[发明专利]一种高密度电荷存储的铁电电容器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种高密度电荷存储的铁电电容器及其制作方法。

背景技术

目前在半导体模拟集成电路里应用到的电容器件结构主要是以PN结结电容，MOS栅电容和MIM(金属/绝缘层/金属)为主，半导体存储器件中应用到的电容主要是以MIM(金属/绝缘层/金属)为主。其中绝大部分的MOS栅电容和MIM电容中的介质用的是二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)。这两种电介质的主要优点在于都与半导体工艺相兼容，相对介电常数分别为2.5-4.2和3.5-9。相对与其他各种不同介质来说，二氧化硅和氮化硅的介电常数都比较小，所集成的电容的容量也比较小，在一定电压和厚度下能够存储的电荷量也比较小。所以，这两种介质的缺点是在存储电路以及模拟集成电路中，为了保持一定的存储电荷量，电容所占用的面积大，另外，随着电路单元面积的减小，存储密度的提高，每个电容单元中的面积会越来越小，用于电路中存储的电荷量(正比于电容器面积)会越来越少，导致了信号识别的困难而不得不扩大芯片的面积，甚至使用外部电容的接入。

MFM结构早在1963年就由Moll和Tarui提出[1]，开始应用于存储器件，通过电场的作用诱导电畴二种不同的取向作为逻辑单元来存储逻辑信息。也可以应用在电荷存储器件中[2]，利用铁电薄膜的高相对介电常数来提高存储电荷。但铁电薄膜具有保持自发极化的性质，电荷存储受到限制。对于反铁电薄膜的MAFM结构，由于反铁电薄膜相邻电畴沿反平行方向产生自发极化，在外加电场作用下，反铁电薄膜能够在铁电相和反铁电相之间相互转化，在撤出外加电场后，净自发极化强度为零。所以反铁电薄膜的MAFM结构应用在电容器件具有更大优势，能够通过高相对介电常数[3]以及电畴极化的方式存储更多的电荷，以及在外加电场撤消后通过电畴反转来完全释放存储的电荷。

参考文献：

1.L.Moll and Y.Tarui，IEEE Trans.Electron Devices ED-10(1963)338.

2.J.F.Scott and C.A.Paz de Araujo，Science 246，1400(1989).

3.S.S.N.Bharadwaja and S.B.Krupanidhi，J.Appl.Phys.88 7 4294(2000).

发明内容

本发明提出的新型铁电电容结构包括：第一电极；在第一电极上设置经过氢离子注入的铁电薄膜层结构；以及在第一电极和铁电薄膜层结构上设置的第二电极。

本发明提出的制作新型铁电电容结构的方法，其中包括形成第一电极，在第一电极上形成新型铁电薄膜电容，以及在新型铁电电容上形成第二电极。

本发明提出的一种制作新型高密度电荷存储铁电薄膜电容的方法，其中方法包括：利用各种不同形式方法，将不同能量，不同剂量的氢离子注入到铁电薄膜中，从而改变铁电薄膜的电学性质，使得铁电薄膜具有反铁电薄膜的电学特性。

本发明提出的一种制作新型可变相对介电常数铁电薄膜电容的方法，其中方法包括：利用各种不同形式方法，将不同能量，不同剂量的氢离子注入到铁电薄膜中，从而改变原来的相对介电常数特性，具有新的相对介电常数随着不同的偏置电压，以及不同的频率的改变而改变性质。

本发明所述的铁电薄膜指的是任何在外加电场作用下具有自发极化并且在电场去掉后能保持自发极化，在改变方向的外加电场的作用下，其自发极化的方向也会发生改变的材料。

本发明所述的反铁电薄膜指的是任何晶体结构和同型铁电体相近，但相邻电畴沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，在外加电压的作用下，体内的反铁电畴和铁电畴会相互发生改变的材料。

本发明所述的注入后的铁电薄膜和反铁电薄膜具有类似的电学性质是指氢离子注入后的铁电薄膜也具有反铁电薄膜的各种电学特性，但氢离子注入的铁电薄膜本身不是反铁电薄膜。

附图说明

结合附图，通过下面本发明的典型实施例，对本发明与其他方法的不同点，以及本发明的优点和特征进行说明。并且，本发明并不限于所述典型实施例。应该注意，并非所有可能的本发明的实施例必须显示出在此说明的每一和各个或任一优点。

图1一种制作新型高密度电荷存储铁电薄膜电容器的工艺流程简图。

图2氢离子注入前后的铁电薄膜的存储电荷密度与外加场强的P-E特性的比较曲线图。