專利名稱：一種鐵電存儲器用鐵電薄膜電容及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵電存儲器技術(shù)，具體涉及一種鐵電存儲器用鐵電薄膜電 容及其制備方法。
背景技術(shù)：
鐵電存儲器(FeRAM)與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)， 具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。以Bi4Ti30,2(BTO)為代表的含鉍層 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜有望取代含鉛的PZT薄膜成為鐵電存儲器用材料。其 中，摻雜Nd元素的Bi4Ti30,2(BNT)鐵電薄膜由于具有較高的剩余極化值、 好的抗疲勞特性等優(yōu)點(diǎn)成為最受關(guān)注的存儲器用材料之一。Di Wu[ Di Wu， Aidong Li, Naiben Ming. Structure and electrical properties of Bi3.15Nd0.85Ti3O12 ferroelectric thin films. J. Appl. Phys.， 2004， 95 (8) 4275-4281.]等人在Pt/Ti/Si02/Si襯底上制備了 BNT薄膜，其c軸取向度高， 剩余極化值偏小。BUTi30u的鐵電性能與取向有密切的關(guān)系，其沿著c軸 的自發(fā)極化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沿著a軸的。由于Bi4Ti3C^薄膜易于沿c軸方向生長， 因此制備高度非c軸取向的Bi4Ti3C^薄膜具有特別的意義。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供鐵電存儲器用鐵電薄膜電容，該鐵電薄膜電容 具有更好的鐵電性能和更為致密的表面形貌；本發(fā)明還提供了該鐵電薄膜 電容的制備方法。本發(fā)明提供的鐵電存儲器用鐵電薄膜電容，依次包括硅基底、二氧化硅阻擋層、二氧化鈦粘結(jié)層、底電極金屬層、鐵電薄膜層和頂電極金屬層； 其特征在于在底電極金屬層與鐵電薄膜層之間還設(shè)置有緩沖層，緩沖層的材料為Ti02，厚度為10-30nm。本發(fā)明提供的制備上述鐵電存儲器用鐵電薄膜電容方法，其步驟包括① 將硅基底進(jìn)行表面處理和清洗；② 采用熱氧化法，在硅基底表面生成二氧化硅阻擋層；③ 在二氧化硅阻擋層上制備二氧化鈦粘結(jié)層； 在二氧化鈦粘結(jié)層上制備底電極金屬層； 采用磁控濺射法在底電極金屬層上制備10-30nm厚度的Ti02緩沖 層，濺射工藝條件為濺射氣壓l 3Pa，濺射基片溫度為200-400°C，濺射 氣氛為02和Ar的混合氣體；◎采用溶膠-凝膠法在Ti02緩沖層上制備配置鐵電薄膜層； ⑦對鐵電薄膜層進(jìn)行退火處理； ⑧采用磁控濺射法在鐵電薄膜層上制備頂電極金屬層，制得鐵電薄膜電^* o為了提高具有金屬Pt/BNT/金屬Pt(MFM)結(jié)構(gòu)的BNT鐵電電容的鐵電 性能，本發(fā)明采用制備Ti02緩沖層5的方法來改變BUTi30u薄膜的取向， 從而達(dá)到提高鐵電性能的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)本發(fā)明制備的BNT鐵電薄膜非c軸取向度高，剩余極化值大。(2)本發(fā)明BNT鐵電薄膜電容結(jié)晶性能良好、表面致密均勻、且具有 較好的疲勞特性及漏電流特性。


圖1為本發(fā)明鐵電薄膜電容的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積和具有Ti02緩沖層5的BNT薄 膜的XRD圖；其中(a)直接沉積在Pt/Ti/Si02/Si襯底上；(b)具有TiQ2緩沖層
圖3為在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積和具有Ti02緩沖層5的BNT薄 膜的FE-SEM表面形貌圖；(a)直接沉積在Pt/Ti/Si02/Si襯底上；(b)具有Ti02 緩沖層5;圖4為在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積和具有Ti02緩沖層5的BNT薄 膜的電滯回線比較圖；圖5為在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積和具有Ti02緩沖層5的BNT薄 膜的疲勞特性，其中，(a)直接沉積在Pt/Ti/Si02/Si襯底上；(b)具有Ti02緩沖 層5;圖6為在Pt/Ti/Si(VSi襯底上直接沉積和具有Ti02緩沖層5的BNT薄膜的漏電流密度。 '具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 如圖1所示，本發(fā)明鐵電存儲器用鐵電薄膜電容依次由硅基底1、 二氧 化硅阻擋層2、 二氧化鈦粘結(jié)層3、底電極金屬層4、緩沖層5、鐵電薄膜 層6和頂電極金屬層7組成；其中，二氧化鈦粘結(jié)層3的厚度為10-30nm; 底電極金屬層4的厚度為100-200nm;緩沖層5的厚度為10-30nm;鐵電薄 膜層6的厚度為300-400nm;頂電極金屬層7的厚度為80-150nm;緩沖層 5的材料為Ti02材料；鐵電薄膜層6的材料為BNT，其化學(xué)式為 Bi3.15Nd。.85Ti3012。本發(fā)明的關(guān)鍵在于在現(xiàn)有的鐵電薄膜電容的底電極金屬 層和鐵電薄膜層之間增加緩沖層。實(shí)例1:(1) 將硅基底按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2) 采用熱氧化法，在硅基底表面生成150nm厚的二氧化硅阻擋層；(3) 采用磁控濺射法在二氧化硅阻擋層上制備20nm厚的二氧化鈦粘結(jié) 層3，其磁控濺射的工藝條件為濺射氣壓1.5Pa，濺射基片溫度200 。C，
濺射氣氛為02:Ar=l :9;(4) 采用磁控濺射法在二氧化鈦粘結(jié)層上制備150nm厚的底電極金屬 層，其磁控濺射的工藝條件為濺射氣壓lPa，濺射基片溫度200。C，濺射 氣氛為Ar氣；(5) 采用磁控濺射法在底電極金屬層上制備10-30nm厚的緩沖層，磁控 濺射的工藝條件為濺射氣壓1.5Pa，濺射基片溫度200 °C，濺射氣氛為 02: Ar=l: 9;(6) 采用溶膠-凝膠法制備BNT薄膜，可以選用如下制備工藝采用硝 酸鉍Bi(N03)3'5H20、硝酸釹Nd(N03)3'6H20和鈦酸正四丁酯Ti(OC4H9)4為 原料，乙酰丙酮為穩(wěn)定劑，乙二醇甲醚為溶劑，按照化學(xué)式Bi3.15Nda85Ti3012 計(jì)量比稱量后分別溶解并混合后攪拌均勻，得到淡黃色的清亮溶液，濃度 為0.1mol/L左右，其中以10%過量硝酸鉍補(bǔ)償熱處理過程中的鉍揮發(fā)。采 用KW-4A型臺式勻膠機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍍膜，甩膠速度約為4000rpm、甩膠時間 30s。每甩一層膜后在管式爐中從室溫以3°C/min的速度加熱到400。C保溫 IO分鐘進(jìn)行熱處理，進(jìn)行溶劑的揮發(fā)和有機(jī)物的分解，之后隨爐冷卻。(7) 將甩膠和熱處理工藝重復(fù)4-5次之后，將薄膜在退火爐中進(jìn)行退火 處理，制得鐵電薄膜電容，其退火工藝為750。C快速熱處理30分鐘。(8) 采用磁控濺射法在鐵電薄膜層6上制備100nm厚的頂電極金屬層 7，其濺射工藝條件為濺射氣壓8Pa，濺射基片溫度為200°C，濺射氣氛 為Ar氣。本實(shí)施例制備的鐵電薄膜電容的結(jié)晶性能采用X射線進(jìn)行分析測量， 分析結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，對于用Ti02作緩沖層5的BNT薄 膜，(200)的強(qiáng)度顯著增加，取代(117)峰成為最強(qiáng)峰。Ti02種子層的存在降 低了 BNT鐵電薄膜的成核能，在BNT鐵電薄膜和電極之間提供更多的(200) 晶核，從而使BNT薄膜能容易地沿(200)方向晶化，表現(xiàn)為a軸擇優(yōu)取向。圖3為用場發(fā)射掃描電鏡對在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積的BNT薄 膜和具有Ti02種子層的BNT鐵電薄膜的表面形貌的比較。BNT薄膜中圓 盤狀晶粒主要對應(yīng)于薄膜的c軸取向，棒狀的晶粒主要對應(yīng)于(117)和(200) 取向。從圖中可以看出對于直接沉積在Pt/Ti/Si02/Si襯底上的BNT薄膜， 其表面主要由具有c軸取向的晶粒組成，而對于具有Ti02種子層的BNT薄 膜，其表面則主要是由非c軸取向的晶粒組成。同時，具有Ti02種子層的 BNT薄膜的表面更為致密，這是因?yàn)镻t電極上薄的TK)2種子層可以使薄膜 具有更高的成核密度從而導(dǎo)致形成更為致密的表面。具有Ti02緩沖層5的和不具有緩沖層5的BNT鐵電薄膜電容的電滯回 線采用專用鐵電測試儀RT66A測試，測量結(jié)果如圖4所示。兩種薄膜都具 有飽和的電滯回線，在電壓為14V時，直接沉積的BNT薄膜和具有Ti02 種子層的BNT薄膜的剩余極化Pr值分別為26和43.6pc/cm2,矯頑場強(qiáng)Ec 分別為91和80.5kv/cm。從圖中可以看出，具有Ti02種子層的BNT薄膜的電滯回線矩形度更高，剩余極化值更大。具有Ti02緩沖層5的和不具有緩沖層5的BNT鐵電薄膜電容的疲勞特 性采用專用鐵電測試儀RT66A測試，測量結(jié)果如圖5所示。疲勞測試表明 兩種薄膜均具有良好的抗疲勞特性，Ti02種子層的引入并沒有降低BNT薄膜的疲勞特性。具有Ti02緩沖層5的和不具有緩沖層5的BNT鐵電薄膜電容的漏電流 密度與電場強(qiáng)度之間的關(guān)系采用美國Radiant Technologies公司生產(chǎn)的 RT6000標(biāo)準(zhǔn)鐵電測試儀得到，如圖6。在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積的 BNT薄膜和具有Ti02種子層的BNT鐵電薄膜的漏電流密度大小相當(dāng)，在 -3.0V (約為100Kv/cm)時為2xlO_6A/cm2。當(dāng)電場強(qiáng)度為正時，具有Ti02 種子層的BNT鐵電薄膜的漏電流密度比在Pt/Ti/Si02/Si襯底上直接沉積的 BNT薄膜增加得稍快一些，但均在1(T6-1(T5 A/cm2之間。實(shí)例2:(1) 將硅基底按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2) 采用熱氧化法，在硅基底表面生成150nm厚的二氧化硅阻擋層；(3) 采用磁控濺射法在二氧化硅阻擋層上制備20nm厚的二氧化鈦粘結(jié) 層3，其磁控濺射的工藝條件為濺射氣壓2Pa，濺射基片溫度300。C，濺
射氣氛為02:Ar=2:8;(4) 采用磁控濺射法在二氧化鈦粘結(jié)層上制備150nm厚的底電極金屬 層，其磁控濺射的工藝條件為濺射氣壓lPa，濺射基片溫度200。C，濺射 氣氛為Ar氣；(5) 采用磁控濺射法在底電極金屬層上制備10-30nm厚的緩沖層，磁控 濺射的工藝條件為濺射氣壓1.5Pa，濺射基片溫度200 。C，濺射氣氛為 02:Ar=l: 9;(6) 采用溶膠-凝膠法制備BNT薄膜，可以選用如下制備工藝采用硝 酸鉍Bi(N03)y5H20、硝酸釹Nd(N03)3'6H20和鈦酸正四丁酯Ti(OC4H9)4為 原料，乙酰丙酮為穩(wěn)定劑，乙二醇甲醚為溶劑，按照化學(xué)式Bi3.15Nd。.85Ti3012 計(jì)量比稱量后分別溶解并混合后攪拌均勻，得到淡黃色的清亮溶液，濃度 為0.1mol/L左右，其中以10%過量硝酸鉍補(bǔ)償熱處理過程中的鉍揮發(fā)。采 用KW-4A型臺式勻膠機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍍膜，甩膠速度約為4000rpm、甩膠時間 30s。每甩一層膜后在管式爐中從室溫以3°C/min的速度加熱到400'C保溫 IO分鐘進(jìn)行熱處理，進(jìn)行溶劑的揮發(fā)和有機(jī)物的分解，之后隨爐冷卻。(7) 將甩膠和熱處理工藝重復(fù)4-5次之后，將薄膜在退火爐中進(jìn)行退火 處理，制得鐵電薄膜電容，其退火工藝為750。C快速熱處理30分鐘。(8)采用磁控濺射法在鐵電薄膜層6上制備100nm厚的頂電極金屬層7，其 濺射工藝條件為濺射氣壓8Pa，濺射基片溫度為200°C，濺射氣氛為Ar 氣。
權(quán)利要求
1、一種鐵電存儲器用鐵電薄膜電容，依次包括硅基底(1)、二氧化硅阻擋層(2)、二氧化鈦粘結(jié)層(3)、底電極金屬層(4)、鐵電薄膜層(6)和頂電極金屬層(7)；其特征在于在底電極金屬層(4)與鐵電薄膜層(6)之間還設(shè)置有緩沖層(5)，緩沖層(5)的材料為TiO2，厚度為10-30nm。
2、 一種制備鐵電存儲器用鐵電薄膜電容的方法，包括以下步驟① 將硅基底進(jìn)行表面處理和清洗；② 采用熱氧化法，在硅基底表面生成二氧化硅阻擋層；③ 在二氧化硅阻擋層上制備二氧化鈦粘結(jié)層； 在二氧化鈦粘結(jié)層上制備底電極金屬層；⑤采用磁控濺射法在底電極金屬層上制備10-30nm厚度的7102緩沖層， 濺射工藝條件為濺射氣壓l 3Pa，濺射基片溫度為200-400°C，濺射氣氛 為02和Ar的混合氣體；⑥ 采用溶膠-凝膠法在Ti02緩沖層上制備配置鐵電薄膜層；⑦ 對鐵電薄膜層進(jìn)行退火處理；⑧ 采用磁控濺射法在鐵電薄膜層上制備頂電極金屬層，制得鐵電薄膜 電容。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟⑤中，濺射工藝條 件為濺射氣壓1.5Pa，濺射基片溫度為200°C，濺射氣氛為02:Ar二l :9。
全文摘要
本發(fā)明屬于鐵電存儲器技術(shù)，公開了一種鐵電存儲器用鐵電薄膜電容及其制備方法。鐵電薄膜電容依次由硅基底、二氧化硅阻擋層、二氧化鈦粘結(jié)層、底電極金屬層、緩沖層、鐵電薄膜層和頂電極金屬層構(gòu)成，緩沖層的材料為TiO₂，厚度為10-30nm。制備過程中，采用磁控濺射法在底電極金屬層上制備10-30nm厚度的TiO₂緩沖層，濺射工藝條件為濺射氣壓1～3Pa，濺射基片溫度為200-400℃，濺射氣氛為O₂和Ar的混合氣體；本發(fā)明鐵電薄膜結(jié)晶性能良好、非c軸取向度高、電滯回線飽滿、剩余極化值大。
文檔編號H01L27/115GK101159271SQ20071016836
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者軍 于, 周文利, 佳 李, 李建軍, 斌 楊, 王耘波, 高俊雄 申請人:華中科技大學(xué)