一種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元及制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，用成本低、抗氧化性強(qiáng)、無氧通道的金屬間化合物材料作為導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層以替代Ｉｒ（Ｐｔ）阻擋層，通過選擇磁控濺射工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)阻擋層及相關(guān)氧化物電極的制備。這種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成，其特征在于：導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ｎｉ－Ａｌ二元合金薄膜材料制成。對(duì)Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ／Ｐｂ（Ｚｒ↓［ｘ］Ｔｉ↓［１－ｘ］）Ｏ↓［３］／Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ鐵電電容器進(jìn)行極化強(qiáng)度、疲勞等鐵電性能研究，得到了非常理想的物理性能。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及到氧化物鐵電存儲(chǔ)單元及制備方法，特別是用于制備導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層的方法，屬于半導(dǎo)體器件或其部件的制造或處理方法

技術(shù)介紹
由于鐵電材料和高K氧化物薄膜材料在微電子行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景，在過去幾年里，鐵電材料和高K氧化物薄膜材料的應(yīng)用和研究取得了巨大的進(jìn)展。鐵電存儲(chǔ)器的核心是鐵電電容器，人們希望能夠把鐵電電容器與現(xiàn)代硅晶體管技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)造硅基高密度鐵電存儲(chǔ)器。在把鐵電電容器生長(zhǎng)在半導(dǎo)體硅襯底上的過程中，最基本問題就是各種材料必須承受住高的生長(zhǎng)溫度和強(qiáng)氧化氣氛。因此成功選擇鐵電存儲(chǔ)器單元和硅襯底之間的導(dǎo)電阻擋層是制備硅基高密度鐵電存儲(chǔ)器的關(guān)鍵。理想的阻擋層應(yīng)當(dāng)滿足以下條件第一，不能與硅反應(yīng)，并與硅形成歐姆接觸；第二，能阻擋材料之間的互擴(kuò)散；第三，能阻擋硅的氧化；第四，完成鐵電存儲(chǔ)器與半導(dǎo)體硅的集成后，阻擋層仍能保持小的電阻率。Yang和Summerfelt發(fā)現(xiàn)Ir或Pt/TiN能起很好的阻擋層作用 Appl.Phys.Lett.71，356(1997)；Appl.Phys.Lett.，24，4004(2001)」。現(xiàn)在商業(yè)鐵電存儲(chǔ)器也多采用與Ir、Pt有關(guān)的阻擋層材料來實(shí)現(xiàn)鐵電薄膜與硅襯底的集成，但是含Ir或Pt的導(dǎo)電阻擋層材料存在造價(jià)高、難以離子刻蝕等缺點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，用成本低、抗氧化性強(qiáng)、無氧通道的金屬間化合物材料作為導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層以替代Ir(Pt)阻擋層，通過選擇磁控濺射工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)阻擋層及相關(guān)氧化物電極的制備。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的這種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成。其特征在于導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ni-Al二元合金薄膜材料制成。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元。直接生長(zhǎng)在硅襯底上的非晶態(tài)Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層，第一層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的下電極，氧化物鐵電薄膜作為鐵電電容器的介電材料；第二層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的上電極。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，所述的硅襯底為拋光的單晶硅或表面生長(zhǎng)有多晶硅的單晶硅。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，所述的La-Sr-Co-O氧化物電極材料可以用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La-Ni-O或SrRuO3導(dǎo)電薄膜材料，或超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-O，或巨磁阻材料La-Ca-Mn-O等薄膜替代。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，所述的氧化物鐵電薄膜材料，是Pb(ZrXTi1-X)O3或SrBi2Ta2O9。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層的制備方法包括如下步驟 A、把拋光的單晶硅襯底依次用HF、丙酮、酒精、去離子水超聲處理后，放置到磁控濺射真空室的樣品臺(tái)上；B、應(yīng)用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5)×10-4Pa；C、應(yīng)用流量計(jì)向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動(dòng)態(tài)平衡的氣壓為0.8-20Pa；D、Ni-Al靶與襯底間距為25-65mm，濺射功率為1-50W，沉積時(shí)間為10min，得到的Ni-Al非晶薄膜厚度20-60nm。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備包括如下步驟A、鐵電電容器的下電極的制備Ni-Al薄膜制備完畢后，不打開真空室，將真空室的真空度抽至(1-5)×10-4Pa后，向真空室中充入高純氬氣氧氣為3∶1的混合氣體，保持真空室的沉積氣壓為0.8-20Pa；La-Sr-Co-O靶與襯底間距為20-60mm，轉(zhuǎn)動(dòng)樣品臺(tái)，濺射功率為10-100W，沉積時(shí)間為30min，得到厚度為20-100nm的La-Sr-Co-O薄膜；B、在流動(dòng)氧的管式退火爐中對(duì)La-Sr-Co-O薄膜進(jìn)行450-650℃的高溫退火；C、氧化物鐵電薄膜的制備應(yīng)用溶膠-凝膠法，在高溫退火后的La-Sr-Co-O薄膜的上面甩涂Pb(ZrXTi1-X)O3薄膜，于100-400℃烘干，重復(fù)甩涂至所需厚度，最后，在流動(dòng)氧的管式退火爐中對(duì)Pb(ZrXTi1-X)O3薄膜進(jìn)行450-650℃的高溫退火； D、鐵電電容器的上電極的制備重復(fù)步驟A制備La-Sr-Co-O薄膜。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，步驟A、B中所述的磁控濺射及高溫退火處理直接應(yīng)用高溫的磁控濺射法實(shí)現(xiàn)La-Sr-Co-O薄膜的制備，背底真空度為(1-5)×10-4Pa，沉積氣壓為0.8-20Pa，濺射功率為10-100W，靶-襯底間距為25～65mm，沉積溫度為450-650℃，沉積完畢后，通入(0.1-1)×105Pa的氧氣，將基片的溫度降至室溫。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，鐵電電容器的上、下電極La-Sr-Co-O氧化物薄膜的制備采用脈沖激光沉積或化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備包括如下步驟直接在非晶態(tài)Ni-Al薄膜上生長(zhǎng)氧化物鐵電薄膜以及金屬上電極Pt。本專利技術(shù)采用磁控濺射法在半導(dǎo)體硅襯底上制備非晶態(tài)Ni-Al薄膜氧擴(kuò)散導(dǎo)電阻擋層，進(jìn)一步在其上構(gòu)架La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器。Ni-Al材料具有強(qiáng)的高溫抗氧化性；非晶的Ni-Al薄膜不存在氧擴(kuò)散通道，可以有效避免La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O生長(zhǎng)過程中氧向硅襯底的擴(kuò)散；Ni-Al材料不與硅以及La-Sr-Co-O等氧化物反應(yīng)的特點(diǎn)，決定了非晶態(tài)Ni-Al薄膜可以充當(dāng)氧化物薄膜與硅襯底集成的氧擴(kuò)散導(dǎo)電阻擋層。附圖說明圖1是La-Sr-Co-O/Pb(ZrXi1-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器的電滯回線圖2是La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器的保持性能圖3是La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器的疲勞性能 具體實(shí)施例方式實(shí)施例11、非晶態(tài)Ni-Al薄膜擴(kuò)散阻擋層的制備1-1、把拋光的(001)單晶硅襯底或多晶硅/單晶硅襯底用10％的HF、丙酮、酒精、去離子水超聲處理清洗后，放置到可以實(shí)現(xiàn)磁控濺射的真空室的樣品臺(tái)上；1-2、將真空室的真空度抽至2×10-4Pa，然后通入高純氬氣，沉積氣壓為8Pa；1-3、應(yīng)用射頻磁控濺法進(jìn)行Ni-Al薄膜的制備Ni-Al靶(北京泰科諾有限公司)與襯底間距為40mm，濺射功率為15W，沉積時(shí)間為10min，得到的Ni-Al非晶薄膜厚度40nm；2、La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備2-1、在實(shí)施例1制備的Ni-Al非晶薄膜基礎(chǔ)上，不打開真空室，將真空室的真空度抽至2×10-4Pa，然后通入高純氬氣和氧氣的混合氣體(Ar∶O2＝3∶1)，控制沉積氣壓為5Pa；La-Sr-Co-O靶(北京泰科諾有限公司)與襯底間距為40mm，轉(zhuǎn)動(dòng)樣品臺(tái)，濺射功率為80W，沉積時(shí)間為30min，得到厚度為100nm的La-Sr-Co-O薄膜；2-2、在流動(dòng)氧的管式退火爐中對(duì)La-Sr-Co-O薄膜進(jìn)行550℃的高溫退火處理，得到結(jié)晶的La-Sr-Co-O薄膜；2-3、應(yīng)用Pb(Zr0.4Ti0.本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成，其特征在于：導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ｎｉ－Ａｌ二元合金薄膜材料制成。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成，其特征在于導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ni-Al二元合金薄膜材料制成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，其特征在于直接生長(zhǎng)在硅襯底上的非晶態(tài)Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層，第一層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的下電極，氧化物鐵電薄膜作為鐵電電容器的介電材料；第二層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的上電極。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，其特征在于所述的硅襯底為拋光的單晶硅或表面生長(zhǎng)有多晶硅的單晶硅。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，其特征在于所述的La-Sr-Co-O氧化物電極材料可以用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La-Ni-O或SrRuO3導(dǎo)電薄膜材料，或超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-O，或巨磁阻材料La-Ca-Mn-O等薄膜替代。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元，其特征在于所述的氧化物鐵電薄膜材料，是Pb(ZrXTi1-X)O3或SrBi2Ta2O9。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，其特征在于Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴(kuò)散阻擋層的制備方法包括如下步驟A、把拋光的單晶硅襯底依次用HF、丙酮、酒精、去離子水超聲處理后，放置到磁控濺射真空室的樣品臺(tái)上；B、應(yīng)用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5)×104Pa；C、應(yīng)用流量計(jì)向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動(dòng)態(tài)平衡的氣壓為0.8-20Pa；D、Ni-Al靶與襯底間距為25-65mm，濺射功率為1-50W，沉積時(shí)間為10min，得到的Ni-Al非晶薄膜厚度20-60nm。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2和6所述的氧化物鐵電存儲(chǔ)單元的制備方法，其特征...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉保亭，李鋒，程春生，趙慶勛，閆正，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河北大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：13[中國(guó)|河北]