提高铪基铁电器件耐久性的方法及铪基铁电器件

1.本发明涉及集成电路器件技术领域，具体地，涉及一种提高铪基铁电器件耐久性的方法及铪基铁电器件。


背景技术：

2.在人工智能与物联网技术驱动下的大数据时代，数据量的爆炸式增长对集成电路的计算和存储能力提出更高的要求。传统的存储技术由静态存储器(sram)、动态存储器(dram)和闪存(flash)三级结构构成并进行各项性能的互补和平衡，该存储架构已逐渐难以满足大数据时代海量数据的存储以及例如深度学习等高速、高带宽存储器访问任务的执行。因此，亟需以新材料、新原理、新架构为主要特征的新型技术实现更高速度、更低功耗、更高密度以及如存算一体等新型功能的非易失性存储器件。
3.目前，学术和工业界已提出几种新型存储技术路线，包括阻变存储器(rram)、相变存储器(pcram)、自旋电子存储器(stt-mram)和多种铁电存储器件等。其中包括铁电晶体管(fefet)、铁电存储器(feram)以及铁电隧道结(ftj)在内的铁电存储器件兼具存储密度大、读写速度快、存储能耗低等多种优势。该类器件前期发展主要基于钙钛矿结构如pzt、bto等铁电材料。但传统钙钛矿铁电材料存在与cmos工艺不兼容、微缩性能差、环境污染等问题，在130nm以下工艺生产中存在挑战。2011年，德国namlab发现了在cmos技术中已成熟应用的高k材料氧化铪(hfo2)的铁电性质，与传统pzt和bto铁电材料不同，铪基铁电薄膜不仅cmos工艺兼容，而且在纳米尺度(《30nm)表现出铁电性质，具有优秀的微缩特性。因此，这种新的材料几乎可完美解决传统钙钛矿铁电材料的所有瓶颈问题，有望引领新型铁电存储器件的发展。半导体行业观察指出新一代铁电存储器件的发展势头正在形成，这将改变下一代存储格局。
4.然而对于未来超越sram和dram的通用存储(如嵌入式存储)或存算一体器件耐久性》10
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的应用需求，其功耗和耐久性方面的性能还存在明显的差距。


技术实现要素：

5.针对现有铪基铁存储器以及铁电晶体管耐久性差的问题，本发明的目的是提供一种提高铪基铁电器件耐久性的方法及铪基铁电器件。
6.根据本发明的一个方面，提供一种提高铪基铁电器件耐久性的方法，该方法包括：
7.在衬底上制备铪基薄膜；
8.在所述铪基薄膜上形成金属电极，形成铪基器件；
9.对所述铪基薄膜进行热退火使其结晶具有反铁电特性，得到铪基反铁电薄膜，形成铪基铁电器件；
10.对所述铪基反铁电薄膜施加电场循环，使所述铪基反铁电薄膜在获得剩余极化强度的同时提高耐久性。
11.进一步地，所述在衬底上制备铪基薄膜，其中：所述铪基薄膜的制备方法包括原子
层沉积、磁控溅射和激光脉冲沉积中的任意一种。
12.进一步地，所述在衬底上制备铪基薄膜，其中：所述铪基薄膜的厚度为0.1-100nm。
13.进一步地，所述在衬底上制备铪基薄膜，其中：所述铪基薄膜的基本材料为氧化铪，掺杂元素为zr、si、ge、al、y、la和n中的任意一种，按照掺杂元素与铪元素的原子量比值，掺杂浓度范围为0-100％。
14.进一步地，所述在所述铪基薄膜上形成金属电极，形成铪基器件，其中：所述铪基器件为电容、晶体管和隧道结中的任意一种。
15.进一步地，所述对所述铪基薄膜进行热退火使其结晶具有反铁电性，得到铪基反铁电薄膜，形成铪基反铁电器件，其中：热退火的温度为300-1300度。
16.进一步地，所述在衬底上制备铪基薄膜，其中：所述衬底采用金属材料或半导体材料形成。
17.进一步地，所述半导体材料为si、ge、sic和薄膜半导体中的任意一种，所述金属材料为tin、tan和w中的任意一种。
18.进一步地，所述对所述铪基反铁电薄膜施加电场循环，包括：施加电场为直流电场或交流电场循环，其中，所述直流电场的电压幅值为0.5v-20v，时间为1ps-100h；所述交流电场的电压幅值为0.5v-20v，循环频率为1hz-100mhz，波形包括三角波、正弦波和方波中的任意一种，时间为1ps-100h。
19.根据本发明的第二方面，提供一种铪基铁电器件，该铪基铁电器件采用上述的提高铪基铁电器件耐久性的方法制备得到。
20.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
21.本发明通过制备铪基反铁电薄膜，并对铪基反铁电薄膜施加电场循环，可使铪基反铁电薄膜获得剩余极化强度，且使得铪基反铁电薄膜在具有剩余极化强度的条件下获得大于10
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个循环的耐久性。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
23.图1为本发明一实施例的提高铪基铁电器件耐久性的方法的流程示意图；
24.图2为本发明实施例的提高铪基铁电器件耐久性的原理示意图；
25.图3为本发明实施例的提高铪基铁电器件耐久性的效果示意图。
26.图中：1为衬底，2为第一tin金属薄膜，3为铪基薄膜，4为光刻胶，5为第二tin金属薄膜。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应
该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
28.本发明实施例提供一种提高铪基铁电器件耐久性的方法，参照图1，该方法包括：
29.步骤1、在衬底上制备铪基薄膜；
30.步骤2、在铪基薄膜上形成金属电极，形成铪基器件；
31.步骤3、对铪基薄膜进行热退火使其结晶具有反铁电特性，得到铪基反铁电薄膜，形成铪基铁电器件；
32.步骤4、对铪基反铁电薄膜施加电场循环，使铪基反铁电薄膜在获得剩余极化强度的同时提高耐久性。
33.提高铪基铁电器件耐久性的原理如图2所示，对铪基薄膜进行热退火使其结晶具有反铁电特性形成的铪基反铁电材料(即铪基反铁电薄膜)具有良好的耐久性，但没有剩余极化强度，铁电材料具有良好的剩余极化强度还耐久性不足。通过对铪基反铁电薄膜加电场循环，可以使其向铁电特性转变、获得剩余极化强度的同时保持高的耐久性。
34.在一些具体的实施方式中，在衬底上制备铪基薄膜，其中：衬底采用金属材料或半导体材料形成。优选地，半导体材料为si、ge、sic和薄膜半导体中的任意一种。金属材料为tin、tan和w中的任意一种。
35.在一些具体的实施方式中，在衬底上制备铪基薄膜，其中：铪基薄膜的制备方法包括原子层沉积、磁控溅射和激光脉冲沉积中的任意一种。铪基薄膜的厚度与薄膜沉积速度有关，可以根据实际需要给定，优选地，铪基薄膜的厚度为0.1-100nm，0.1-100nm的薄膜可以促进铪基反铁电特性的形成。
36.在一些具体的实施方式中，在衬底上制备铪基薄膜，其中：铪基薄膜的基本材料为可出现极化性质且cmos工艺兼容的氧化铪，掺杂元素为zr、si、ge、al、y、la和n中的任意一种，掺杂这些元素可促进铪基薄膜形成反铁电特性；按照掺杂元素与铪元素的原子量比值，掺杂元素的掺杂浓度范围为0％到100％，可以根据实际需要给定。
37.在一些具体的实施方式中，在铪基薄膜上形成金属电极，形成铪基器件，其中：铪基器件为电容、晶体管和隧道结中的任意一种；铪基薄膜顶部的电极的材料包括tin、au、ag、al、tan和ruo2等中的任意一种，这些电极材料有利于铪基薄膜反铁电特性的形成。
38.在一些具体的实施方式中，对铪基薄膜进行热退火使其结晶具有反铁电特性，调控各项参数形成四方相为主的铪基反铁电晶体结构，得到铪基反铁电薄膜，形成铪基反铁电器件，其中：退火温度根据掺杂元素种类、掺杂浓度、上下电极、薄膜厚度等参数需要给定，优选地，热退火的温度为300-1300度。
39.在一些具体的实施方式中，对铪基反铁电薄膜施加电场循环，其中：电场幅值、模式、施加时间、频率、波形根据实际需要给定。优选地，对铪基薄膜施加电场循环，包括：施加电场为直流电场或交流电场循环，其中，直流电场的电压幅值为0.5v-20v，时间为1ps-100h；交流电场的电压幅值为0.5v-20v，循环频率为1hz-100mhz，波形包括三角波、正弦波和方波中的任意一种，时间为1ps-100h，电场循环能够使得铪基反铁电薄膜获得剩余极化强度。
40.本发明实施例中通过制备和调控铪基反铁电器件的性质从而使得反铁电薄膜材料在获得剩余极化的同时保持高的极化翻转循环耐久性，铪基反铁电材料的调控通过调控
反铁电特性的最初性质和循环圈数实现，施加电场循环的频率、幅值、周期根据需要给定。如图3所示，6nm的hf
0.2
zr
0.8
o2反铁电薄膜经过108圈电循环，获得剩余极化强度pr近20μc/cm2，耐久性可超过10
12
个循环，比传统无反铁电特性的hf
0.5
zr
0.5
o2铪基铁电薄膜耐久性高两个数量级。
41.在一个具体的实施方式中，提高铪基铁电器件耐久性的方法包括：在半导体或金属衬底上制备一层铪基反铁电薄膜；在铪基反铁电薄膜上旋涂光刻胶并进行曝光进行图形化；然后沉积金属薄膜并进行光刻胶剥离形成金属电极；继而采用快速退火炉将铪基反铁电薄膜进行热退火使其结晶；最后采用铁电分析仪对铪基反铁电薄膜施加一定数量的交流电场循环。具体地，参照图1，该方法包括：
42.s1，在半导体硅衬底1上采用磁控溅射工艺制备30nm第一tin金属薄膜2；
43.s2，在第一tin金属薄膜上2采用原子层沉积工艺制备6nm hf
0.5
zr
0.5
o2zr掺杂的铪基薄膜3；
44.s3，在铪基薄膜3上旋涂光刻胶4；
45.s4，采用uv曝光技术对光刻胶4进行图形化；
46.s5，采用磁控溅射工艺在铪基薄膜3上沉积30nm第二tin金属薄膜5；
47.s6，采用lift off(剥离)工艺剥离光刻胶4后形成40μm x 40μm的金属电极；
48.s7，采用快速退火炉进行550℃ n2气氛热退火使铪基薄膜3形成反铁电性；
49.s8，采用铁电采数分析仪进行频率为1hz、幅值为3v的三角波交流电场循环10
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圈，使得铪基反铁电薄膜获得剩余极化强度。
50.本发明上述实施例中的提高铪基铁电器件耐久性的方法，通过在半导体或者金属衬底上制备铪基反铁电薄膜形成铁电电容、晶体管和隧道结等结构，并加以交流电场循环使铪基反铁电薄膜获得剩余极化强度，使其满足剩余极化强度的同时获得更好的耐久性。
51.本发明实施例还提供一种铪基铁电器件，该铪基铁电器件采用上述的提高铪基铁电器件耐久性的方法制备得到；由于铪基反铁电薄膜在满足剩余极化强度的同时获得更好的耐久性，从而能够有效提高铪基铁电器件的耐久性。
52.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。