一种铁电电容器及其制备方法与流程

本发明属于存储，涉及一种铁电电容器及其制备方法。

背景技术：

1、随着世界不断向信息数字化方向快速发展，数据的容量、可靠性和安全性变得至关重要。存储材料是数据的载体，合适的存储材料对未来的信息传播至关重要。作为存储材料之一，铁电材料可以以两种或两种以上的极化状态存在，在去除外加店家后蒙贴点材料可以保持非零的剩余极化(pr)状态。基于此开发出的铁电存储器是目前新型存储器中最热门的研究方向之一。理想的存储器应该是具有商业化的dram(动态随机存储器)那样的高密度，静态随机存储器(sram)那样的高运行速度，并且像闪存(nand)那样在没有电源的的情况下依然能保存信息(非易失性)，而铁电存储器恰好满足这些特征。但是由于传统铁电材料的限制，无法实现大规模制造和高密度集成，所以传统铁电材料存储器发展缓慢。目前仍然采用大于100nm的半导体工艺。随着hfo2(氧化铪)基铁电性的发现，为铁电存储器的突破带来了希望，hfo2(氧化铪)铁电材料突出特点是与cmos兼容性强，且纳米厚度下铁电性不受限，于超薄膜厚下，仍然具备铁电性。因此hfo2基铁电材料成为当前研究的热点。

2、铁电电容器在之前的发展中由于材料的限制一直采用的都是平面电容的结构，近些年随着hfo2铁电极性的发现，使铁电薄膜可以做到纳米层级，同时也可以像dram以及sram工艺那样实现三维内嵌式结构，目前高校以及研究机构所采用的铁电存储器电容结构都是线形成cell孔，然后通过一次沉积金属，铁电薄膜，金属形成mim电容结构，对于高深宽比的cell结构，只能采用ald(原子层沉积)或pld(脉冲激光沉积)，设备和工艺局限非常大

3、另现有工艺方案中，铁电层薄膜时通过无掩膜直接刻蚀的，这种利用刻蚀微负载效应导致的孔内与晶圆表面刻蚀速率差异来实现移除晶圆表面铁电薄膜，保留孔内铁电薄膜的方式，虽然可以实现刻蚀效果，但是无法精确控制cell孔内铁电薄膜剩余薄膜和均匀性，因此会导致电容的电性的不均匀性，这也是需要克服的一个方面。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种铁电电容器及其制备方法，该铁电电容器及其制备方法采用先填充下电极，然后移除介质支撑层，再沉积铁电薄膜才能和上电极的方案，解决了现有技术中存在的问题，提高了存储容量。

2、为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

3、本发明目的之一在于提供一种铁电电容器，该铁电电容器包括晶圆；

4、晶圆上方设置有下电极；

5、下电极为柱形，至少三个下电极形成下电极组，下电极组成矩阵式排列；

6、下电极组内部为第一中空结构，第一中空结构底部设置有第一介质层，第一中空结构填充有第一上电极；

7、相邻下电极组之间为第二中空结构，第二中空结构底部设置有第一介质层，第二中空结构顶部设置有第二介质层，第二中空结构填充有第二上电极；

8、第一上电极底部和侧壁以及下电极和第二介质层的顶部设置有第一铁电薄膜层；

9、第二上电极包覆有第二铁电薄膜层。

10、作为本发明优选的技术方案，第一中空结构的顶部覆盖对应下电极顶部面积的1/2～1/3。

11、作为本发明优选的技术方案，第一中空结构和第二中空结构相互连通。

12、作为本发明优选的技术方案，下电极、第一上电极和第二上电极的的材质分别独立地为钨。

13、作为本发明优选的技术方案，第一介质层和第二介质层分别独立地为氮化硅。

14、作为本发明优选的技术方案，第一铁电薄膜层和第二铁电薄膜层的材质分别独立地为掺杂zr的hfo2。

15、作为本发明优选的技术方案，铁电电容器还包括rdl结构，用于连接所述第一上电极和驱动线。

16、本发明目的之二在于提供一种目的之一提供的铁电电容器的制备方法，该制备方法包括：

17、在晶圆表面依次沉积第一介质层、二氧化硅层和第二介质层；

18、对第一介质层、二氧化硅层和第二介质层进行第一打孔处理，得到柱形孔；

19、在柱形孔内部沉积下电极，并进行第一研磨处理；

20、对下电极组顶部的第二介质层进行第二打孔处理，并对二氧化硅层进行刻蚀处理，移除二氧化硅层，得到第一中空结构和第二中空结构；

21、在第一中空结构、第二中空结构、第二介质层顶部以及下电极顶部沉积第一铁电薄膜层和第二铁电薄膜层；

22、在第一铁电薄膜层和第二铁电薄膜层沉积第一上电极和第二上电极，退火处理后进行第二研磨处理得到铁电电容器。

23、作为本发明优选的技术方案，退火处理的温度为500～600℃，如500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

24、作为本发明优选的技术方案，该制备方法还包括在采用刻蚀处理移除驱动线顶部的铁电薄膜层和第二介质层，并建立所述驱动线与所述第一上电极的rdl连接。

25、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

26、(1)本发明提供一种铁电电容器及其制备方法，该制备方法薄膜沉积由孔内沉积改为在金属立柱上沉积，更能够确保铁电薄膜的连续性与均匀性；

27、(2)本发明提供一种铁电电容器及其制备方法，该制备方法中由于下电极为柱形，无需使用无掩膜刻蚀进行干刻，使下电极金属薄膜与铁电薄膜的完整性得到保证；

28、(3)本发明提供一种铁电电容器及其制备方法，该制备方法中上下电极均采用金属w，更有利于抑制铁电薄膜非铁电相的形成，在进行高温退火工艺时能够有更多铁电相，从而提升薄膜铁电剩余极性；

29、(4)本发明提供一种铁电电容器及其制备方法，该制备方法中进行上电极沉积将氧化硅被刻蚀区域充分填满，故无需再增加板线进行过渡，可直接使用rdl工艺连接铁电与驱动线。

技术特征：

1.一种铁电电容器，其特征在于，所述铁电电容器包括晶圆；

2.根据权利要求1所述的铁电电容器，其特征在于，所述第一中空结构的顶部覆盖对应下电极顶部面积的1/2～1/3。

3.根据权利要求1或2所述的铁电电容器，其特征在于，所述第一中空结构和第二中空结构相互连通。

4.根据权利要求1-3任一项所述的铁电电容器，其特征在于，所述下电极、第一上电极和第二上电极的的材质分别独立地为钨。

5.根据权利要求1-4任一项所述的铁电电容器，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层分别独立地为氮化硅。

6.根据权利要求1-5任一项所述的铁电电容器，其特征在于，所述第一铁电薄膜层和第二铁电薄膜层的材质分别独立地为掺杂zr的hfo2。

7.根据权利要求1-5任一项所述的铁电电容器，其特征在于，所述铁电电容器还包括rdl结构，用于连接所述第一上电极和驱动线。

8.一种权利要求1-7任一项所述的铁电电容器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为500～600℃。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在采用刻蚀处理移除驱动线顶部的铁电薄膜层和第二介质层，并建立所述驱动线与所述第一上电极的rdl连接。

技术总结本发明提供一种铁电电容器及制备方法，该铁电电容器包括晶圆；下电极为柱形，至少三个所述下电极形成下电极组，所述下电极组成矩阵式排列；下电极组内部为第一中空结构，第一中空结构底部设置有第一介质层，第一中空结构填充有第一上电极；相邻下电极组之间为第二中空结构，第二中空结构底部设置有第一介质层，第二中空结构顶部设置有第二介质层，第二中空结构填充有第二上电极；第一上电极底部和侧壁以及下电极和第二介质层的顶部设置有第一铁电薄膜层；第二上电极包覆有第二铁电薄膜层。该铁电电容器及其制备方法采用先填充下电极，然后移除介质支撑层，再沉积铁电薄膜才能和上电极的方案，解决了现有技术中存在的问题，提高了存储容量。技术研发人员：许占齐,吕震宇,王宇,袁旭受保护的技术使用者：温州核芯智存科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29