[發明專利]一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構

在審

• 申請號: 202011456424.0
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112599529A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 黃鴻陽;李威;李建軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L27/11502
• 分類號: H01L27/11502;H01L27/11507;H01L23/552
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發明公開了一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構,屬于存儲器領域，通過在鉿基鐵電薄膜與頂層電極板之間設有上二氧化硅層；鉿基鐵電薄膜層與底層電極板之間設有下二氧化硅層；使鐵電薄膜層形成了良好的絕緣界面，從而使電場在傳遞過程中保持一致。在產生陷阱缺陷時，介質層中電場的強度與方向不發生改變。因此本發明能夠實現在保持鐵電薄膜性能的同時對重離子輻照產生的介質損傷進行加固，減少漏電和擊穿現象。

技術領域

本發明涉及存儲器領域，具體涉及一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構。

背景技術

鐵電存儲器((FRAM))是一種非易失性存儲器，具有高密度，非易失，抗輻照，低功耗和快速讀寫等優點，因此常應用于一些特殊領域。在鐵電存儲器中，其核心工作部分是鐵電電容。傳統的鉿基鐵電電容通常為MFM的三層薄膜結構，由頂層電極和底層電極，以及插入在頂層電極和底層電極之間的鐵電薄膜材料層構成。由于傳統的鉿基鐵電電容結構在制作中只考慮其鐵電與集成性能，因此鐵電材料層的厚度通常控制在10納米量級薄膜。而該量級厚度的鐵電材料薄膜容易受到重離子輻照影響，當高能重離子對鐵電材料薄膜材料進行撞擊時，將在兩極板間形成導電的缺陷，使鐵電薄膜層出現介質損傷，出現漏電或擊穿現象。

要解決這一問題，可以采用增加鐵電材料薄膜厚度的方式來增強其絕緣性，使其減少漏電或者擊穿現象。但是由于鐵電材料厚度直接影響鐵電性能，故在現有的MFM電容結構下，無法實現在保留較強的鐵電性能的同時抑制介質層漏電。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構，以解決現有的MFM電容結構下，無法實現在保留較強的鐵電性能的同時抑制介質層漏電的技術問題。

為實現上述目的，本發明采取如下技術方案：

一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構，包括自上而下依次設置的頂層電極板、鉿基鐵電薄膜和底層電極板；頂層電極板與底層電極板分別設置在鉿基鐵電薄膜的上下兩側；

所述鉿基鐵電薄膜與頂層電極板之間還設置有上二氧化硅層；鉿基鐵電薄膜層與底層電極板之間還設置有下二氧化硅層。

進一步的，所述頂層電極板和底層電極板為錫(TiN)、鉑(Pt)和鈦(Ti)等金屬材料制成的電極板。

進一步的，所述鉿基鐵電薄膜為鋁(Al)、鋼(Gd)、鑭(La)、硅(Si)、鍶(Sr)、釔(Y)和鋯(Zr)參雜或不參雜的二氧化鉿(HfO₂)晶體。

進一步的，所述上二氧化硅層的厚度和下二氧化硅層的厚度都≥3nm，且上、下氧化硅層厚度相同。

本發明提供的一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構，是利用了二氧化硅材料具有良好絕緣性的特點，通過在鉿基鐵電薄膜與頂層電極板之間增設上二氧化硅層，在鉿基鐵電薄膜層與底層電極板之間增設有下二氧化硅層的方式，使鐵電薄膜層形成了良好的絕緣界面，從而使電場在傳遞過程中保持一致；且在產生陷阱缺陷時，介質層中電場的強度與方向不發生改變。即使介質層出現損傷，仍然能保證正常鐵電材料薄膜的鐵電性能。在本發明中，優選將上、下二氧化硅層設置成相同厚度，使電容正負極性產生良好的對稱性，以進一步提升本發明器件的使用壽命，且使應用本發明的鐵電存儲器使用壽命最長。這是因為，在串聯系統里，安全性是由最脆弱的環節決定的。重離子輻射對于絕緣體損傷是普遍的，當上下兩層二氧化硅層厚度不同時，則薄的那一層更容易受輻射損傷的影響會，也將會更早的失去絕緣特性。此時串聯電路上的分壓就會發生改變，使電路節點電容失配，造成電路功能故障。

綜上所述，本發明提供的一種鉿基鐵電抗重離子輻照的多層加固電容結構，一方面，因鐵電材料厚度不做改變，相應的鐵電性能能夠得到很好的保留；另一方面，由于二氧化硅材料有利于控制鉿基鐵電材料的晶相、增強鉿基鐵電薄膜的剩余極化強度，能達到9uC/cm²。因此本發明能夠實現在保持鐵電薄膜性能的同時對重離子輻照產生的介質損傷進行加固，減少漏電和擊穿現象。