[发明专利]一种氧化铪基铁电薄膜、电容结构、晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化铪基铁电薄膜、电容结构、晶体管及制备方法，氧化铪基铁电薄膜包括：依次层叠设置的第一掺杂氧化铪基铁电薄膜层、第二掺杂氧化铪基铁电薄膜层和第三掺杂氧化铪基铁电薄膜层；所述第一掺杂氧化铪基铁电薄膜层的材质为：Hf_1‑xM_xO_y1；所述第二掺杂氧化铪基铁电薄膜层的材质为：Hf_1‑xM_xO_y2；所述第三掺杂氧化铪基铁电薄膜层的材质为：Hf_1‑xM_xO_y3；其中，M为掺杂元素，y1和y3均大于y2。本发明氧化铪基铁电薄膜，采用叠层结构氧分布的铁电薄膜，通过改变氧含量调控相关性能，使得薄膜的铁电性能和抗疲劳性能达到所需的要求，从而可以提高微电子器件装置的使用寿命。

技术领域

本发明属于铁电材料技术领域，尤其涉及一种氧化铪基铁电薄膜、电容结构、晶体管及制备方法。

背景技术

铁电材料是一种在没有外加电场作用时依然具有两个或多个自发极化方向的极性材料，可以通过施加大于矫顽场的电场来使这种材料的极化方向发生改变。铁电材料的这种特性能够被用于制作存储器，其不同的极化状态可以存储不同的信息，并通过施加电场来实现信息的写入与擦除。传统的钙钛矿结构铁电材料如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BTO)、钽酸锶铋(SBT)等由于自身的局限性，无法完全兼容CMOS工艺，需要开设专门的生产线，因而成本高昂、应用受限。2011年被发现具有铁电性能的氧化铪基薄膜在兼容CMOS工艺的基础上还具有可微缩性好、极化翻转速度快等一系列优异的特性，是铁电材料中最具前景的种类之一。

然而，随着对氧化铪基铁电薄膜的研究逐渐深入，其不足之处也日益显著：相较于使用钙钛矿结构材料的铁电薄膜来说，氧化铪基铁电薄膜的抗疲劳性能较差，在饱和极化对应的电场下进行疲劳时容易较早发生击穿，低于该电场下疲劳则又会出现极化值不断减小的现象。氧化铪基铁电薄膜漏电情况也较为严重；较大的漏电流会导致存储器件在进行读出时受到干扰，无法区分所保存的信息。这些不足之处都对薄膜在微电子存储器件上的应用产生了一定程度的掣肘。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种氧化铪基铁电薄膜、电容结构、晶体管及制备方法以解决现有技术中的氧化铪基铁电薄膜抗疲劳性能差以及漏电现象较为严重的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种氧化铪基铁电薄膜，包括：依次层叠设置的第一掺杂氧化铪基铁电薄膜层、第二掺杂氧化铪基铁电薄膜层和第三掺杂氧化铪基铁电薄膜层；所述第一掺杂氧化铪基铁电薄膜层的材质为：Hf_1-xM_xO_y1；所述第二掺杂氧化铪基铁电薄膜层的材质为：Hf_1-xM_xO_y2；所述第三掺杂氧化铪基铁电薄膜层的材质为：Hf_1-xM_xO_y3；其中，M为掺杂元素，y1和y3均大于y2。

进一步地，所述掺杂元素为Al、Fe、Gd、Ge、La、Lu、N、Pr、Sc、Si、Sr、Ta、Y、Zr中的一种或多种。

进一步地，所述第一掺杂氧化铪基铁电薄膜层的厚度为：1-10nm；所述第二掺杂氧化铪基铁电薄膜层的厚度为：2-20nm；所述第三掺杂氧化铪基铁电薄膜层的厚度为：1-10nm。

根据本发明的另一个方面，提供一种电容结构，包括上述技术方案任一项所述的氧化铪基铁电薄膜。

进一步地，还包括：依次层叠设置的第一电极层、铁电层和第二电极层；其中，所述铁电层为所述氧化铪基铁电薄膜。

进一步地，所述第一电极层和所述第二电极层为导电材料。