CN116110720A - 一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铁电薄膜电容技术领域。本发明提供了一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法，在衬底一面顺次沉积第一金属层、氧化铪基铁电薄膜、第二金属层，得到金属‑铁电‑金属结构的铁电电容；对金属‑铁电‑金属结构的铁电电容进行热处理后，顺次进行刻蚀第二金属层、在氧化铪基铁电薄膜上沉积能够对氧化铪基铁电薄膜施加面内压应力的第三电极层，得到金属‑铁电‑金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。本发明氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法相较于传统的金属后退火(PMA)处理，通过沉积能够对氧化铪基铁电薄膜施加面内压应力的第三电极层可进一步提高氧化铪基铁电薄膜电容的极化强度，进一步优化氧化铪基薄膜的铁电性能。
Description
技术领域
本发明涉及铁电薄膜电容技术领域，尤其涉及一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法。
背景技术
铁电存储器具有非易失性、低功耗、读写速度快和抗辐射性能强等优点，是最有前景的新型存储器之一。氧化铪基铁电材料具有与CMOS工艺兼容和可微缩性能好等特点，在铁电存储器领域具有广阔的前景。在结晶的氧化铪基薄膜中具有三种稳定的相结构，分别是单斜相、立方相和四方相，而非中心对称的正交相被广泛认为是氧化铪基薄膜铁电性的起源。因此，促进以及稳定正交相的生成对于获得优异的铁电性能至关重要。目前影响氧化铪基铁电薄膜中铁电正交相的因素主要包括掺杂元素、退火条件、界面层、膜厚和应力等。这些因素对氧化铪基铁电薄膜铁电相的影响研究主要集中于金属-铁电-金属结构电容的金属后退火(PMA)过程中。金属后退火即沉积顶部金属层后，对所形成的金属-铁电-金属(MFM)结构进行退火热处理。在此基础上，氧化铪基铁电薄膜铁电性能的优化往往需要进一步的热处理。然而，复杂的热处理过程会导致不良的掺杂扩散和不可控的界面反应，这对工艺集成来说是需要避免的。
因此，如何提供一种简易方便、减少热预算、高效的氧化铪基铁电薄膜性能优化方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法，包含如下步骤：
1)在衬底一面顺次沉积第一金属层、氧化铪基铁电薄膜、第二金属层，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容；
2)对金属-铁电-金属结构的铁电电容进行热处理后，顺次进行刻蚀第二金属层、在氧化铪基铁电薄膜上沉积能够对氧化铪基铁电薄膜施加面内压应力的第三电极层，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
作为优选，步骤1)所述衬底为硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化镓。
作为优选，步骤1)所述第一金属层和第二金属层独立的为氮化钛、氮化坦、铂、铱或钌，第一金属层和第二金属层的厚度独立的为10～60nm。
作为优选，步骤1)所述氧化铪基铁电薄膜为二氧化铪铁电薄膜或掺杂二氧化铪铁电薄膜；掺杂二氧化铪铁电薄膜的掺杂元素为硅、铝、锆、镧、铈、锶、镥、钆、钪、钕、锗和氮中的一种或多种。
作为优选，步骤1)所述氧化铪基铁电薄膜的厚度为5～20nm。
作为优选，步骤2)所述热处理的温度为350～850℃，热处理的时间为30～60s，热处理在氮气气氛中进行。
作为优选，步骤2)所述刻蚀的方法为湿法刻蚀；湿法刻蚀采用的刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为25～35％，氨水的浓度为20～30％，双氧水和氨水的体积比为1～3：3。
作为优选，步骤2)所述刻蚀的温度为80～150℃，刻蚀的时间为1～3min。
作为优选，步骤2)所述第三电极层为氮化钛、氮化坦、铂、铱或钌，第三电极层的厚度为60～200nm。
本发明的有益效果包括：
本发明氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法是以第一金属层为第一电极层、第二金属层为第二电极层、氧化铪基铁电薄膜为铁电电容介质层先得到金属-铁电-金属结构的铁电电容，然后对该铁电电容进行热处理形成稳定的铁电相后，对第二电极层进行刻蚀处理，再沉积能对氧化铪基铁电薄膜施加面内压缩应力的第三电极层。该方法相较于传统的金属后退火(PMA)处理，通过第三电极层向氧化铪基铁电薄膜施加面内压缩应力可进一步提高氧化铪基铁电薄膜电容的极化强度，进一步优化氧化铪基薄膜的铁电性能。
附图说明
图1为金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法流程图；
图2为金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法流程对应的氧化铪基铁电薄膜电容的结构示意图；其中，1为衬底，2为第一金属层，3为氧化铪基铁电薄膜，4为第二金属层，5为第三电极层；
图3为金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的结构示意图；
图4为实施例1金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的压缩受力分析示意图；
图5为实施例1金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的电滞回线示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法，包含如下步骤：
1)在衬底一面顺次沉积第一金属层、氧化铪基铁电薄膜、第二金属层，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容；
2)对金属-铁电-金属结构的铁电电容进行热处理后，顺次进行刻蚀第二金属层、在氧化铪基铁电薄膜上沉积能够对氧化铪基铁电薄膜施加的面内压缩应力第三电极层，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
本发明中，步骤1)所述衬底优选为硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化镓。
本发明中，步骤1)所述第一金属层和第二金属层独立的优选为氮化钛、氮化坦、铂、铱或钌，第一金属层和第二金属层的厚度独立的优选为10～60nm，进一步优选为20～50nm，更优选为20～40nm。
本发明中，步骤1)所述氧化铪基铁电薄膜优选为二氧化铪铁电薄膜或掺杂二氧化铪铁电薄膜；掺杂二氧化铪铁电薄膜的掺杂元素优选为硅、铝、锆、镧、铈、锶、镥、钆、钪、钕、锗和氮中的一种或多种。
本发明中，步骤1)所述氧化铪基铁电薄膜的厚度优选为5～20nm，进一步优选为10～16nm，更优选为13～14nm。
本发明中，在衬底一面沉积第一金属层，用于形成第一电极层；在氧化铪基铁电薄膜上沉积第二金属层，用于形成第二电极层。
本发明中，步骤2)所述热处理的温度优选为350～850℃，进一步优选为450～650℃，更优选为500～600℃；热处理的时间优选为30～60s，进一步优选为35～55s，更优选为40～50s；热处理优选为在氮气气氛中进行。
本发明中，步骤2)所述热处理的方法优选为快速热退火，热处理的作用为使氧化铪基铁电薄膜内部形成稳定的铁电相。
本发明中，步骤2)所述刻蚀的方法优选为湿法刻蚀；湿法刻蚀采用的刻蚀液优选为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度优选为25～35％，氨水的浓度优选为20～30％，双氧水和氨水的体积比优选为1～3：3，进一步优选为1.5～2.5：3，更优选为2：3。
本发明中，步骤2)所述刻蚀的温度优选为80～150℃，进一步优选为100～140℃，更优选为120～130℃；刻蚀的时间优选为1～3min，进一步优选为1.5～2.5min，更优选为2min。
本发明中，步骤2)所述第三电极层优选为氮化钛、氮化坦、铂、铱或钌；第三电极层的厚度优选为60～200nm，进一步优选为60～120nm，更优选为60～90nm。
本发明中，第三电极层以不同厚度沉积在氧化铪基铁电薄膜表面，并以此来调控对氧化铪基铁电薄膜施加的面内压缩应力的大小。
本发明中，步骤1)所述沉积第一金属层、氧化铪基铁电薄膜、第二金属层和步骤2)所述沉积第三电极层的方法采用本领域公知的方法即可，优选为化学气相沉积法、磁控溅射沉积法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。
本发明中，磁控溅射沉积法优选为射频磁控溅射沉积法；磁控溅射沉积法的温度优选为20～50℃，进一步优选为30～40℃，更优选为34～36℃；磁控溅射沉积法的功率优选为70～150W，进一步优选为90～120W，更优选为100～110W；磁控溅射沉积法的压强优选为0.3×10-6～3×10-6Pa，进一步优选为0.8×10-6～1.2×10-6Pa，更优选为1×10-6Pa；磁控溅射沉积法优选为在氩气气氛下进行。
本发明中，原子层沉积法的温度优选为200～300℃，进一步优选为220～280℃，更优选为240～260℃；原子层沉积法的压强优选为0.1～2Torr，进一步优选为1～1.6Torr，更优选为1.2～1.4Torr。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
在温度为25℃、功率为100W、压强为1×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在P型硅衬底一面沉积厚度为20nm的氮化钛(第一金属层)，然后在温度为260℃，压强为0.3Torr的条件下，采用原子层沉积法在第一金属层上沉积厚度为14nm的掺杂锆元素的二氧化铪(Hf0.5Zr0.5O2)铁电薄膜，之后在温度为20℃、功率为90W、压强为0.5×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为20nm的氮化钛(第二金属层)，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容。
将金属-铁电-金属结构的铁电电容在温度为450℃、氮气的条件下快速热退火30s后，采用湿法刻蚀工艺在120℃下对第二金属层刻蚀2min(刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为30％，氨水的浓度为25％，双氧水和氨水的体积比为2：3)，然后在温度为25℃、功率为100W、压强为1×10-6Pa、氩气条件下，再次通过射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为60nm的氮化钛(第三电极层)，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
本实施例的金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的压缩受力分析示意图如图4所示，由图4可知，本实施例对氧化铪基铁电薄膜进行应力调控所施加的应力为面内压缩应力。
本实施例的金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的电滞回线示意图如图5所示，由图5可知，本实施例得到的金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容的极化强度有明显提高，本实施例中对氧化铪基铁电薄膜施加面内压缩应力的第三电极层的方法对于改善、优化氧化铪基铁电薄膜电容的铁电性能具有良好的效果。
实施例2
在温度为20℃、功率为110W、压强为1.5×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在锗衬底一面沉积厚度为10nm的氮化坦(第一金属层)，然后在温度为250℃，压强为0.1Torr的条件下，采用原子层沉积法在第一金属层上沉积厚度为20nm的掺杂钆元素的二氧化铪(Gd:HfO2)铁电薄膜，之后在温度为25℃、功率为100W、压强为1×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为60nm的氮化坦(第二金属层)，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容。
将金属-铁电-金属结构的铁电电容在温度为850℃、氮气的条件下快速热退火60s后，采用湿法刻蚀工艺在100℃下对第二金属层刻蚀1min(刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为25％，氨水的浓度为20％，双氧水和氨水的体积比为1：3)，然后在温度为30℃、功率为90W、压强为1.5×10-6Pa、氩气条件下，再次通过射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为90nm的氮化坦(第三电极层)，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
实施例3
在温度为30℃、功率为90W、压强为0.5×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在砷化镓衬底一面沉积厚度为30nm的铂(第一金属层)，然后在温度为270℃，压强为0.5Torr的条件下，采用原子层沉积法在第一金属层上沉积厚度为5nm的二氧化铪铁电薄膜，之后在温度为20℃、功率为100W、压强为0.5×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为10nm的铂(第二金属层)，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容。
将金属-铁电-金属结构的铁电电容在温度为350℃、氮气的条件下快速热退火40s后，采用湿法刻蚀工艺在150℃下对第二金属层刻蚀3min(刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为35％，氨水的浓度为30％，双氧水和氨水的体积比为1：1)，然后在温度为25℃、功率为105W、压强为0.8×10-6Pa、氩气条件下，再次通过射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为200nm的铂(第三电极层)，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
实施例4
在温度为250℃，压强为0.1Torr的条件下，采用原子层沉积法在氮化镓衬底一面沉积厚度为60nm的铱(第一金属层)，然后在温度为20℃、功率为110W、压强为1.5×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在第一金属层上沉积厚度为12nm的掺杂锶元素的二氧化铪(Sr:HfO2)铁电薄膜，之后在温度为270℃、压强为0.15Torr的条件下，采用原子层沉积法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为40nm的铱(第二金属层)，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容。
将金属-铁电-金属结构的铁电电容在温度为500℃、氮气的条件下快速热退火45s后，采用湿法刻蚀工艺在130℃下对第二金属层刻蚀1.5min(刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为30％，氨水的浓度为25％，双氧水和氨水的体积比为1：2)，然后在温度为25℃、功率为95W、压强为1.5×10-6Pa、氩气条件下，再次通过射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为120nm的铱(第三电极层)，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
实施例5
在温度为265℃，压强为0.4Torr的条件下，采用原子层沉积法在氧化镓衬底一面沉积厚度为30nm的钌(第一金属层)，然后在温度为28℃、功率为100W、压强为1.5×10-6Pa、氩气条件下，采用射频磁控溅射法在第一金属层上沉积厚度为16nm的掺杂钕元素的二氧化铪(Nd:HfO2)铁电薄膜，之后在温度为250℃、压强为0.1Torr的条件下，采用原子层沉积法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为25nm的钌(第二金属层)，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容。
将金属-铁电-金属结构的铁电电容在温度为480℃、氮气的条件下快速热退火35s后，采用湿法刻蚀工艺在125℃下对第二金属层刻蚀2.5min(刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为30％，氨水的浓度为25％，双氧水和氨水的体积比为1：3)，然后在温度为30℃、功率为100W、压强为0.5×10-6Pa、氩气条件下，再次通过射频磁控溅射法在氧化铪基铁电薄膜上沉积厚度为75nm的钌(第三电极层)，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
本发明氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法相较于传统的金属后退火(PMA)处理，通过沉积能对氧化铪基铁电薄膜施加面内压缩应力的第三电极层可进一步提高氧化铪基铁电薄膜电容的极化强度，进一步优化氧化铪基薄膜的铁电性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种氧化铪基铁电薄膜电容的性能优化方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)在衬底一面顺次沉积第一金属层、氧化铪基铁电薄膜、第二金属层，得到金属-铁电-金属结构的铁电电容；
2)对金属-铁电-金属结构的铁电电容进行热处理后，顺次进行刻蚀第二金属层、在氧化铪基铁电薄膜上沉积能够对氧化铪基铁电薄膜施加面内压应力的第三电极层，得到金属-铁电-金属结构的氧化铪基铁电薄膜电容。
2.根据权利要求1所述的性能优化方法，其特征在于，步骤1)所述衬底为硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化镓。
3.根据权利要求1或2所述的性能优化方法，其特征在于，步骤1)所述第一金属层和第二金属层独立的为氮化钛、氮化坦、铂、铱或钌，第一金属层和第二金属层的厚度独立的为10～60nm。
4.根据权利要求3所述的性能优化方法，其特征在于，步骤1)所述氧化铪基铁电薄膜为二氧化铪铁电薄膜或掺杂二氧化铪铁电薄膜；掺杂二氧化铪铁电薄膜的掺杂元素为硅、铝、锆、镧、铈、锶、镥、钆、钪、钕、锗和氮中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的性能优化方法，其特征在于，步骤1)所述氧化铪基铁电薄膜的厚度为5～20nm。
6.根据权利要求5所述的性能优化方法，其特征在于，步骤2)所述热处理的温度为350～850℃，热处理的时间为30～60s，热处理在氮气气氛中进行。
7.根据权利要求5或6所述的性能优化方法，其特征在于，步骤2)所述刻蚀的方法为湿法刻蚀；湿法刻蚀采用的刻蚀液为双氧水和氨水的混合溶液，其中，双氧水的浓度为25～35％，氨水的浓度为20～30％，双氧水和氨水的体积比为1～3：3。
8.根据权利要求7所述的性能优化方法，其特征在于，步骤2)所述刻蚀的温度为80～150℃，刻蚀的时间为1～3min。
9.根据权利要求8所述的性能优化方法，其特征在于，步骤2)所述第三电极层为氮化钛、氮化坦、铂、铱或钌，第三电极层的厚度为60～200nm。
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