[发明专利]一种HfO2

说明书

本发明公开了一种HfOsubgt;2/subgt;基铁电电容器及其制备方法和HfOsubgt;2/subgt;基铁电存储器，属于微电子技术领域，通过在铁电电容的介质层和上电极(TiN)之间插入热膨胀系数小于TiN的Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;插层，达到增大铁电存储器存储窗口的目的。本发明HfOsubgt;2/subgt;基铁电电容器，从下到上包括衬底层(1)、下电极(2)、介质层(3)、Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;插层(4)、上电极(5)和金属保护层(6)。本发明可提高存储窗口大小，有效防止信息误读，从而提高存储器的可靠性。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种HfO₂基铁电电容器及其制备方法和HfO₂基铁电存储器。

背景技术

随着集成电路产业的发展，代表当今半导体非易失性存储器先进水平的闪存器件，尽管有新型结构和设计方案不断涌现，依然面临着诸如读写速度慢、操作电压高、循环次数有限以及尺寸缩放极限等问题。相比于对传统闪存器件的改进和发展，多种新型非易失性存储器也在广泛研究中。铁电随机存取存储器(FeRAM)是这其中具有代表性的新型器件。铁电存储器单元结构和动态随机存取存储器(DRAM)相似，由一个场效应晶体管(MOSFET)和一个铁电电容器组成。铁电电容器是其中存储信息的部分，由上下电极和介质层组成三明治结构，其介质层具有铁电性，存在极化回滞曲线，利用铁电畴的极化方向代表二进制“0”和“1”存储信息，其剩余极化强度值代表了存储器的存储窗口大小。铁电畴的极化翻转时间在纳秒量级，因此铁电存储器的写入速度较快，且能耗较低。

传统钙钛矿结构的铁电材料存在诸多缺陷。首先其化学成分复杂，制备难度较大，且不能和现有的CMOS工艺兼容；其次钙钛矿结构的铁电材料禁带宽度相对较小，为了保证漏电流水平，薄膜的厚度难以微缩到现有工艺节点水平；部分钙钛矿铁电材料，如钛酸锆铅(PZT)，其成分中含有有毒物质铅，因此被部分国家禁用。传统铁电材料由于这些缺陷的限制，始终难以正式走向市场应用。近期提出的基于掺杂HfO₂的新型铁电材料，因为其成熟的原子层淀积(ALD)制备工艺，能与现有标准CMOS工艺兼容，并且其禁带宽度比钙钛矿铁电材料大，目前已经证实在5nm左右厚度时仍存在铁电性，从而能应用于3D结构，极大程度提高集成度。因此，HfO2基铁电存储器是极具发展潜力的新一代非易失性半导体存储器。

目前已证实，由于非中心对称的正交相(o相，空间集群Pca2₁)的存在导致了铁电性的出现。常温常压下，HfO₂的本体相为中心对称的单斜相(m相，空间集群P2₁/c)，不具有铁电性。在材料退火结晶的过程中，由于受到非对称的应力作用(主要为竖直方向的拉伸应力和水平方向的压缩应力)，产生了从m相到o相的相变，薄膜出现铁电性。o相的组分比例决定了材料铁电性的强弱，可通过剩余极化强度(P_r)直观体现。剩余极化强度是铁电存储器的关键参数之一，通常将2P_r视为存储器的存储窗口大小，提高存储窗口大小可以有效防止信息误读，从而提高存储器的可靠性。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种HfO₂基铁电电容器及其制备方法和HfO₂基铁电存储器，达到增大铁电存储器存储窗口的目的。本发明对于其他元素(如Si、Y、Gd等)掺杂的HfO₂基铁电存储器同样适用。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种HfO₂基铁电电容器，从下到上包括衬底层、下电极、介质层、Al₂O₃插层、上电极和金属保护层。

进一步的，衬底层材料为SiO₂/Si或SiO₂。

进一步的，下电极材料为TiN，厚度为10～60nm。