一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法，在高阻硅片上采用原子层沉积技术生长氧化铝（Al2O3）薄膜，然后在Al2O3薄膜上沉积氧化锆（ZrO2）籽晶层，在籽晶层上生长氧化铪HfO2铁电薄膜，利用磁控溅射、光刻、刻蚀制备顶电极，最后采用快速热退火形成铁电电容器。在本发明专利技术的电容存储器结构中，通过构建具有高介电常数的双层堆叠界面层优化HfO2铁电薄膜与半导体硅沟道的界面，增加了HfO2铁电相的成分、减弱了沟道电荷注入，实现高性能的电容存储功能。储功能。储功能。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铁电存储器
，特别涉及一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于具有非易失性、较优的铁电性以及互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容性，氧化铪铁电材料被广泛应用于铁电存储器中。然而，采用具有金属氧化物半导体结构的铁电电容器，由于铁电薄膜与半导体硅沟道表面的界面问题，使得基于氧化铪基铁电材料构建的铁电存储器面临存储窗口窄、耐久性差的问题。更具体地，由于氧化铪铁电相需要借助快速热退火工艺形成，在此过程中，氧原子的随机扩散使得氧化铪与硅界面处不可避免的形成非理想的氧化硅层。该氧化硅层具有较低的介电常数以及较差的结晶质量，在器件操作过程中易发生击穿或产生缺陷，从而造成器件性能的退化。
[0003]因此，为提高器件的性能，需要构建高质量的氧化铪/硅界面。近年来，众多研究通过引入高介电常数薄膜一定程度上提高了器件的特性。然而，目前构建的单一薄膜界面层由于晶格失配、易于结晶等问题带来的铁电性恶化、界面层击穿，使得器件难以在存储窗口以及可靠性之间取得好的权衡。所以，结合多种高介电常数薄膜的优点构建堆叠界面层，从而克服单一界面层引起的器件退火，将有利于实现存储窗口与耐久性兼得的铁电存储器。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氧化铪基铁电电容器及其制备方法，通过构建具有高介电常数的双层堆叠界面层优化氧化铪铁电薄膜与半导体硅沟道的界面，从而获得性能优异的铁电电容存储器。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0006]一种氧化铪基铁电电容器，其是采用Al2O3/ ZrO2双层堆叠界面层的氧化铪基铁电电容器；其包括衬底、衬底上从下往上依次为Al2O3薄膜层、ZrO2籽晶层、锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜层和顶电极。。
[0007]本专利技术中，衬底为高阻硅衬底。
[0008]本专利技术中，Al2O3薄膜层的厚度为1~3 nm。
[0009]本专利技术中，ZrO2籽晶层的厚度为1~3 nm。
[0010]本专利技术中，锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜层的厚度为10~20 nm。
[0011]本专利技术中，顶电极为上下双层结构，下层为厚度为10~15 nmTiN层，上层为厚度为30~40 nm的W层。
[0012]本专利技术还提供一种上述的氧化铪基铁电电容器的制备方法，包括以下步骤：（1）利用原子层沉积技术，在高阻硅衬底上生长Al2O3薄膜；（2）利用原子层沉积技术，在上述结构基础上生长ZrO2籽晶层；（3）利用原子层沉积技术，在上述结构基础上生长锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜；
（4）在步骤（3）所得的晶圆表面采用磁控溅射技术生长顶电极；（5）通过光刻、刻蚀等工艺对顶电极进行图形化；（6）通过快速热退火工艺对晶圆进行处理形成最终器件。
[0013]本专利技术中，步骤（1）中，在高阻硅衬底上生长1~3 nmAl2O3薄膜，生长工艺温度为250~300 ℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2 s三甲基铝TMA脉冲，2 s N2吹扫，0.2 s去离子水脉冲，2 s N2吹扫；步骤（2）中，利用原子层沉积生长1~3 nm ZrO2籽晶层，生长工艺温度为250~280℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2 s四二甲氨基锆TDMAZr脉冲，2 s N2吹扫，0.2 s氧等离子体脉冲，2 s N2吹扫；步骤（3）中，利用原子层沉积生长10~20 nm锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜，生长工艺温度为250~280℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2 s四二甲氨基锆或四二甲氨基铪TDMAZr/TDMAHf脉冲，2 s N2吹扫，0.2 s氧等离子体脉冲，2 s N2吹扫；步骤（4）中，顶电极采用磁控溅射技术生长10~15 nmTiN/30~40 nm W，溅射功率为150 W；步骤（5）中，采用紫外光刻定义器件电极区域，采用湿法刻蚀技术对步骤（4）中晶圆进行刻蚀处理：首先采用RC2溶液刻蚀，然后利用去离子水洗净，并用氮气吹干，接着，采用丙酮浸泡清洗去除残余的光刻胶，氮气吹干。
[0014]本专利技术中，步骤（6）中，将步骤（5）晶圆在氮气氛围下进行快速热退火处理，加热速率为15~20℃/s，退火温度为400~600 ℃，退火时间为30~180 s。
[0015]本专利技术的原理如下：本专利技术通过引入具有高介电常数的Al2O3和ZrO2介质薄膜材料，构建Al2O3/ ZrO2双层堆叠的界面层优化氧化铪铁电薄膜与半导体硅沟道的界面。相较于自然形成的具有较低介电常数和低结晶质量的SiO
x
界面层，Al2O3/ ZrO2双层堆叠界面层提供了HZO的形核位点从而增加了氧化铪铁电相的成分，减薄了由氧原子扩散形成的自然SiO
x
界面层从而减弱了沟道电荷注入，实现高性能的电容存储功能。
[0016]相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：1、采用原子层沉积技术构建高介电常数的双层堆叠界面层，易于大规模制备晶圆级存储器件。
[0017]2、本专利技术的氧化铪基铁电电容器的制备全过程完全互补金属氧化物半导体工艺兼容。
[0018]3、本专利技术的氧化铪基铁电电容器在较低电压下具有大的存储窗口，并具有较高的耐久性。
附图说明
[0019]图1是实施例在衬底上生长Al2O3薄膜得到结构的示意图。
[0020]图2是实施例中在生长了Al2O3薄膜结构上生长ZrO2籽晶层得到结构的示意图。
[0021]图3是实施例中在生长了ZrO2籽晶层的结构上生长锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜得到结构的示意图。
[0022]图4是实施例中在生长锆掺杂氧化铪HZO铁电薄膜的结构上生长顶电极得到结构
s N2吹扫，0.2 s氧等离子体脉冲，2 s N2吹扫。结构如图2所示；（3）其余工艺步骤及工艺条件与实施例1相同。
[0029]实施例3（1）采用原子层沉积技术，在高阻硅衬底上生长3 nmAl2O3薄膜，生长工艺温度为300℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2 s三甲基铝（TMA）脉冲，2 s N2吹扫，0.2 s去离子水脉冲，2 s N2吹扫。结构如图1所示；（2）在步骤（1）所述的结构上利用原子层沉积生长3 nm ZrO2籽晶层，生长工艺温度为280℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2 s四二甲氨基锆（TDMAZr）脉冲，2 s N2吹扫，0.2 s氧等离子体脉冲，2 s N2吹扫。结构如图2所示；（3）其余工艺步骤及工艺条件与实施例1相同。
[0030]实施例4（1）采用原子层沉积技术，在高阻硅衬底上生长1 nmAl2O3薄膜，生长工艺温度为300℃，原子层沉积工艺的每个循环生长工艺包括0.2 s三甲基铝（TMA）脉冲，2 s N2吹扫，0.2 s去离子水脉冲，2 s N2吹扫。结构如图1所示；（2）在步骤（1）所述的结构上利用原子层沉积生长1 nm ZrO2籽晶层，生长工艺温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
W；步骤（5）中，采用紫外光刻定义器件电极区域，采用湿法刻蚀技术对步骤（4）中晶圆进行刻蚀处理：首先采用RC2溶液刻蚀，然后利用去离子水洗净，并用氮气吹干，接着，采用丙酮浸泡清洗去除残余的光刻胶，氮气吹干。...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红亮，李煜淳，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：