一种铪基铁电器件及其制备方法和应用

本发明涉及微电子，尤其是涉及一种铪基铁电器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、当今时代是数字化的时代，物联网、生物医疗、自动驾驶、云计算等技术的发展需要数据计算及存储能力的进一步提高。在传统冯诺依曼架构体系中，数据的计算与存储彼此分离，其传输使得功耗增加的同时也制约了算力的发展。实现新型低功耗、高密度、高速度的存储器，并发展基于新器件存算一体架构，是打破“存储墙”瓶颈的重要手段之一。在此机遇与挑战下，氧化铪基铁电存储器以其读写速度快、低功耗、集成潜力高、非易失等优点而被学术界和工业界广为关注，被认为是后摩尔时代最有潜力的新型存储器之一。

2、氧化铪基铁电材料是纳米电子学中的关键材料，材料可以实现自发极化翻转特性，具有稳定的翻转性能和读写性能。与传统铁电材料相比，氧化铪材料具有退火温度低、cmos兼容、可微缩性、无污染元素等优点，在近几年成为铁电存储器研究领域的热门材料。

3、然而，对于非挥发存储器器件来说，疲劳特性是影响其应用的关键特性。在电场循环过程中，铁电存储器在104以前表现为极化值增加的过程，即称为唤醒(wake-up)过程；在104之后表现为极化值减小的过程，即称为疲劳(fatigue)过程；若继续循环过程，极化值会继续衰减直到不能区分开来，导致无法分辨“0”和“1”，失去存储能力。

4、目前，铪基铁电材料体系的疲劳特性主要是由于在电场循环作用下，电畴钉扎导致的。每个铁电畴都是可以翻转的，但是功能层本身或/和界面层处存在氧空位等缺陷，在电场操作下，注入电荷或/和缺陷均会导致部分电畴被钉扎后无法实现翻转。因此，随着电场循环的增加，被钉扎住的铁电畴增多，导致可翻转电畴的数量减少，极化值减小，存储窗口衰减。

5、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铪基铁电器件及其制备方法和应用，本发明nbox界面层的设置，有效延长了唤醒时间和疲劳时间，使器件的极化值衰减缓和，显著提升了铪基铁电器件的抗疲劳特性。

2、第一方面，本发明提供一种铪基铁电器件，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、功能层和顶电极；

3、其中，所述底电极和所述功能层之间和/或所述功能层和所述顶电极之间设置有界面层，所述界面层为通过磁控溅射或原子层沉积技术生长的nbox薄膜。

4、本发明在底电极和功能层之间，或者在功能层和顶电极之间插入nbox界面层。所插入的nbox中nb具有较多的价态，且极易失氧和得氧，因此，在循环擦写过程中，可频繁为铁电层提供o离子，以填充产生的缺陷，延长耐久性中的唤醒时间和疲劳时间，减缓极化值的下降，使器件表现为更为持久的可操作性以及更大的读写窗口；此外，nbox界面层还可作为富氧层，以填充功能层中的缺陷，使界面处氧空位或缺陷降低，进而减少因读写循环操作导致的缺陷，进而提升铪基铁电器件的抗疲劳特性。

5、因此，本发明nbox界面层的设置，有效延长了唤醒时间和疲劳时间，使器件的极化值衰减缓和，显著提升了铪基铁电器件的抗疲劳特性。

6、作为本技术方案优选地，所述底电极的材料包括但不限于pd、pt、w和tin中的任意一种导电材料，且所述底电极的厚度优选为10-200nm。

7、作为本技术方案优选地，所述功能层的材料包括但不限于hzo和hyo中的任意一种具备铪基铁电性能的铪基铁电材料，并且可选择不同元素掺杂比例、不同元素掺杂厚度的铪基铁电材料。此外，本发明功能层的厚度优选为5-30nm。

8、本发明主要通过磁控溅射的技术达到生长nbox界面层的目的，并且磁控溅射时需在低于200℃下进行，并需保持高通氧量，以使界面层趋向形成富氧层，而本发明界面层的厚度优选为0.5-5nm。

9、作为本技术方案优选地，所述顶电极的材料包括但不限于tin、pd、pt、w、cu、ag和au中的任意一种导电材料，且所述顶电极的厚度优选为10-100nm。

10、第二方面，本发明还公开了上述铪基铁电器件的制备方法，具体包括以下步骤：

11、s1、在硅片上氧化形成sio2层，得到衬底；

12、s2、在衬底上沉积底电极；

13、s3、在功能层沉积之前和/或之后通过磁控溅射技术生长nbox界面层；

14、s4、在界面层或功能层上沉积顶电极；

15、s5、在氮气氛围下进行退火处理。

16、由此可见，本发明的制备方法简单，易于操作，无须复杂操作和昂贵的设备，

17、具体地，在通过磁控溅射生长nbox界面层时，本发明对温度、流量、压强和功率等条件不做严格限定，其他相应条件下进行nbox界面层生长的处理方法及条件均可应用。在本发明一具体实施例中，具体可控制溅射功率为60w，氩气的气体流量为10-30sccm，氧气的气体流量为2-6sccm，压强为0.24pa。

18、进一步，本发明对退火的条件不做严格限定，任意可使铪基铁电具备铁电性的退火方法均可应用，具体地，在氮气氛围下退火处理时，控制温度为400-700℃，时间为20-50s。

19、作为本技术方案优选地，所述衬底中，sio2层的厚度为100-300nm。

20、最后，本发明的铪基铁电器件在制作铁电存储器中的应用也理应属于本发明的保护范围。

21、本发明的铪基铁电器件，至少具备以下技术效果：

22、本发明的铪基铁电器件包括自下而上依次设置的衬底、底电极、功能层和顶电极，其中，在底电极和功能层之间，或者在功能层和顶电极之间插入nbox界面层。nbox中nb具有较多的价态，且极易失氧和得氧，因此，在循环擦写过程中，可频繁为铁电层提供o离子，以填充产生的缺陷，延长耐久性中的唤醒时间和疲劳时间，减缓极化值的下降，使器件表现为更为持久的可操作性以及更大的读写窗口；此外，nbox界面层还可作为富氧层，以填充功能层中的缺陷，使界面处氧空位或缺陷降低，进而减少因读写循环操作导致的缺陷，进而提升铪基铁电器件的抗疲劳特性。因此，本发明nbox界面层的设置，有效延长了唤醒时间和疲劳时间，使器件的极化值衰减缓和，显著提升了铪基铁电器件的抗疲劳特性。

技术特征：

1.一种铪基铁电器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、功能层和顶电极；

2.根据权利要求1所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述底电极的材料包括pd、pt、w和tin中的任意一种，且所述底电极的厚度为10-200nm。

3.根据权利要求1所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述功能层的材料包括hzo和hyo中的任意一种，且所述功能层的厚度为5-30nm。

4.根据权利要求1所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述界面层的厚度为0.5-5nm。

5.根据权利要求1所述的铪基铁电器件，其特征在于，所述顶电极的材料包括tin、pd、pt、w、cu、ag和au中的任意一种，且所述顶电极的厚度为10-100nm。

6.权利要求1-5任一项所述铪基铁电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，通过磁控溅射生长nbox界面层时，控制溅射功率为60w，氩气的气体流量为10-30sccm，氧气的气体流量为2-6sccm，压强为0.24pa。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理时，控制温度为400-700℃，时间为20-50s。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述衬底中，sio2层的厚度为100-300nm。

10.权利要求1-5任一项所述铪基铁电器件的应用，其特征在于，所述铪基铁电器件在制作铁电存储器中的应用。

技术总结本发明涉及微电子技术领域，尤其是涉及一种铪基铁电器件及其制备方法和应用，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、功能层和顶电极；其中，底电极和功能层之间和/或功能层和顶电极之间设置有界面层，界面层为通过磁控溅射或原子层沉积技术生长的NbO<subgt;x</subgt;薄膜。NbO<subgt;x</subgt;中Nb具有较多的价态，且极易失氧和得氧，因此，在循环擦写过程中，可频繁为铁电层提供O离子，以填充产生的缺陷，延长耐久性中的唤醒时间和疲劳时间，减缓极化值的下降，使器件表现为更为持久的可操作性以及更大的读写窗口；此外，NbO<subgt;x</subgt;界面层还可作为富氧层，以填充功能层中的缺陷，使界面处氧空位或缺陷降低，进而减少因读写循环操作导致的缺陷，进而提升铪基铁电器件的抗疲劳特性。技术研发人员：魏巍,吕舒贤,罗庆,王艳受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29