[发明专利]一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器及其制备方法，特别适用于非挥发非破坏性读出高密度存储器以及集成铁电器件，属于微电子新材料技术领域。

背景技术

金属/铁电薄膜/半导体(MFS)电容器是铁电场效应晶体管(Ferroelectric field effect transistor, FFET)的基本存储单元。铁电场效应晶体管以铁电薄膜作为栅介质层材料，利用铁电薄膜的极化状态控制半导体表面电导来完成存储功能的器件。写入数据的操作为：通过外加大于矫顽电压的正或负栅压使铁电薄膜处于正或负极化状态，分别代表 “0”和“1”。由于除去外加栅压后，铁电薄膜仍存在剩余极化，所以铁电存储单元不需外加电压的维持，仍能保持原有的存储信息，为非挥发性的存储。读出数据的操作为：通过比较所加源漏电压而形成的沟道电流的大小确定“0”和“1”，读出存储信息的过程中铁电薄膜的极化状态并未发生改变，为非破坏性的读出。FFET器件具有非挥发性、非破坏性读出、功耗低、结构简单、集成度高等优点，被认为是一种近乎理想的存储器件，在信息存储技术领域具有重大的应用前景。

目前广泛应用的性能比较优越的多为铅基薄膜材料，如Pb(Zr,Ti)O₃，Pb(Mg,Nb)O₃等，其中氧化铅的含量高达60~70%。而铅为不可降解性化学品，这势必会在生产、使用及废弃后的处理过程中给人类和生态环境造成严重的危害。所以，探索高品质的无铅铁电薄膜材料已经成为一大研究热点。本世纪初众多研究者报道了铁酸铋(BiFeO₃)基薄膜具有非常优异的铁电、压电、以及铁磁性能，新兴的BiFeO₃基薄膜被认为是一种很有希望取代铅基压电铁电及铁磁材料的候选材料。

目前报道的金属-BiFeO₃基薄膜-(缓冲层)-半导体结构电容器，存在的主要问题是界面缺陷较多，工作电压高，从而导致界面陷阱密度大、漏电流大、不符合硅基集成电路工作电压的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器，该电容器具有存储性能优良、工作电压低等优点，在未来的铁电场效应晶体管存储器中具有良好的应用前景。

本发明还提供了该电容器的制备方法，此方法操作简单，易于实施，所得电容器性能优良。

发明人针对现有的金属-BiFeO₃基薄膜-(缓冲层)-半导体结构电容器存在的界面陷阱密度大、漏电流大、不符合硅基集成电路工作电压的要求等缺点，进行了进一步探索和研究，试图通过对电容器结构、铁电薄膜组成和介电薄膜的组成的变化来克服这些缺点。经过大量的相关实验，通过选用镧系元素掺杂的BiFeO₃薄膜作为铁电层、并选用与之具有较好的晶格匹配的高介电锰元素掺杂的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃作为缓冲层，大大降低了漏电流。进一步的，通过优化缓冲层与BiFeO₃基薄膜的厚度，有效地降低了电容器的工作电压。这样，得到的无铅BiFeO₃基薄膜电容器具有漏电流小、存储性能优良、工作电压低的优点，在未来的铁电场效应晶体管存储器中具有良好的应用前景。

下面具体介绍实现改进的具体技术方案：

一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器，从下到上依次包括底电极、衬底、缓冲层、铁电薄膜层和金属点电极，其特征是：所述缓冲层为掺锰钛酸锶钡薄膜，化学式为Ba_0.6Sr_0.4Ti_(1-x)Mn_xO₃，x为元素锰的摩尔当量，x=0.005-0.05；所述铁电薄膜层为铁酸铋基薄膜，化学式为Bi_(1-y)Ln_yFeO₃，其中，Ln为镧系元素中的一种，y为镧系元素的摩尔当量，y=0.01- 0.2。

上述电容器中，缓冲层的厚度为40～50nm，铁电薄膜层的厚度为200～250nm。

上述电容器中，所述衬底材料为p型或n型的单晶硅衬底。

上述电容器中，所述底电极和点电极均为Au。

一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器的制备方法，其特征是包括以下步骤：