一种氧化铪基铁电电容器

本技术涉及微电子，尤其涉及一种氧化铪基铁电电容器。

背景技术：

1、基于掺杂hfo2的新型铁电材料有望用于下一代存储设备，其展现出显著的优势包括高速、低功耗和完全cmos兼容性等。自掺si的hfo2薄膜的铁电性以来，一系列不同的掺杂材料已被证实在适当的掺杂浓度和退火温度下可在hfo2薄膜中诱导出铁电性。

2、电容器在快速热退火过程中，上下电极对铁电介质层的应力夹持作用，是诱导薄膜产生铁电性的关键因素。对于不同掺杂类型的hfo2材料，其所需的退火温度也存在一定差异，通常最佳的退火温度在500-1000℃左右。hfo2基铁电电容器在作为存储器应用时，通常采用cmos后段工艺，在前段工艺制备的逻辑器件的基础上，进行电容器的集成，最终组成诸如“一个晶体管一个电容器”(1t1c)等存储单元结构。而为了保证前段工艺制备的逻辑器件的可靠性和良率，后段工艺的热预算通常被限制在400℃以下，该热预算低于现有的所有掺杂类型的hfo2基铁电电容器所需要的最佳退火温度。因此，为了提高hfo2基铁电电容器在cmos后段工艺的兼容性，同时保证电容器本身的存储性能和可靠性，需要对电容器的退火温度进行优化降低。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种氧化铪基铁电电容器，用以解决现有存储单元中的电容器在cmos后段工艺过程中缺乏兼容性等问题。

2、本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、一种氧化铪基铁电电容器，包括：衬底层，位于衬底上方；下电极，位于所述衬底层上方；界面层，均匀的界面层位于所述下电极的上方，其中，所述界面层的材料为所述下电极的顶部部分的氧化物；铁电介质层，位于所述界面层上方并且所述铁电介质层的厚度减小至8nm以下；以及上电极，位于所述铁电介质层上方。

4、上述方案的有益效果如下：通过减小铁电介质层的厚度，降低操作电压，且不引起薄膜内反铁电相组分的增多，保证电容器在初始时具有较大的存储窗口。通过氧化tin下电极而产生的tio2界面层，能够增强铁电介质层在快速热退火过程中所受到的拉伸应力作用，可以在不引起电容器铁电性退化的前提下，显著降低电容器的退火温度，进而提高了铁电电容器在cmos后段工艺过程中兼容性。

5、基于上述方案的进一步改进，所述下电极和所述上电极的材料为氮化钛tin；以及所述下电极和所述上电极的厚度为10-60nm。

6、基于上述方案的进一步改进，所述界面层的材料为氧化钛tio2，其中，所述界面层在后续的热退火过程中向所述铁电介质层提供足够强的拉伸应力。

7、基于上述方案的进一步改进，所述界面层的热膨胀系数小于所述下电极的热膨胀系数。

8、基于上述方案的进一步改进，所述氧化钛tio2的热膨胀系数为5×10-6/℃；以及所述氮化钛tin的热膨胀系数为9.4×10-6/℃。

9、基于上述方案的进一步改进，所述界面层的厚度为1-2nm。

10、基于上述方案的进一步改进，所述铁电介质层自下而上顺序包括：n个介质子层和位于所述n个介质子层上方的第n+1氧化锆zro2层，其中，第i介质子层包括：第i氧化锆zro2层，当i为1时，所述第i氧化锆zro2层位于所述界面层上方；当i为2,…,n时，所述第i氧化锆zro2层位于第i-1氧化铪hfo2层；以及第i氧化铪hfo2层，位于所述第i氧化锆zro2层上方。

11、基于上述方案的进一步改进，所述铁电介质层的厚度为6-8nm。

12、基于上述方案的进一步改进，所述衬底的厚度为300至600μm以及所述衬底的材料为硅si。

13、基于上述方案的进一步改进，所述衬底层的厚度为100-500nm，以及所述衬底层的材料为二氧化硅sio2。

14、与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

15、1、通过氧化tin下电极而产生的tio2界面层，能够增强铁电介质层在快速热退火过程中所受到的拉伸应力作用，可以在不引起电容器铁电性退化的前提下，显著降低电容器的退火温度，进而提高了铁电电容器在cmos后段工艺过程中兼容性。

16、2、在铁电体极化反转所需要的矫顽电场强度为固定值的前提下，减薄的铁电层厚度可以减小器件的操作电压，有效降低存储器的写功耗；器件免提醒的特点使其在初始时即具有较大的存储窗口，增大了电容器在大规模集成时存储芯片的信号识别裕度。

17、本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种氧化铪基铁电电容器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述界面层的材料为氧化钛tio2，其中，所述界面层在后续的热退火过程中向所述铁电介质层提供足够强的拉伸应力。

4.根据权利要求3所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述界面层的热膨胀系数小于所述下电极的热膨胀系数。

5.根据权利要求4所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述氧化钛tio2的热膨胀系数为5×10-6/℃；以及所述氮化钛tin的热膨胀系数为9.4×10-6/℃。

6.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述界面层的厚度为1-2nm。

7.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述铁电介质层自下而上顺序包括：n个介质子层和位于所述n个介质子层上方的第n+1氧化锆zro2层，其中，第i介质子层包括：

8.根据权利要求1所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述铁电介质层的厚度为6-8nm。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述衬底的厚度为300至600μm以及所述衬底的材料为硅si。

10.根据权利要求1至8中的任一项所述的氧化铪基铁电电容器，其特征在于，所述衬底层的厚度为100-500nm，以及所述衬底层的材料为二氧化硅sio2。

技术总结本技术涉及一种氧化铪基铁电电容器，属于微电子技术领域，解决现有存储单元中的电容器在CMOS后段工艺过程中缺乏兼容性的问题。电容器包括：衬底层，位于衬底上方；下电极，位于衬底层上方，并且经由下电极下方的金属层与晶体管连接；界面层，均匀的界面层位于下电极的上方，界面层的材料为下电极的顶部部分的氧化物；铁电介质层，位于界面层上方；上电极，位于铁电介质层上方。通过减小铁电介质层的厚度，降低操作电压，且不引起薄膜内反铁电相组分的增多，保证电容器在初始时具有较大的存储窗口。通过氧化TiN下电极产生的TiO<subgt;2</subgt;界面层，可以在不引起电容器铁电性退化的前提下，显著降低电容器的退火温度。技术研发人员：姜鹏飞,罗庆,刘明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：20231122技术公布日：2024/8/1