[发明专利]一种提高PZT铁电薄膜负电容的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子材料与器件领域，特别涉及一种提高PZT铁电薄膜负电容的方法。

背景技术

随着铁电薄膜和半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学的兴起，研制出了基于PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜的铁电存储器，相比于一般的半导体存储器，它具有非易失性、高速度、高容量、抗辐射与抗干扰性强、操作电压低和与IC工艺兼容等特点，PZT薄膜由于具有较大的剩余极化强度而成为研究最多的铁电薄膜。

在2009年，国际半导体发展路线图曾指出，由于晶体管尺寸不断缩小、集成度不断提高而使得芯片的功耗不断增加将是人们面临的一个非常严峻的问题。无论是处理器引擎数量，还是逻辑器件与存储器件总的数量都会随着时间的推移呈指数不断增加，导致逻辑器件与存储器件总的功耗会远远超过规定的幅值。这个问题的难点在于很难降低晶体管的亚阈值摆幅(Subthreshold Swing)。亚阈值摆幅，又称S因子，是MOSFET在亚阈状态工作时用作为逻辑开关时的一个重要参数，定义S = dV_gs/d(logI_d)，在数值上等于改变一个数量级的沟道电流所需要的栅极电压变化量，它在室温下的理论最小值为60 mV/decade。为了提高晶体管在亚阈值区的工作速度，就应当使得S越小越好。当铁电薄膜表现为负电容效应时，就有可能使得S在室温下小于60 mV/decade。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高PZT铁电薄膜负电容的方法，对低电压、低功耗MOS场效应晶体管的设计具有非常重要的指导意义。

本发明所提供的提高PZT铁电薄膜负电容的方法，采用溶胶-凝胶法制备不同锆钛组分比x的PZT铁电薄膜电容器，包括PZT前驱体溶胶的制备及PZT铁电薄膜电容器的制备，所述的PZT铁电薄膜电容器的制备包括在HfO ₂绝缘介质/硅衬底结构上涂覆PZT前驱体溶胶；通过对电容器电学性能的表征与分析得到锆钛组分比x的最佳值，电学性能包括电滞回线(P-E)、电容-电压(C-V)特性、硅表面电势-栅电压(-V_g)特性以及电流-电压(I-V)特性的测试与分析。

进一步地，所述的PZT前驱体溶胶的制备，包括如下步骤：

(1)将醋酸铅溶解于甲醇溶剂中，加热到60~80℃脱水，并搅拌，得到醋酸铅溶液；

(2)将丙醇锆(Z_r(C₃H₇O)₄)和钛酸四正丁酯(T_i(C₄H₉O)₄)混合，并随后加入乙酸和甲醇溶剂并在室温下搅拌1.5~4小时，形成二元混合溶液；

(3) 将上述二元混合溶液加入醋酸铅溶液中，加热到70~90℃，并搅拌混合2~5小时，形成三元混合溶液，即PZT前驱体溶液，所述醋酸铅、丙醇锆及钛酸四正丁酯的物质的量之比为53~78:1.2~5:52~72；

(4)在上述PZT前驱体溶液中加入乙二醇稳定剂，并用乙酸或甲醇定容，密封后置于5-25℃放置10~30小时，得到PZT前驱体溶胶Pb(Zr_1-xTi_x) O₃。

进一步地，所述的PZT铁电薄膜电容器的制备，包括如下步骤：

(1) 衬底处理

将一单晶硅衬底清洗后，采用原子层沉积法在衬底上生长HfO₂(2 nm)绝缘介质层，得到HfO ₂绝缘介质/硅衬底结构；

(2) PZT铁电薄膜的制备

在HfO ₂绝缘介质/硅衬底结构上涂覆PZT前驱体溶胶，得到均匀湿膜；

将制得的均匀湿膜进行干燥、热解、退火处理；

重复上述步骤1~5次，得到PZT铁电薄膜。

(3) PZT铁电薄膜电容器的制备

在PZT铁电薄膜层上生长金属栅电极，并在单晶Si衬底背面制作一背电极，即得到PZT铁电薄膜电容器。

进一步地，所述的干燥，温度为150~180℃，时间为3~5min。

进一步地，所述的热解，温度为 340~360℃，时间为5~8min。