TWI839215B - 埃級堆疊金屬鐵電金屬結構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，包括基板、第一電極層、鐵電層以及第二電極層，其中第一電極層是配置於基板上，鐵電層是配置於第一電極層上，第二電極層是配置於鐵電層上。鐵電層包括埃級循環堆疊之多個二氧化鉿(HfO2)層及多個二氧化鋯(ZrO2)層，每個二氧化鉿層及每個二氧化鋯層之厚度介於5～8埃米。此外，一種埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法亦被提出。

Description

埃級堆疊金屬鐵電金屬結構

本發明是有關於一種金屬鐵電金屬結構，且特別是有關於一種埃級堆疊金屬鐵電金屬結構。

在目前的電腦裝置中，由於固態硬碟(Solid State Drive, SSD)具有高讀取速度以及不易碰撞損壞等優點，所以逐漸取代傳統硬碟(Hard Disk Drive, HDD)。在固態硬碟之資料儲存單元的眾多選項之中，由於金屬鐵電金屬(metal-ferroelectric-metal, MFM)結構具有高保久性、高使用次數及低功耗等優點，未來有望取代目前的非揮發性快閃記憶體。

圖 1為習知之金屬鐵電金屬結構的示意圖，其中金屬鐵電金屬結構具有遲滯效應(Hysteresis)而可做為資料儲存單元。請參考圖1，習知之金屬鐵電金屬結構100包括基板110、第一電極層120、鐵電層130以及第二電極層140，其中第一電極層120、鐵電層130以及第二電極層140是依序堆疊於基板110上，而鐵電層130之材質為鐵電材料，諸如鋯鈦酸鉛Pb(Zr _x,Ti _1-x)O ₃(PZT)、二氧化鉿(HfO ₂)、二氧化鋯(ZrO ₂)、氧化鉿鋯(Hf _xZr _1-xO ₂, HZO)或其組合。由於鐵電層130具有遲滯效應，而可透過施加交替偏壓於第一電極層120、第二電極層140上以使金屬鐵電金屬結構100具有儲存功能。

然而，習知之金屬鐵電金屬結構100目前僅具有4個可明顯辨別的狀態，而僅能夠以2位元(2 ²)儲存資料，尚未能夠突破至8個可明顯辨別的狀態。

有鑒於此，本發明提供一種埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，透過特定之鐵電層組成，可讓埃級堆疊金屬鐵電金屬結構具有8個以上可明顯辨別的狀態，而能夠進一步以3位元(2 ³)儲存資料。

本發明之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構包括基板、第一電極層、鐵電層以及第二電極層，其中第一電極層是配置於基板上，鐵電層是配置於第一電極層上，第二電極層是配置於鐵電層上。鐵電層包括埃級循環堆疊之多個二氧化鉿(HfO ₂)層及多個二氧化鋯(ZrO ₂)層，每個二氧化鉿層及每個二氧化鋯層之厚度介於5～8埃米。

本發明另提供埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法，包括下列步驟：提供基板；於基板上形成第一電極層；於第一電極層上埃級循環堆疊多個二氧化鉿層及多個二氧化鋯層以形成鐵電層，而各該二氧化鉿層及各該二氧化鋯層之厚度介於5～8埃米；以及於鐵電層上形成第二電極層。

在一實施例中，每個二氧化鉿層及每個二氧化鋯層之厚度可介於6～7埃米，且鐵電層之厚度可介於3～9奈米。

在一實施例中，埃級堆疊金屬鐵電金屬結構更可包括阻擋層及氧捕捉層，其中阻擋層是配置於鐵電層上，氧捕捉層是配置於阻擋層上。阻擋層之材質可為氮化鈦，阻擋層之厚度可小於2奈米，且阻擋層可用濺鍍方式形成。氧捕捉層之材質可為鉬或鉑，氧捕捉層之厚度可介於20～30奈米，且氧捕捉層可用蒸鍍方式形成。

在一實施例中，埃級堆疊金屬鐵電金屬結構更可包括介電層，而介電層是配置於第一電極層上，其中介電層之材質可為氧化鋁，介電層之厚度可為1奈米，且介電層可用埃級堆疊方式形成。

在一實施例中，於形成第二電極層後，更可包括退火流程，退火流程之溫度可為400°C或600°C，退火流程之時間為30秒。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖2為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的示意圖。請參考圖2，本發明之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構200包括基板210、第一電極層220、鐵電層230以及第二電極層240，其中第一電極層220是配置於基板210上，鐵電層230是配置於第一電極層220上，第二電極層240是配置於鐵電層230上。鐵電層230包括埃級循環堆疊之多個二氧化鉿層232及多個二氧化鋯層234，每個二氧化鉿層232及每個二氧化鋯層234之厚度介於5～8埃米。

如此一來，本發明之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構200可具有8個以上可明顯辨別的狀態，其中過厚或過薄的二氧化鉿層232及二氧化鋯層234均無法造成特定遲滯效果而具有突破性效果。

圖3為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的實驗數據圖，其中橫軸為極化(Polarization)，單位是微庫倫每平方公分(µC/cm ²)，縱軸為計數(Count)。請參考圖3，圖式顯示8個特定極化範圍具有高計數效果，如此一來，本發明之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構200便能夠以3位元(2 ³=8)儲存資料，進而大幅提升儲存的效率。附帶一提的是，在本實施例之較佳參數中，二氧化鉿層232及二氧化鋯層234之厚度是介於6～7埃米，且鐵電層230整體之厚度是介於3～9奈米，熟悉此項技藝者當可微調相關參數，惟其仍屬本發明之範疇內。

儘管本發明之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構200已具有高使用次數及高保久性的優點，但為求更進一步提升耐久性，以下將另舉實施例並搭配圖式說明。

圖4為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的示意圖，其中圖4之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構400與圖2之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構200相似，相同構件則沿用相同編號且不再贅述。請同時參考圖2、4，埃級堆疊金屬鐵電金屬結構400更包括位於鐵電層230與第二電極層240之間的阻擋層450及氧捕捉層460，其中阻擋層450是配置於鐵電層230上，氧捕捉層460是配置於阻擋層450上。

一般而言，許多氧缺陷(Oxygen Vacancy)會形成於於鐵電層230中，而當反覆施加電壓於埃級堆疊金屬鐵電金屬結構400後，這些氧缺陷會向外擴散。阻擋層450之材質例如為氮化鈦，用於阻止氧缺陷擴散，且氧捕捉層460之材質可為鉬、鉑等低熱膨脹係數之金屬，以提供應力而陷落(trap)這些氧缺陷。

圖5為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的實驗數據圖，其中橫軸為循環次數(Cycles)，而縱軸為極化(µC/cm ²)。請參考圖5，本實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構400在經歷10 ⁹的正負電壓極性轉換循環次數後，極化的衰減小於5%，藉此得以大幅提升使用耐久性。

在本實施例中，阻擋層450是以濺鍍方式形成小於2奈米的膜厚，而氧捕捉層460是以蒸鍍方式形成介於20～30奈米之間的膜厚，熟悉此項技藝者當可微調相關參數，惟其仍屬本發明之範疇內。附帶一提的是，儘管圖式並未繪示，但埃級堆疊金屬鐵電金屬結構400可為對稱結構。換句話說，阻擋層450及氧捕捉層460亦可額外配置於第一電極層220與鐵電層230之間，以形成雙重阻隔。

為求進一步提升埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的記憶窗口(memory window)，以下將另舉實施例並搭配圖式說明。

圖6為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的示意圖，其中圖6之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構600與圖4之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構400相似，相同構件則沿用相同編號且不再贅述。請同時參考圖4、6，埃級堆疊金屬鐵電金屬結構600更包括位於第一電極層220與鐵電層230之間的介電層670，而藉由增設介電層670以等效降低鐵電層230的感電厚度，可有效提升埃級堆疊金屬鐵電金屬結構600的記憶窗口。

圖7為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的實驗數據圖，其中橫軸為電壓，單位為伏特(V)，而縱軸為極化(µC/cm2)。請參考圖7，相較於一般習知技藝低於3V的記憶窗口，在本實施例所顯示的遲滯效應中，埃級堆疊金屬鐵電金屬結構600具有3.6V的記憶窗口而可大幅提升相關應用的便利性。

在本實施例中，介電層670是以埃級堆疊方式於第一電極層220上形成厚度為1奈米的膜厚，而介電層670之材質為氧化鋁(Al ₂O ₃)或其他合適的介電材質，熟悉此項技藝者當可微調相關參數，惟其仍屬本發明之範疇內。

圖8為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法的流程圖。請同時參考圖2、4、6、8，本實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法800包括下列步驟，其中前述相同構件則沿用相同編號且不再贅述。首先如步驟S801所示，提供基板210並以RCA濕式方法清潔基板210。接著如步驟S802所示，於基板210上以濺鍍方式形成第一電極層220，其中第一電極層220之材質例如為氮化鈦或其他合適的導電材質。

承接上述，接著如步驟S803所示，於第一電極層220上以埃級堆疊方式形成介電層670。然後如步驟S804所示，利用原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)系統而在250°C的溫度下，於介電層670上埃級循環堆疊多個二氧化鉿層232及多個二氧化鋯層234以形成鐵電層230，其中這些二氧化鉿層232、二氧化鋯層234的較佳平均厚度例如是6.8埃米。

接著如步驟S805所示，於鐵電層230上以濺鍍方式形成阻擋層450，然後於阻擋層450上以蒸鍍方式形成氧捕捉層460。值得注意的是，在某些實施例中，可省略步驟S803或S805，藉此排除製作介電層670、阻擋層450、氧捕捉層460以降低成本。

接著如步驟S806所示，於氧捕捉層460上以濺鍍方式形成第二電極層240，其中第二電極層240之材質例如為氮化鈦或其他合適的導電材質。然後如步驟S807所示，進行退火流程及後段製程(Back End of Line, BEOL)，其中金屬化後退火(Post Metallization Annealing, PMA)例如是在600°C溫度下持續30秒。附帶一提的是，在省略步驟S803而沒有製作介電層670的情況下，金屬化後退火例如可在較低的400°C溫度下持續30秒。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:金屬鐵電金屬結構

110:基板

120:第一電極層

130:鐵電層

140:第二電極層

200、400、600:埃級堆疊金屬鐵電金屬結構

210:基板

220:第一電極層

230:鐵電層

232:二氧化鉿層

234:二氧化鋯層

240:第二電極層

450:阻擋層

460:氧捕捉層

670:介電層

S801～S807:步驟

圖1為習知之金屬鐵電金屬結構的示意圖

圖2為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的示意圖。

圖3為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的實驗數據圖。

圖4為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的示意圖。

圖5為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的實驗數據圖。

圖6為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的示意圖。

圖7為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構的實驗數據圖。

圖8為依據本發明一實施例之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法的流程圖。

200:埃級堆疊金屬鐵電金屬結構

210:基板

220:第一電極層

230:鐵電層

232:二氧化鉿層

234:二氧化鋯層

240:第二電極層

Claims (10)

1. 一種埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，包括：一基板；一第一電極層，配置於該基板上；一鐵電層，配置於該第一電極層上，該鐵電層包括埃級循環堆疊之多個二氧化鉿層及多個二氧化鋯層，各該二氧化鉿層及各該二氧化鋯層之厚度介於5~8埃米；以及一第二電極層，配置於該鐵電層上。
2. 如請求項1所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，其中各該二氧化鉿層及各該二氧化鋯層之厚度介於6~7埃米，且該鐵電層之厚度介於3~9奈米。
3. 如請求項1所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，更包括：一阻擋層，配置於該鐵電層上，該阻擋層之材質為氮化鈦；以及一氧捕捉層，配置於該阻擋層上，該氧捕捉層之材質為鉬或鉑。
4. 如請求項3所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，其中該阻擋層之厚度小於2奈米，且該阻擋層是以濺鍍方式形成。
5. 如請求項3所述之埃層堆疊金屬鐵電金屬結構，其中該氧捕捉層之厚度介於20~30奈米，且該氧捕捉層是以蒸鍍方式形成。
6. 如請求項3所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構，更包括一介電層，該介電層是配置於該第一電極層上，其中該介電層之材質為氧化鋁，該介電層之厚度為1奈米，且該介電層是以埃級堆疊方式形成。
7. 一種埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法，包括： 提供一基板；於該基板上形成一第一電極層；於該第一電極層上埃級循環堆疊多個二氧化鉿層及多個二氧化鋯層以形成一鐵電層，而各該二氧化鉿層及各該二氧化鋯層之厚度介於5~8埃米；以及於該鐵電層上形成一第二電極層。
8. 如請求項7所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法，於形成該鐵電層後，更包括：於該鐵電層上以濺鍍方式形成一阻擋層，該阻擋層之材質為氮化鈦，該阻擋層之厚度小於2奈米；以及於該阻擋層上以蒸鍍方式形成一氧捕捉層，該氧捕捉層之材質為鉬或鉑，該氧捕捉層之厚度介於20~30奈米，其中各該二氧化鉿層及各該二氧化鋯層之厚度介於6~7埃米，且該鐵電層之厚度介於3~9奈米。
9. 如請求項8所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法，於形成該第二電極層後，更包括一退火流程，該退火流程之溫度為400℃，該退火流程之時間為30秒。
10. 如請求項8所述之埃級堆疊金屬鐵電金屬結構之製造方法，更包括：於形成該第一電極層後，於該第一電極層上以埃級堆疊方式形成一介電層，該介電層之材質為氧化鋁，該介電層之厚度為1奈米；以及於形成該第二電極層後，進行一退火流程，該退火流程之溫度為600℃，該退火流程之時間為30秒。