[发明专利]一种提高铪基铁电器件性能的退火方法

说明书

本发明属于微电子器件技术领域，公开了一种提高铪基铁电器件性能的退火方法，铪基铁电器件包括铪基铁电功能层、第一电极和第二电极；记第一电极和第二电极中，相对较不易氧化的电极为惰性电极，另一者为对电极；退火过程中，通过控制退火炉的加热排灯，仅使用靠近惰性电极的单侧排灯对退火炉进行加热，快速热退火在预设的目标退火温度下的保温时间不长于60s；利用快速热退火，能够提升铪基铁电器件的剩余极化性能。本发明通过仅单侧排灯加热退火的方式，可以促使更多的中心对称t相转换为非中心对称的铁电相o相，促使铁电器件展现出优异的铁电性能。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种提高铪基铁电器件性能的退火方法，该退火方法可以促使更多的中心对称t相转换为非中心对称的铁电相o相，促使铁电器件展现出优异的铁电性能。

背景技术

随着大数据、物联网、人工智能的快速发展，人们对数据存储的容量、速度、能耗和可靠性等有了越来越多的要求。铁电存储器作为一种非易失性存储器，具有高速存储、超低能耗和高可靠性等优点，在非冯诺伊曼计算体系结构和人工突触方面具有巨大的应用潜力并且成为突破冯诺依曼瓶颈的存储器之一。

铁电存储器器件结构类似于三明治结构，其由上电极-铁电材料-下电极构成。其中铁电材料是铁电器件应用的关键。铁电材料是一类具有自发极化的极性材料。材料的自发极化方向随着外加电场的变化而变化，当撤去外加电场时，材料的极性可以保持且不为0。典型的铁电材料包括钙钛矿氧化物((Pb(Zr,Ti)O₃(PZT),SrBi₂Ta₂O₉(BTO))和有机铁电(聚偏二氟乙烯，(PVDF))等。传统铁电材料由于其结构复杂、热稳定性低、带隙窄，与互补金属氧化物半导体(CMOS)难兼容等特性限制了铁电器件的应用。2011年首次报道了10nm厚HfO₂材料具有铁电性能，为铁电器件的应用开辟了一个新领域。自此以后，HfO₂基铁电材料因其克服了传统铁电材料的厚度极限的限制，凭借着带隙宽、与CMOS兼容性强和铁电性能优异等特点成为传统铁电材料的有利替代者。

铪基铁电材料分别存在单斜相(m相)、四方相(t相)和立方相(o相)。其中原子中心对称的m相和t相没有铁电性。非中心对称的o相是铪基铁电材料产生铁电性的根本原因。通过控制温度以及退火时应力，可以诱导薄膜向三种相之间的某一种进行转换，当o相较多时可以改善器件的铁电性能。当薄膜沉积的温度不太高时(如350℃)，HfO₂及Hf_0.5Zr_0.5O₂处于非晶状态，仅存在纳米尺度的小晶粒，由于表面能的影响较大，这些晶粒主要处在t相。在快速晶化退火过程中，t相的晶粒在热激活作用下，向热力学上更稳定的m相转变，并伴随晶体体积的膨胀。然而，当搭配Pt、TiN、Ru、Ir、W、Au、TaN、Ni材料作为对电极时，t相向m相的转变受到电极的机械夹持力的阻碍，TiN等电极材料能够有效阻碍m相的形成。因此，文献上较多采用TiN为上、下电极制备铪基铁电薄膜。然而，TiN具有一定的储氧能力，在高温退火时，容易攫取铁电薄膜中的氧，导致漏电流增加。