项性能指标上迅速超越了基于传统钙钛矿铁电材料的FeFET器件，是目前FeRAM的重要发展方向。然而，就目前而言Fe-HfO2基FeFET的商业应用仍然存在一个主要挑战：由于高的矫顽场(Ec)而导致受限的疲劳特性(～104-105)。众所周知，Fe-HfO2的Ec(～1MV/cm)远大于传统钙钛矿铁电材料(<100kV/cm)。虽然这对于获得大存储窗口(MW～2·Ec·dFE)、优异的保持性能以及缩小器件尺寸有利，但是高的Ec在重复的写入Ec/擦除过程中总是需要在栅极施加一个强电场来完成极化切换，这无疑会加速薄膜的击穿过程并降低器件的疲劳性能。因此，基于简便、可控、高效的工艺方案进一步完成Fe-HfO2薄膜Ec的调控是Fe-HfO2基FeFET提升疲劳特性加速商业化应用的直接选择。
目前较为常见的降低HfO2基铁电薄膜矫顽场的技术方法主要有两种方法。一种方法是通过使用小尺寸的掺杂元素(如Si,Al)通过掺杂剂尺寸效应或调控HfO2基铁电薄膜单斜相(m相，P21/c)的比例分数来降低矫顽场。这种方法的缺点是：小尺寸掺杂剂获得的HfO2基铁电薄膜(如HfxSi1-xO2，HfxAl1-xO2)往往属于少量或微量的掺杂，这不仅具有狭窄的工艺窗口也伴随着不稳定以及较小的剩余极化(Pr)，从而限制了其在相关器件中的应用。另一种方法是通过更换底部电极或插入底部晶种层来完成HfO2基铁电薄膜的晶相结构调控或减少界面死层，并进一步降低铁电薄膜的矫顽场。这种方法的缺点是：通过更换底部电极或插入晶种层来调控底部界面状态，其操作是不可控并且是不可逆的，这严重限制了该解决方案的应用范围。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底上沉积底电极层；
S2：对步骤S1沉积的底电极层进行一定时间的紫外臭氧辐射处理；
S3：在步骤S2处理后的底电极层上生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜层；
S4：在步骤S3生长的Hf0.5Zr0.5O2薄膜层上沉积顶电极层，得到衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物；
S5：对步骤S4得到的衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物进行快速退火处理。
相对于现有技术，本发明通过将锆(Zr)元素掺杂氧化铪(HfO2)来制备具有高剩余极化以及宽的工艺窗口的Hf0.5Zr0.5O2(HZO)铁电薄膜，并在生长HZO薄膜前先用紫外臭氧(UV-O3)对底电极进行辐射处理来调控底电极表面极性和表面能，进而调控生长后的HZO薄膜在快速退火过程中形成的o相和t相结构的占比，其中o相对应铁电性，t相对应反铁电性；通过调控HZO薄膜中不同晶相(o相和t相)占比从而降低HZO薄膜的矫顽场，使HZO铁电薄膜电容器具有优异的疲劳和保持特性，同时确保HZO铁电薄膜电容器具有良好的铁电性。
进一步地，在步骤S2中，所述紫外臭氧辐射处理时长为5～30min。
进一步地，在步骤S5中，退火温度为400～600℃，退火时间为30～60s。
进一步地，在步骤S3中，取锆前驱体和铪前驱体并通入氧源物质，采用原子层沉积法生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜，生长温度为250～280℃，生长循环数为25～100。
进一步地，在步骤S1中，采用磁控溅射法溅射靶材沉积所述底电极，温度为0～300℃，氩气分压为1.0～5.0×10-1Pa，基板转速为3～10rpm，溅射功率为20～30W，溅射时间为5～30min。
进一步地，在步骤S1中，所述衬底为二氧化硅/硅、硅、锗、蓝宝石、云母或金箔中的任一种。
进一步地，在步骤S4中，采用磁控溅射法溅射靶材沉积所述顶电极，温度为0～300℃，氩气分压为1.0～5.0×10-1Pa，基板转速为3～10rpm，溅射功率为20～30W，溅射时间为5～30min。
进一步地，步骤S2中的所述底电极和步骤S4中的所述顶电极为Au(金)、Ni(镍)、Pt(铂)、TiN(氮化钛)、Mo(钼)、Ru(钌)和ITO(氧化铟锡)中的任一种。
本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制备的氧化铪基铁电薄膜电容器，包括依次沉积在衬底上的底电极、HZO薄膜和顶电极。
进一步地，所述底电极厚度为30～100nm；所述Hf0.5Zr0.5O2薄膜厚度为5～20nm；所述顶电极为多个圆点电极，且每一所述圆点电极的直径为20～200μm，厚度为30～100nm。
附图说明
图1是本发明氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例1～4制得的氧化铪基铁电薄膜电容器的结构示意图；
图3为对比实施例的HZO薄膜的XRR测试曲线，插图显示了HZO薄膜电容器的示意图；
图4(a)～(e)分别为对比实施例和实施例1～4的W底电极的AFM形貌测试，对应的插图显示了相应的接触角测量结果(左：使用的溶液为去离子水，右：使用的溶液为乙二醇)。图4(f)为对比实施例和实施例1～4的W底电极的表面能和Rq值的汇总图；
图5(a)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的GIXRD衍射光谱，图5(b)为GIXRD衍射峰的解卷积拟合结果，图5(c)为不同时间UV-O3处理后HZO薄膜中o相和t相的相对比例分数。
图6(a)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的P-V回线，图6(b)为在±5V扫描电压下，对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的P-V回线，6(c)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的2Pr；图6(d)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的2Vc；
图7为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的疲劳测试对比图：图7(a)为使用脉冲为±2.0V/105Hz时的疲劳特性对比图，图7(b)为使用脉冲为±2.5V/10Hz时的疲劳特性对比图；
图8为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜在使用±4V/1ms的写入/读取脉冲的保持测试对比图；
图9为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的漏电流-电压(I-V)特性对比图；
附图标记：10-衬底、20-底电极、30-HZO薄膜、40-顶电极。
具体实施方式
HZO薄膜中的正交相(o相)对应铁电性，四方相(t相)对应反铁电性，o相的形成往往需要来自t相的转换。根据成核相变理论，HZO薄膜的铁电性与薄膜中t相和o相之间的转变高度相关。而申请人通过大量试验发现，HZO薄膜中t相和o相的占比又与HZO薄膜矫顽场的高低密切联系：当生长HZO薄膜的界面表面能太高时，不利于其结晶过程中o相的成核以及冷却阶段从t相向o相的转变，推测的原因是生长HZO薄膜的界面表面能太高会增加t相向o相的能量转变势垒，从而抑制t相向o相的转变，而当t相向o向转变受到抑制时，会使HZO薄膜中t相占比增加，由于t相更容易完成极化翻转，所以HZO薄膜中的t相占比高有利于降低矫顽场。因此申请人构思通过调控用于生长HZO薄膜的界面极性和表面能以控制HZO薄膜的t相和o相的占比，从而降低HZO薄膜矫顽场的同时确保HZO薄膜具有优异的铁电性能，即在生长HZO薄膜前，采用UV-O3对用于生长HZO薄膜的界面进行辐射处理，进而提供一种低矫顽场的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法。请参阅图1，图1是本发明制备方法的流程图，该制备方法包括以下步骤：
S1：在衬底上沉积底电极层；
S2：对步骤S1沉积的底电极层进行一定时间的紫外臭氧辐射处理；
S3：在步骤S2处理后的底电极层上生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜层；
S4：在步骤S3生长的Hf0.5Zr0.5O2薄膜层上沉积顶电极层，得到衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物；
S5：对步骤S4得到的衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物进行快速退火处理。
本发明的另一个目的是提供上述制备方法制备的氧化铪基铁电薄膜电容器，该氧化铪基铁电薄膜电容器包括依次沉积在衬底上的底电极、HZO薄膜和顶电极。
以下通过4个实施例和1个对比实施例对本发明的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法作进一步具体说明。
实施例1～4以及对比实施例
实施例1～4均是通过上述制备方法包括的步骤制备氧化铪基铁电薄膜电容器，不同实施例的区别仅在于：步骤S2的UV-O3辐射时长不同。而对比实施例是没有进行UV-O3辐射(w/o，即UV-O3辐射时长为0min)，具体实施过程为：
在进行步骤S1前，选择硅片作为衬底，并对其进行化学清洗。衬底的清洁程度会影响底部电极的生长质量进而劣化电容器的整体性能，需要通过基板的清洗尽可能保证平整的底部界面。
S1：采用磁控溅射法溅射钨(W)靶材，在所述硅衬底上生长厚度为50nm的W底电极，其中，磁控溅射功率设定为25W，溅射时间为15min，基板加热温度为100℃，基板转速为5rpm，使用氩气作为保护气，生长环境的氩气分压为3.0×10-1Pa。
基于磁控溅射镀膜工艺制备的W电极具有优异的化学稳定性和低热膨胀系数(4.5×10-6K-1)可以产生高的面内拉伸应变并抑制界面缺陷产生，底电极优选为W电极。
S2：采用Novascan紫外臭氧清洗机，对步骤S1中生长的W底电极进行UV-O3不同时长的辐射处理，UV光源的平均辐射强度为28～32mW/cm2。不同实施例的UV-O3辐射时长如下方表1所示，通过不同时长的UV-O3辐射处理以获得不同的W底电极的底部极性/表面能；
表1
| 编号 | 对比实施例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| UV-O<sub>3</sub>辐射时长(min) | 0 | 5 | 10 | 20 | 30 |
S3：取Zr[N(CH3)2]4和Hf[N(CH3)2]4并通入O3采用原子层沉积(ALD)法在步骤S2处理后的W底电极上生长15nm厚的HZO薄膜，其中，生长温度为280℃，生长循环为75cycles(循环)。
HZO薄膜厚度在生长5～20nm HZO薄膜在保证高铁电性能的同时可以实现低的漏电流，优选为15nm。
S4：采用磁控溅射法溅射钨(W)靶材，在步骤S3生长的HZO薄膜上沉积多个均匀分布的厚度为40nm且直径为100μm的圆点顶电极，得到硅衬底/W底电极/HZO/W圆点顶电极的四层结构产物，其中，其中，磁控溅射功率设定为25W，溅射时间为15min，基板加热温度为100℃，基板转速为5rpm，使用氩气作为保护气，生长环境的氩气分压为3.0×10-1Pa。在这里，可以采用硬掩膜工艺直接生长圆点顶电极或采用光刻工艺刻蚀出圆点顶电极。
HZO薄膜上的顶电极可以通过提供所需的机械应力来稳定HZO薄膜中的铁电o相。而采用W圆点顶电极在提供o相形成所需应力条件外，最大程度的减小顶底电极功函数差异带来的器件性能的损失；此外，圆形顶电极可以有效减少金属/铁电薄膜间界面死层和/或界面氧空位的存在，减少漏电流。
S5：对步骤S4得到的衬底/W底电极/HZO/W顶电极的四层结构产物在氮气或氩气氛围下进行快速退火处理，其中退火温度为550℃，退火时间为30s。
通过快速退火以及顶底电极提供的夹持应力可以得到亚稳态的正交相，从而诱导HZO薄膜的铁电性。在快速的高温退火过程中电极可能存在与空气其中氧气反应导致电极氧化失效。通过通入N2等惰性气体，可以形成惰性气氛条件有效避免电极与空气中氧气反应。退火温度过高或过低，以及退火时间过短或过长都可能导致产生多余的单斜相，不利于铁电亚稳态正交相的形成。
请参阅图2，图2为本发明实施例1～4制得的氧化铪基铁电薄膜电容器的结构示意图，由图可见，基于硅衬底10的铁电薄膜电容器从下之上依次为W底电极20/HZO 30/W圆点顶电极40。
需要说明的是，本发明的制备方法并不局限于Hf0.5Zr0.5O2(HZO)铁电薄膜，采用本发明的制备方法并通过脉冲循环调制和/或脉冲的气流量，可以得到不同的元素比例，如Hf0.4Zr0.6O2、Hf0.6Zr0.4O2。采用不同的前驱体可扩展至不同元素比例或不同元素掺杂的HfO2基铁电薄膜，如采用La(iPrCp)3、Hf[N(CH3)2]4作为La、Hf的前驱体制备HfxLa1-xO2，采用Al[CH3]3、Hf[N(CH3)2]4作为Al、Hf的前驱体制备HfxAl1-xO2等。
以下是对实施例1～4和对比实施例的氧化铪基铁电薄膜电容器做的相关性能分析
(一)XRR测试
使用X射线反射率(XRR)测试用以计算对比实施例的HZO薄膜的厚度。
请参阅图3，图3为对比实施例的HZO薄膜的XRR测试曲线。通过X-射线反射率(XRR)测量证实HZO薄膜的厚度约为15nm。此外，插图中象征性的展示了UV-O3辐射处理W底电极界面的过程，用以获得不同的极性/表面能。
(二)AFM测试
通过原子力显微镜(AFM；Asylum Research)表征薄膜的表面形貌，通过测量静态接触角(Data Physics OCA；Stuttgart)并使用Owens-Wendt-Rabe-Kaelble(OWRK)方法根据接触角值计算表面能。接触角测试使用的溶液为去离子水和乙二醇。
请参阅图4，图4(a)～(e)分别为对比实施例和实施例1～4的W底电极的AFM形貌测试，对应的插图显示了相应的接触角测量结果(左：使用的溶液为去离子水，右：使用的溶液为乙二醇)。图4(f)为对比实施例和实施例1～4的W底电极的表面能和Rq值的汇总图。
经过原子力显微镜(AFM)测试表明，不同UV-O3辐射时间后W底电极表面均匀光滑，表面均方根粗糙度(Rq)在800-1000pm的小范围波动。通过测量静态接触角并用Owens-Wendt-Rabe-Kaelble(OWRK)方法计算W底电极的表面能。可以发现，表面能对UV-O3辐射时间具有明显的依赖性，并且随着辐射时间的增加而逐渐增加。根据成核转变理论，HZO薄膜铁电性与退火过程中四方相(t相，P42/nmc)到正交相(o相，Pca21)的转变密切相关。在这里，推测较高的表面能可能不利于生长阶段o相的成核和冷却过程中t相到o相的转变。
(三)GIXRD衍射光谱
使用X射线衍射仪(X'Pert PRO PANalytical)进行掠入射X射线衍射(GIXRD)用以评估薄膜的晶体结构。GIXRD测试参数：预设入射角为0.5°-2.5°，2θ扫描范围为25°-34°。
请参阅图5，图5(a)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的GIXRD衍射光谱，图5(b)图显示了GIXRD衍射峰的解卷积拟合结果，图5(c)汇总了对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜中o相和t相的相对比例分数。
如图5(a)所示，掠入射X-射线衍射(GIXRD，2θ:25°-34°)测试表明不同时间UV-O3辐射处理后的HZO薄膜均具有优异的结晶性，在28.5°(-111m)和31.5°(111m)位置未观察到单斜相(m相)的存在。随着UV-O3时间的延长，主要衍射峰出现规则性漂移。由于主要衍射峰的t相(30.5°)和o相(30.8°)共存，因此通过GIXRD衍射峰的半定量高斯拟合来估算铁电薄膜中o/t相的相对比例分数，如图5(b)所示。图5(c)汇总了相应的的拟合计算结果，可以观察到o相的比例随着退火时间的延长而逐渐减少，这也意味这t相所占比例逐渐增加。HZO薄膜的o相和t相分别对应着铁电性和反铁电性能。因此采用本发明的制备方法可以通过控制UV-O3辐射处理时间来得到实际使用所需的HZO薄膜。
(四)P-V测试
使用铁电测试仪(Radiant Precision Workstation)用于测试HZO样品的铁电特性。
请参阅图6(a)～(d)，图6(a)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的P-V回线，图6(b)为在±5V扫描电压下，对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的P-V回线，6(c)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的2Pr；图6(d)为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的2Vc。
HZO薄膜电容器的极化-电压(P-V)磁滞回线是采用1kHz双极三角波测量的，没有唤醒程序。从实验P-V曲线可以看出，随着UV-O3辐射处理时间的增加，能观察到更加收缩和线性的极化曲线。这表明增加底电极上的UV-O3辐射处理时间会导致剩余极化Pr和矫顽电压Vc的波动。如图6(c)所示，HZO薄膜的2Pr值随着扫描电压的增加而上升，随着UV-O3辐射处理时间增加而下降。例如，在±5V的扫描电压下，2Pr值由对比实施例1(辐射时间为5min)的HZO薄膜的48.2μC/cm2逐步下降至实施例4(辐射时间为30min)的HZO薄膜的28.6μC/cm2。此外，如图6(d)所示，随着UV-O3照射时间的增加，HZO薄膜的2Vc值呈现出规律的、可控的下降趋势。众所周知，由于氧化铪基铁电薄膜高的矫顽场导致其在FeFET等应用场景中表现出受限的疲劳特性(～104-105)。本发明可以通过控制UV-O3辐射处理时间对Vc值进行调控的同时获得相当高的Pr值，这有利于FeFET获得大的存储窗口以及提升器件的耐久性。
(五)疲劳测试
请参阅图7(a)和(b)，图7为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的疲劳测试对比图：图7(a)为使用脉冲为±2.0V/105Hz时的疲劳特性对比图，图7(b)为使用脉冲为±2.5V/10Hz时的疲劳特性对比图。如图7(a)所示，在短脉冲(±2.0V 100k Hz)下，对比实施例和实施例1～4(辐射时间分别为5min、10min、20min和30min)的HZO薄膜都可以观察到高达109的耐久循环。对比实施例和实施例1的HZO薄膜仅在106次循环后就观察到了明显的极化衰减，而在UV-O3辐射处理时间较长的实施例2～4(辐射时间分别为10min、20min和30min)的HZO薄膜中，观察到了更好的疲劳特性。此外，如图7(b)所示，进一步研究了具有宽脉冲(±2.5V10Hz)的疲劳特性。在实施例2～4的HZO薄膜中观察到唤醒效应，这可能归因于电压驱动的缺陷重新分布和部分相变(t→o相)。人们普遍认为在极化反转过程中不可避免的会产生缺陷，较低的Ec有利于降低其极化转换电压，从而避免在高反转电压情况下产生缺陷，实现增强的疲劳特性。
(六)写入/读取脉冲的保持测试
请参阅图8，图8为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜在使用±4V/1ms的写入/读取脉冲的保持测试对比图。由图8所示的测量结果可见，对比实施例以及实施例1～4的HZO薄膜均表现出优异的保留性能。对于对比实施例(w/o)和实施例1(辐射时间为5min)的HZO薄膜，在104秒后的极化损耗仅为1.2％和0.03％。此外，在保留测量过程中实施例2(辐射时间为10min)、实施例3(辐射时间为20min)和实施例4(辐射时间为30min)30的HZO薄膜，也观察到了不同程度的唤醒效应，而在具有较长UV-O3辐射时间的HZO薄膜中观察到了更快的唤醒效果。
(七)漏电流-电压特性
使用半导体器件分析仪(Agilent B1500A)测试HZO样品的漏电流特性。
请参阅图9，图9为对比实施例和实施例1～4的HZO薄膜的漏电流-电压(I-V)特性对比图。图9显示了HZO薄膜在不同UV-O3辐射时间下的漏电流-电压(I-V)特性。HZO薄膜的I-V曲线具有一个或两个不同的电流峰值，这被认为是由于极化切换引起的负微分电阻。对于具有较长UV-O3辐射时间的HZO薄膜观察到较低的漏电流，较低的漏电流有利于提升薄膜的耐久性。鉴于o相和t相的不同电子结构，不同的I-V测试结果应该与HZO薄膜中的o/t相比密切相关。
综上所述，本发明的氧化铪基铁电薄膜电容器及其制备方法，具有如下特性：
(1)本发明采用原子层沉积的方法制备HZO电容器中的铁电层，铁电薄膜质量以及铁电性能好，有商业生产的潜力；
(2)本发明创新性地采用UV-O3技术方案对底部电极/HZO进行界面处理。采用不同的UV-O3辐射时间可以获得不同表面极性/表面能的内底部电极，其表面极性/表面能是可控、递变以及可恢复的；
(3)本发明创新性地采用具有不同表面极性/表面能的底电极实现HZO薄膜快速退火过程中可控的相变，并获得了大范围内矫顽场可调制的HZO薄膜；
(4)本发明制备的HZO铁电电容器具有优异的疲劳和保持特性；
(5)本发明制备的矫顽场可控的HZO薄膜应用于铁电存储器以及负电容晶体管。
相对于现有技术，本发明通过将锆(Zr)元素掺杂氧化铪(HfO2)来制备具有高剩余极化以及宽的工艺窗口的Hf0.5Zr0.5O2(HZO)铁电薄膜，并在生长HZO薄膜前先用紫外臭氧(UV-O3)对底电极进行辐射处理来调控底电极表面极性和表面能，进而调控生长后的HZO薄膜在快速退火过程中形成的o相和t相结构的占比，其中o相对应铁电性，t相对应反铁电性；通过调控HZO薄膜中不同晶相(o相和t相)占比从而降低HZO薄膜的矫顽场，使HZO铁电薄膜电容器具有优异的疲劳和保持特性，同时确保HZO铁电薄膜电容器具有良好的铁电性。相比现有技术的掺杂法和替换底电极或插入底部晶种，本发明的制备方法操作简便，可控性强，效率高，且制备的氧化铪基铁电薄膜质量高、铁电性能好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：
S1：在衬底上沉积底电极层；
S2：对步骤S1沉积的底电极层进行一定时间的紫外臭氧辐射处理；
S3：在步骤S2处理后的底电极层上生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜层；
S4：在步骤S3生长的Hf0.5Zr0.5O2薄膜层上沉积顶电极层，得到衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物；
S5：对步骤S4得到的衬底/底电极/Hf0.5Zr0.5O2/顶电极的四层结构产物进行快速退火处理。
2.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述紫外臭氧辐射处理时长为5～30min。
3.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，退火温度为400～600℃，退火时间为30～60s。
4.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，取锆前驱体和铪前驱体并通入氧源物质，采用原子层沉积法生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜，生长温度为250～280℃，生长循环数为25～100。
5.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，采用磁控溅射法溅射靶材沉积所述底电极，温度为0～300℃，氩气分压为1.0～5.0×10-1Pa，基板转速为3～10rpm，溅射功率为20～30W，溅射时间为5～30min。
6.根据权利要求5所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述衬底为二氧化硅/硅、硅、锗、蓝宝石、云母或金箔中的任一种。
7.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，采用磁控溅射法溅射靶材沉积所述顶电极，温度为0～300℃，氩气分压为1.0～5.0×10-1Pa，基板转速为3～10rpm，溅射功率为20～30W，溅射时间为5～30min。
8.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于：步骤S2中的所述底电极和步骤S4中的所述顶电极为Au、Ni、Pt、TiN、Mo、Ru和ITO中的任一种。
9.根据权利要求1～8任一所述的制备方法制得的氧化铪基铁电薄膜电容器，其特征在于：包括依次沉积在衬底上的底电极、Hf0.5Zr0.5O2薄膜和顶电极。
10.根据权利要求9所述的氧化铪基铁电薄膜电容器，其特征在于：所述底电极厚度为30～100nm；所述Hf0.5Zr0.5O2薄膜厚度为5～20nm；所述顶电极为多个圆点电极，且每一所述圆点电极的直径为20～200μm，厚度为30～100nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |