1.本发明涉及微电子制造及存储器技术领域，尤其涉及一种铁电存储器及其制备方法。
背景技术：2.氧化铪是集成电路工艺一种常用的高介电常数材料，掺杂后的氧化铪薄膜有铁电性，其有较强的自发极化且极化方向可由外电场而重新定向，因此，也成为铁电存储器研究领域备受关注的铁电层材料。然而基于掺杂氧化铪的铁电存储器还存在着亟需解决的问题：一是剩余极化强度较低；二是数据的保持时间无法满足业界提出的保持年限的要求。
技术实现要素：3.本发明的目的在于提供一种铁电存储器及其制备方法，用于提供一种极化强度较高，数据保持时间可以满足业界提出的保持年限要求的铁电存储器。
4.第一方面，本发明提供一种铁电存储器，所述铁电存储器包括：
5.下电极；
6.形成在所述下电极上的铁电材料层，其中，所述下电极与所述铁电材料层的界面利用nh3进行了处理；
7.形成在所述铁电材料层上的上电极。
8.与现有技术相比，本发明提供的铁电存储器，对下电极与铁电材料层的界面利用nh3进行了处理，基于此，在该界面上形成铁电材料层，可以使得铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致。应理解，当铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致时，铁电存储器的剩余极化强度会得到提高，且铁电存储器的数据保持特性也会得到提高。因此，本发明提供的铁电存储器极化强度较高，且数据保持时间可以满足业界提出的保持年限要求。
9.优选的，所述铁电材料层包括掺杂氧化铪薄膜。
10.优选的，所述掺杂氧化铪薄膜中的掺杂原子为si、y、sc、al、zr、gd中的至少一者。
11.优选的，所述铁电材料层的厚度为5nm-12nm。
12.优选的，所述上电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种；
13.和/或，所述下电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种。
14.优选的，利用nh3对所述下电极与所述铁电材料层的界面进行处理时的压强为20pa-80pa，功率为10w-1000w，流量为10sccm-100sccm，处理温度为20℃-100℃，处理时间为1min-30min；
15.第二方面，本发明还提供了一种铁电存储器的制备方法，包括以下步骤：
16.形成下电极；
17.利用nh3对所述下电极的表面进行处理；
18.在所述下电极上形成铁电材料层；
19.在所述铁电材料层上形成上电极。
20.优选的，在所述铁电材料层上形成上电极之后，所述铁电存储器的制备方法还包括：
21.对所述铁电存储器进行快速热退火处理。
22.优选的，利用nh3对所述下电极的表面进行处理时的压强为20pa-80pa，功率为10w-1000w，流量为10sccm-100sccm，处理温度为20℃-100℃，处理时间为1min-30min。
23.优选的，所述形成下电极包括：
24.采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种形成所述下电极；
25.和/或，所述在所述下电极上形成铁电材料层包括：
26.采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种在所述下电极上形成所述铁电材料层；
27.和/或，所述在所述铁电材料层上形成上电极包括：
28.采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种在所述铁电材料层上形成所述上电极。
29.本发明中提供铁电存储器的制备方法利用nh3对所述下电极的表面进行处理，基于此，在该表面上形成铁电材料层，可以使得铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致。应理解，当铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致时，制备铁电存储器的剩余极化强度会得到提高，且铁电存储器的数据保持特性也会得到提高。因此，本发明制备的的铁电存储器极化强度较高，且数据保持时间可以满足业界提出的保持年限要求。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
31.图1为本发明实施例提供的一种铁电存储器的结构示意图；
32.图2为本发明实施例提供的一种铁电存储器极化强度-电场强度特性曲线图；
33.图3为本发明实施例提供的一种铁电存储器保持性能测试曲线图；
34.图4-图7为本发明实施例提供的一种铁电存储器的制备方法中各个阶段的结构示意图。
具体实施方式
35.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.氧化铪是集成电路工艺一种常用的高介电常数材料，掺杂后的氧化铪薄膜有铁电性，其有较强的自发极化且极化方向可由外电场而重新定向，因此也成为铁电存储器研究领域备受关注的铁电层材料。电容结构是一种常见的三明治结构，其结构简单便于制备且应用领域广泛，因而其为铁电存储器研究领域的一种常用结构。
39.然而基于掺杂氧化铪的铁电存储器还存在着亟需解决的问题：一是剩余极化强度较低，仅为20uc/cm2左右：二是数据的保持时间无法满足业界提出的保持10年的要求。虽然对铁电存储器进行优化的研究有被报道，但目前的方法，并没有使剩余极化强度有较大幅度提高，器件保持特性的提高也并不显著。
40.基于此，参照图1，本发明实施例提供了一种铁电存储器，包括下电极101；
41.形成在所述下电极101上的铁电材料层102，其中，所述下电极101与所述铁电材料层102的界面利用nh3进行了处理；
42.形成在所述铁电材料层102上的上电极103。
43.基于此，本发明实施例对下电极与铁电材料层的界面利用nh3进行了处理，基于此，在该界面上形成铁电材料层，可以使得铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致。应理解，当铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致时，铁电存储器的剩余极化强度会得到提高，且铁电存储器的数据保持特性也会得到提高。因此，本发明提供的铁电存储器极化强度较高，且数据保持时间可以满足业界提出的保持年限要求。
44.应再理解，在实际中，未掺杂的氧化铪薄膜在极薄且合适的工艺条件下能够出现铁电性，但是掺杂可以让氧化铪薄膜铁电性能的出现更加容易，以降低铁电相形成的苛刻条件。因此，本发明实施例中的铁电材料层包括掺杂氧化铪薄膜。掺杂氧化铪薄膜具有铁电性，其有较强的自发极化且极化方向可由外电场而重新定向，因此，掺杂氧化铪薄膜可以作为铁电存储器的铁电层材料。其中，掺杂氧化铪薄膜中的掺杂原子为si、y、sc、al、zr、gd中的至少一者。
45.例如：掺杂氧化铪薄膜中的掺杂原子为si。
46.又例如，掺杂氧化铪薄膜中的掺杂原子为si和sc。
47.在一种可能的实现方式中，当铁电材料层厚度较大时，单斜相较多，铁电材料层的铁电性能降低至消失。但当铁电材料层厚度较小时，铁电相减少四方相增多也会使得铁电材料层的剩余极化降低甚至消失。基于此，本发明实施例中设置所述铁电材料层的厚度为5nm-12nm。
48.例如，铁电材料层的厚度为5nm。
49.又例如，铁电材料层的厚度为10nm。
50.再例如，铁电材料层的厚度为12nm。
51.在一种示例中，上电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种。下电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种。当上电极和下电极采用上述材料时，能够保证铁电存储器的铁电性能较好，使得铁电存储器有较高的剩余极化强度
·
电压耐受性与保持特性。
52.例如：上电极的材质为ti，下电极的材质为w。
53.又例如，上电极的材质为tin，下电极的材质为tan。
54.在本发明实施例中，利用所述nh3对所述下电极与所述铁电材料层的界面进行处理时的压强为20pa-80pa，功率为10w-1000w，nh3的流量为10sccm-100sccm，处理温度为20℃-100℃，处理时间为1min-30min。基于以上处理过程，能够使铁电存储器的剩余极化强度能提高30％～50％，且能够使铁电存储器在150℃高温条件下数据保持时间超过10年。
55.应理解，在上述压强、功率、nh3的流量、处理温度预计处理时间下，利用nh3对所述下电极与所述铁电材料层的界面进行处理，可以使得形成的铁电材料层晶体排列更加整齐且一致。基于此，可以大大提高了基于掺杂氧化铪薄膜铁电存储器的剩余极化强度，也提高了铁电存储器数据保持特性。
56.具体的，nh3能够优化下电极和铁电材料层的界面，使得在该界面上形成的铁电材料层晶体排列更加整齐且一致。基于此，可以大大提高了基于掺杂氧化铪薄膜铁电存储器的剩余极化强度，也提高了铁电存储器数据保持特性，且该铁电储存器结构简单、易集成。且，nh3还能减少hzo和tin之间的界面介电层，并且减少hzo中的一些缺陷，例如氧空位缺陷，以及降低界面的粗糙度。
57.图2为本发明实施例提供的铁电存储器极化强度-电场强度特性曲线图。如图2所示，下电极为tin，铁电材料层为hzo，下电极为tin的铁电存储器在三角波脉冲扫描模式下得到的极化强度-电场强度特性曲线，所述铁电存储器中下电极的表面利用nh3处理时间分别为10min、2min与无nh3处理从而形成对照，所得数据为各个铁电存储器加1000次+3.5v至－3.5v脉冲电压wake-up之后测得。从图2可以看到，有nh3处理与无nh3处理剩余极化强度增加将近40％，且nh3处理10min比处理2min剩余极化强度增加更为显著。
58.图3为本发明实施例提供的铁电存储器保持性能测试曲线图。如图3所示，下电极为tin，铁电材料层为hzo，下电极为tin的铁电存储器在150℃得到的剩余极化强度-时间保持特性曲线，所述铁电存储器件的下电极的表面利用nh3处理时间分别为10min，2min与无nh3处理从而形成对照。从图3可以看到，经过合理外推，nh3处理10min与2min在150℃烘烤条件下数据保持时间能超过10年，而无nh3处理保持时间远达不到10年，其中nh3处理10min保持效果最好；经过nh3处理剩余极化强度的下降速度要低于无nh3处理。
59.基于以上分析，本发明提供的铁电存储器具有以下有益效果：
60.(1)剩余极化强度能提高30％～50％；
61.(2)150℃高温条件下数据保持时间超过10年。
62.第二方面，本发明实施例还提供了一种铁电存储器的制备方法，包括以下步骤：
63.s100，参照图4，形成下电极101。
64.其中，该下电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种。例如，采用材质ti制备下电极，或采用材质tan制备下电极。
65.在本发明实施例中，可采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种制备下电极。
66.其中，电子束蒸发法是真空蒸发镀膜的一种，是在真空条件下利用电子束进行直接加热蒸发材料，使蒸发材料气化并向基板输运，在基底上凝结形成薄膜的方法。化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、
在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。脉冲激光沉积(pld)，就是将激光聚焦于靶材上一个较小的面积，利用激光的高能量密度将部分靶材料蒸发甚至电离，使其能够脱离靶材而向基底运动，进而在基底上沉积，从而形成薄膜的一种方式。离子束溅射(ibs)，也称为离子束沉积(ibd)，是一种薄膜沉积工艺，使用离子源，将靶材(金属或电介质)沉积或溅射到基片上，以形成金属或电介质膜。原子层沉积(atomic layer deposition)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。溅射是用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。以荷能粒子(常用气体正离子)轰击某种材料的靶面，而使靶材表面的原子或分子从中逸出的现象，同时由于溅射过程含有动量的转换，所以溅射出的粒子是有方向性的。
67.例如，在本发明实施例中可以采用电子束蒸发制备材质为ti的下电极。
68.又例如，在本发明实施例中可以采用化学气相沉积法制备材质为iro2的下电极。
69.s200，参照图5，利用nh3对所述下电极101的表面进行处理；
70.其中，利用nh3对下电极的表面进行处理时的压强为20pa-80pa，功率为10w-1000w，流量为10sccm-100sccm，处理温度为20℃-100℃，处理时间为1min-10min。
71.在利用nh3对下电极的表面进行处理后，可以使得之后形成的铁电材料层晶体排列更加整齐且一致。基于此，可以大大提高了基于掺杂氧化铪薄膜铁电存储器的剩余极化强度，也提高了铁电存储器数据保持特性。
72.s300，参照图6，在所述下电极101上形成铁电材料层102。
73.其中，铁电材料层可以为掺杂氧化铪薄膜。掺杂氧化铪薄膜具有铁电性，其有较强的自发极化且极化方向可由外电场而重新定向，因此，掺杂氧化铪薄膜可以作为铁电存储器的铁电层材料。其中，掺杂氧化铪薄膜中的掺杂原子为si、y、sc、al、zr、gd中的至少一者。
74.在本发明实施例中，在下电极上形成铁电材料层的方法包括电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种。
75.例如，在本发明实施例中可以采用原子层沉积制备铁电材料层。
76.又例如，在本发明实施例中可以采用脉冲激光沉积制备铁电材料层。
77.s400，参照图7，在所述铁电材料层102上形成上电极103。
78.其中，该上电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种。例如，采用材质ta制备上电极，或采用材质pd制备上电极。
79.在本发明实施例中，可采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种制备下电极。
80.例如，在本发明实施例中可以采用电子束蒸发制备材质为ta的上电极。
81.又例如，在本发明实施例中可以采用原子层沉积制备材质为tan的上电极。
82.进一步的，所述铁电材料层上形成上电极之后，本发明实施例提供的铁电存储器的制备方法还包括：
83.对所述铁电存储器进行快速热退火处理。应理解，ald生长的氧化铪薄膜主要为非晶态的，通过退火可将非静态的氧化铪薄膜转变为晶态的氧化铪薄膜，该过程中会产生铁电相。
84.在本发明实施例中，利用nh3对所述下电极的表面进行处理，基于此，在该表面上
形成铁电材料层，可以使得铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致。应理解，当铁电材料层中晶体排列更加整齐且一致时，制备铁电存储器的剩余极化强度会得到提高，且铁电存储器的数据保持特性也会得到提高。因此，本发明实施例中制备的的铁电存储器极化强度较高，且数据保持时间可以满足业界提出的保持年限要求。
85.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
技术特征：1.一种铁电存储器，其特征在于，所述铁电存储器包括：下电极；形成在所述下电极上的铁电材料层，其中，所述下电极与所述铁电材料层的界面利用nh3进行了处理；形成在所述铁电材料层上的上电极。2.根据权利要求1所述的铁电存储器，其特征在于，所述铁电材料层包括掺杂氧化铪薄膜。3.根据权利要求2所述的铁电存储器，其特征在于，所述掺杂氧化铪薄膜中的掺杂原子为si、y、sc、al、zr、gd中的至少一者。4.根据权利要求1所述的铁电存储器，其特征在于，所述铁电材料层的厚度为5nm-12nm。5.根据权利要求1所述的铁电存储器，其特征在于，所述上电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种；和/或，所述下电极的材质包括w，ti，ta，ru，pd、tin，tan，iro2中的一种或多种。6.根据权利要求1-5任一项所述的铁电存储器，其特征在于，利用nh3对所述下电极与所述铁电材料层的界面进行处理时的压强为20pa-80pa，功率为10w-1000w，流量为10sccm-100sccm，处理温度为20℃-100℃，处理时间为1min-30min。7.一种铁电存储器的制备方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的铁电存储器中，所述铁电存储器的制备方法包括以下步骤：形成下电极；利用nh3对所述下电极的表面进行处理；在所述下电极上形成铁电材料层；在所述铁电材料层上形成上电极。8.根据权利要求7所述的铁电存储器的制备方法，其特征在于，在所述铁电材料层上形成上电极之后，所述铁电存储器的制备方法还包括：对所述铁电存储器进行快速热退火处理。9.根据权利要求7所述的铁电存储器的制备方法，其特征在于，利用nh3对所述下电极的表面进行处理时的压强为20pa-80pa，功率为10w-1000w，流量为10sccm-100sccm，处理温度为20℃-100℃，处理时间为1min-30min。10.根据权利要求7所述的铁电存储器的制备方法，其特征在于，所述形成下电极包括：采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种形成所述下电极；和/或，所述在所述下电极上形成铁电材料层包括：采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种在所述下电极上形成所述铁电材料层；和/或，所述在所述铁电材料层上形成上电极包括：采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射、原子层沉积、溅射方法中的一种在所述铁电材料层上形成所述上电极。
技术总结本发明公开一种铁电存储器及其制备方法，涉及微电子制造及存储器技术领域，用于提供一种极化强度较高，数据保持时间可以满足业界提出的保持年限要求的铁电存储器。所述铁电存储器包括：下电极；形成在所述下电极上的铁电材料层，其中，所述下电极与所述铁电材料层的界面利用NH3进行了处理；形成在所述铁电材料层上的上电极。上的上电极。上的上电极。
技术研发人员：罗庆 王博平 袁鹏 吕舒贤 刘明
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2022.03.21
技术公布日：2022/7/5
