[发明专利]一种测量铁电薄膜负电容的方法

说明书

本发明公开了一种测量铁电薄膜负电容的方法。本发明包括以下步骤：①通过脉冲激光沉积方法，制备不同厚度铪锆摩尔比为1：1的HZO铁电薄膜；②对HZO铁电薄膜电容器进行电学性能分析。本发明通过分析不同厚度HZO铁电薄膜的退极化电场随外加电压的变化，获得一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法。本发明能够有效地判断铁电薄膜在外电场作用下是否呈现出负电容效应，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好，本发明对超低功耗MOS结构场效应晶体管的设计具有很好的指导意义。

技术领域

本发明涉及微电子材料与器件领域，特别涉及一种测量铁电薄膜负电容的方法。

背景技术

随着铁电薄膜和半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学的兴起，研制出了基于HZO(铪锆氧)铁电薄膜的铁电存储器，相比于一般的半导体存储器，它具有非易失性、高速度、操作电压低和与MOS工艺兼容等特点，氧化铪薄膜由于在薄膜厚度薄的情况下仍然具有良好的铁电性能而成为近些年学术界和产业界关注的焦点。

在2009年，国际半导体发展路线图曾指出，由于晶体管尺寸不断缩小、集成度不断提高而使得芯片的功耗不断增加将是人们面临的一个非常严峻的问题。无论是处理器引擎数量，还是逻辑器件与存储器件总的数量都会随着时间的推移呈指数不断增加，导致逻辑器件与存储器件总的功耗会远远超过规定的幅值。这个问题的难点在于很难降低晶体管的亚阈值摆幅(Subthreshold Swing)。亚阈值摆幅，又称S因子，是MOSFET在亚阈状态工作时用作为逻辑开关时的一个重要参数，定义S＝dV_gs/d(logI_d)，在数值上等于改变一个数量级的沟道电流所需要的栅极电压，它在室温下的理论最小值为60mV/decade。为了提高晶体管在亚阈值区的工作速度，就应当使得S越小越好。当铁电薄膜呈现出负电容效应时，就有可能使得S在室温下小于60mV/decade。然而，如何使其有效呈现负电容效应并对其进行表征，从而获得理想的亚阈值摆幅，需要对铁电薄膜进行有效的调控，并先获得良好的铁电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法，从而获得理想的晶体管器件亚阈值摆幅，对低功耗MOS场效应晶体管的设计具有很好的指导意义。

本发明的技术方案为：

一种测量HZO铁电薄膜负电容的方法，利用不同厚度的HZO靶材制备 HZO铁电薄膜电容器，所述的HZO铁电薄膜电容器的制备包括采用脉冲激光沉积法对HZO靶材进行溅射，在TiN导电介质/硅衬底结构上沉积HZO薄膜， HZO靶材的铪锆摩尔比为1：1，测试所获得的不同厚度的铁电薄膜的退极化电场随外加电场的变化情况，如果硅表面电势和沟道电流出现陡增的现象，则表明该结构中存在铁电薄膜负电容效应，现象越明显，表明负电容效应越强，从而器件的亚阈值特性越好。

所述的HZO铁电薄膜电容器的制备方法，包括如下步骤：

(1)衬底处理

清洗p型单面抛光硅衬底；

(2)底电极的制备；

采用脉冲激光沉积法在衬底上生长TiN导电层，得到TiN导电介质/SiO₂/Si 衬底结构；

(3)HZO铁电薄膜的制备

用脉冲激光沉积法对铪锆摩尔比为1:1的HZO靶材进行溅射，在TiN导电层上沉积HZO铁电薄膜，得到HZO铁电薄膜/TiN导电介质/Si衬底结构；

(4)顶电极的制备

在HZO铁电薄膜层上利用小型离子溅射仪生长TiN电极，得到 TiN/HZO/TiN/SiO₂/Si结构；

(5)HZO铁电薄膜电容器的制备