【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體，尤其涉及一種能量存儲(chǔ)電容器及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，能源自主系統(tǒng)的需求提升，急需開發(fā)與集成電路工藝相兼容的片上能量存儲(chǔ)器件。目前儲(chǔ)能器件主要有鋰離子電池、電化學(xué)超級(jí)電容器和電介質(zhì)電容器三類。鋰離子電池和電化學(xué)超級(jí)電容器通過化學(xué)原理儲(chǔ)能，通常具有較高的能量密度，然而由于電解質(zhì)中離子遷移速度較慢，使其功率和壽命十分有限，而電介質(zhì)電容器因具有高充放電速率、高耐受性、高熱穩(wěn)定性等，更具競(jìng)爭(zhēng)力。
2、目前的電介質(zhì)電容器還面臨著儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率需要協(xié)同調(diào)控，難以同時(shí)提升的巨大挑戰(zhàn)。采用線性(de)介質(zhì)和順電(pe)介質(zhì)可以獲得超高的能量存儲(chǔ)效率，但由于其極化強(qiáng)度較低，很難獲得高的能量存儲(chǔ)密度；采用鐵電(fe)材料作為介質(zhì)，可以提升器件的極化強(qiáng)度，但由于其較大的剩余極化使得存儲(chǔ)密度及效率大打折扣，在能量存儲(chǔ)方面并不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；反鐵電(afe)材料得益于其雙遲滯的極化行為，能夠在提升介質(zhì)極化強(qiáng)度的同時(shí)，保證器件具有較高的存儲(chǔ)效率，是目前儲(chǔ)能電容器的研究熱點(diǎn)。
3、傳統(tǒng)的反鐵電材料，如pbzro3基反鐵電材料和batio3基反鐵電材料等，表現(xiàn)出很高的儲(chǔ)能密度和效率，但其制備工藝復(fù)雜，溫度較高，無法與集成電路工藝相兼容；同時(shí)由于其材料特性，介質(zhì)所需厚度在百納米級(jí)別，無法與器件尺寸持續(xù)微縮的必然趨勢(shì)相匹配；另外含pb材料的使用還面臨著環(huán)境不友好的問題。
4、目前，已有人報(bào)道不同元素?fù)诫s的hfo2薄膜具有反鐵電性，如hfxzr1-xo2(0.1≤x≤0.4)、hf
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種能量存儲(chǔ)電容器及其制備方法，可以減小電容器的泄漏電流，增大擊穿場(chǎng)強(qiáng)，而且電容器的儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率都得以同時(shí)提升，并延長(zhǎng)反鐵電層在電容器反復(fù)充放電過程中的使用壽命。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)的所述能量存儲(chǔ)電容器，包括從下而上依次層疊設(shè)置的襯底、絕緣層、底層電極、界面層、反鐵電層和頂層電極；所述界面層為氧化鋯鉿薄膜，所述氧化鋯鉿薄膜的組成材料的結(jié)構(gòu)通式為hfx?zr1-xo2，且所述x滿足：0.5≤x≤0.9；所述反鐵電層為摻雜有摻雜元素的氧化鋯薄膜。
3、本專利技術(shù)的所述能量存儲(chǔ)電容器的有益效果在于：通過在底層電極和反鐵電層之間設(shè)置界面層，使得底層電極和反鐵電層之間不會(huì)直接接觸，從而避免了反鐵電層生長(zhǎng)工藝過程中底層電極被氧化，提高了反鐵電層擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得反鐵電層可以實(shí)現(xiàn)更高的極化；通過所述界面層為氧化鋯鉿薄膜，所述氧化鋯鉿薄膜的組成材料的結(jié)構(gòu)通式為hfx?zr1-xo2，且所述x滿足：0.5≤x≤0.9，以使所述界面層呈現(xiàn)出鐵電相，再結(jié)合所述反鐵電層為摻雜有摻雜元素的氧化鋯薄膜，不僅氧化鋯鉿薄膜可以通過改變反鐵電層中zr的含量，從而進(jìn)一步優(yōu)化電容器；而且氧化鋯鉿薄膜有助于反鐵電層更容易結(jié)晶而形成反鐵電相，即界面層可以增強(qiáng)反鐵電層的反鐵電相，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率的共同提升，通過所述反鐵電層為摻雜有摻雜元素的氧化鋯薄膜，氧化鋯薄膜中摻雜摻雜元素不僅可以減小電容器的泄漏電流，增大擊穿場(chǎng)強(qiáng)，而且能有效提升電容器的儲(chǔ)能密度，從而使得電容器的儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率都得以同時(shí)提升，并延長(zhǎng)反鐵電層在電容器反復(fù)充放電過程中的使用壽命。
4、優(yōu)選的，所述摻雜元素為al元素、hf元素、y元素、si元素和la元素中的至少一種。其有益效果在于：該摻雜元素的離子半徑與氧化鋯中zr4+之間的離子半徑存在差異，從而會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力作用，從而使反鐵電層中的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生畸變，進(jìn)一步提升反鐵電層中反鐵電相的含量，從而增大電容器的最大極化強(qiáng)度，減小剩余極化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)同時(shí)提升儲(chǔ)能密度和優(yōu)化儲(chǔ)能效率的目的。
5、優(yōu)選的，所述氧化鋯薄膜中摻雜有至少兩種摻雜元素。其有益效果在于：有利于同時(shí)提升儲(chǔ)能密度和優(yōu)化儲(chǔ)能效率。
6、優(yōu)選的，所述反鐵電層中任意一種所述摻雜元素與氧化鋯的摻雜比例為1:3～1:100。其有益效果在于：該摻雜比例能有效提升電容器的儲(chǔ)能密度，并延長(zhǎng)反鐵電層在電容器反復(fù)充放電過程中的使用壽命；摻雜比例高于1:3，會(huì)導(dǎo)致反鐵電層的反鐵電相含量減少；摻雜比例低于1:100，會(huì)降低電容器的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。而且可通過改變摻雜元素的含量而調(diào)控反鐵電層中反鐵電相的含量，即實(shí)際的摻雜比例可根據(jù)對(duì)儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率的不同需求而進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控。
7、優(yōu)選的，所述反鐵電層的厚度為5nm～30nm。其有益效果在于：即可以通過改變反鐵電層的厚度而調(diào)控反鐵電層中反鐵電相的含量，該摻雜比例能有效提升電容器的儲(chǔ)能密度，并延長(zhǎng)反鐵電層在電容器反復(fù)充放電過程中的使用壽命；所述反鐵電層的厚度小于5nm，會(huì)導(dǎo)致反鐵電層難以結(jié)晶，從而形成不了反鐵電相；所述反鐵電層的厚度大于30nm，不利于反鐵電層形成反鐵電相。
8、優(yōu)選的，所述界面層的厚度為1nm～3nm。其有益效果在于：所述界面層的厚度小于1nm，不利于誘導(dǎo)反鐵電層結(jié)晶形成反鐵電相；所述界面層的厚度大于3nm，會(huì)導(dǎo)致電容器的儲(chǔ)能效率降低。
9、優(yōu)選的，所述底層電極和所述頂層電極的組成材料為tin、w、mo、ni和ru中的至少一種。其有益效果在于：使得所述底層電極和所述頂層電極均具有良好的沉積特性，所述底層電極與絕緣層之間具有良好粘附性，所述底層電極與界面層之間、所述頂層電極與反鐵電層之間具有良好的電性接觸。
10、優(yōu)選的，所述絕緣層的組成材料為sio2，厚度為100nm～500nm。其有益效果在于：避免底層電極與襯底接觸，防止電極材料向襯底擴(kuò)散，能有效防止短路。
11、本專利技術(shù)的所述能量存儲(chǔ)電容器的制備方法，包括以下步驟：
12、s1、在襯底的頂面形成絕緣層；
13、s2、在所述絕緣層的頂面形成底層電極；
14、s3、在所述底層電極的頂面制備氧化鋯鉿薄膜以形成界面層，且控制所述氧化鋯鉿薄膜中hf和zr的原子比，以使所述氧化鋯鉿薄膜的組成材料的結(jié)構(gòu)通式為hfx?zr1-xo2，所述x滿足：0.5≤x≤0.9；
15、s4、在所述界面層的頂面制備摻雜有摻雜元素的氧化鋯薄膜以形成反鐵電層；
16、s5、在所述反鐵電層的頂面形成頂層電極。
17、本專利技術(shù)的所述能量存儲(chǔ)電容器的制備方法的有益效果在于：通過在底層電極和反鐵電層之間設(shè)置界面層，使得底層電極和反鐵電層之間不會(huì)直接接觸，從而避免了反鐵電層生長(zhǎng)工藝過程中底層電極被氧化，提高了反鐵電層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得反鐵電層可以實(shí)現(xiàn)更高的極化；通過步驟s3即在所述底層電極的頂面制備氧化鋯鉿薄膜以形成界面層，且控制所述氧化鋯鉿薄膜中hf和zr的原子比，以使所述氧化鋯鉿薄膜的組成材料的結(jié)構(gòu)通式為hfx?zr1-xo2，所述x滿足：0.5≤x≤0.9，以使所述界面層呈現(xiàn)出鐵電相，再結(jié)合步驟s4本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，包括從下而上依次層疊設(shè)置的襯底、絕緣層、底層電極、界面層、反鐵電層和頂層電極；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述摻雜元素為Al元素、Hf元素、Y元素、Si元素和La元素中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述氧化鋯薄膜中摻雜有至少兩種摻雜元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述反鐵電層中任意一種所述摻雜元素與氧化鋯的摻雜比例為1:3～1:100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述反鐵電層的厚度為5nm～30nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述界面層的厚度為1nm～3nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述底層電極和所述頂層電極的組成材料為TiN、W、Mo、Ni和Ru中的至少一種。
8.一種能量存儲(chǔ)電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量存儲(chǔ)電容器的制備方法，其
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的能量存儲(chǔ)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟采用氧等離子體對(duì)所述反鐵電層進(jìn)行原位處理的步驟包括：
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量存儲(chǔ)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟S4中，在所述界面層的頂面制備摻雜有摻雜元素的氧化鋯薄膜以形成反鐵電層的步驟包括：
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量存儲(chǔ)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟S5執(zhí)行完畢后還包括執(zhí)行以下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，包括從下而上依次層疊設(shè)置的襯底、絕緣層、底層電極、界面層、反鐵電層和頂層電極；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述摻雜元素為al元素、hf元素、y元素、si元素和la元素中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述氧化鋯薄膜中摻雜有至少兩種摻雜元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述反鐵電層中任意一種所述摻雜元素與氧化鋯的摻雜比例為1:3～1:100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述反鐵電層的厚度為5nm～30nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量存儲(chǔ)電容器，其特征在于，所述界面層的厚度為1nm～3nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：丁士進(jìn)，朱寶，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：嘉善復(fù)旦研究院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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