一種雙電荷注入俘獲存儲器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種存儲器，具體地說是一種雙電荷注入俘獲存儲器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]當前，介電材料的電學特性已經受到科研工作者們廣泛的研究，如鈦酸鍶鋇(BaxSr1 J13,縮寫為BST)和鈦酸鋇(BaT13,縮寫為ΒΤ0)等。已經有很多文獻報道了關于BST薄膜的介電特性、電學運輸特性和可靠性分析等，因此，BST薄膜極有可能應用到下一代可調諧微波器件和隨機動態存儲器中。對于高Ba含量的BST薄膜可以根據它的極性滯回曲線制作成鐵電存儲器。而基于阻變的新型存儲特性也在這些鈣鈦礦氧化物中發現。基于BST薄膜的鐵電存儲器和阻變存儲器目前被認為是最有可能成為下一代存儲器的替代者，但是由于阻變存儲器復雜的集成度和鐵電材料的高能耗、頻率耗散性，致使它們并不適于應用到高頻器件中。
【發明內容】
[0003]本發明的目的之一就是提供一種雙電荷注入俘獲存儲器，以解決現有阻變存儲器和鐵電存儲器不適于應用到高頻器件中的問題。
[0004]本發明的目的之二就是提供一種上述雙電荷注入俘獲存儲器的制備方法。
[0005]本發明的目的之一是這樣實現的:一種雙電荷注入俘獲存儲器，其結構由下至上依次是Pt襯底、Zra5Hfa5O2膜層、Ba Q.6Sra4Ti03膜層和電極膜層；在所述Zr Q.5Hfa502膜層和所述Ba。.J5Sra4T1lJM層之間還具有互擴散層；所述Zr α 5Hf0.502膜層是在Pt襯底上通過磁控派射所制成，所述Ba。.6Sr0.4Ti0j莫層是在所述Zr。.5Hf0.50j莫層上通過磁控派射所制成，所述互擴散層是在形成所述Baa6Sra4T1J莫層后通過退火工藝而形成；所述電極膜層為Au電極膜層或Pt電極膜層，所述電極膜層是在形成所述互擴散層后在所述Baa 6Sr0.4Ti0j莫層上通過真空蒸鍍而形成。
[0006]所述Zr。.5Hfa502膜層的厚度為 0.lnm~5nm0
[0007]所述Zr。.5Hfa502膜層的厚度為 2nm~2.5nm。
[0008]所述Baa6Sra4T13膜層的厚度為 100nm~400nm。
[0009]所述Baa6Sra4T13膜層的厚度為 200nm~260nm。
[0010]所述電極膜層為若干均布的直徑為0.1mm-0.3mm的圓形電極膜。
[0011]本發明的目的之二是這樣實現的:一種雙電荷注入俘獲存儲器的制備方法，包括如下步驟:
a、對Pt襯底進行預處理:將Pt襯底依次在丙酮、酒精和去離子水中分別用超聲波清洗，之后取出用N2吹干；
b、將預處理后的Pt襯底置于設有Zra5Hfa5O2靶材的磁控濺射設備腔體內；
c、將磁控濺射設備腔體抽真空至1X104Pa -4X10 4Pa,之后向腔體內通入流量比為40~50sccm:20~30sccm 的 Ar 和 O2; d、啟動射頻發射器，調節接口閥使磁控濺射設備腔體內起輝；
e、根據薄膜沉積速率，確定沉積時間，在Pt襯底上沉積Zra5Hfa5O2膜層；
f、將沉積有Zra5Hfa5O2膜層的襯底移至設有Baa6Sra4Ti03靶材的磁控濺射設備腔體內，重復步驟c~e，在Zr。.J1Hfa5O2膜層上沉積Ba a6Sra4Ti03膜層；
g、向退火爐中通入2sccm~4sccm的O2，將沉積有Baa6Sra4T1j莫層的襯底放入退火爐中，打開退火爐電源，設置好退火溫度和退火時間，在Baa6Sra4T1J莫層和Zr a5Hfa502膜層之間形成互擴散層；
h、將退火處理后的襯底置于真空蒸鍍設備腔體內，在襯底的Baa6Sra4T1J莫層上放置掩膜版；將電極材料置于真空蒸鍍設備腔體內掩膜版的上方；所述電極材料為Au或Pt ;
1、將真空蒸鍍設備腔體內抽真空至4X 10 3Pa -5X10 3Pa ;
j、對真空蒸鍍設備腔體內的電極材料進行加熱，在Ba。.6Sr0.4Ti03膜層上蒸鍍形成電極膜層。
[0012]步驟h中，掩膜版上均布有直徑為0.1mm-0.3mm的圓形孔。
[0013]步驟g中設置退火溫度為700 °C ~750°C，退火時間為20min~30min。
[0014]步驟e中在Pt襯底上沉積的Zr。.5Hfa502膜層的厚度為0.lnm~5nm ;步驟f中，在Zra5Hfa5O2膜層上沉積的Ba a6SrQ.4Ti0j莫層的厚度為100nm~400nm。
[0015]本發明是基于非鐵電性的BST薄膜所具有的微弱介電滯回特性，通過在Pt襯底和BST薄膜之間施加一層Zra5Hfa5O2 (縮寫為ΖΗ0)薄膜，可以有效地改變其滯回特性的大小；通過退火工藝在BST膜層和ZHO膜層之間形成互擴散層，可以俘獲電子或空穴，在同一電壓下通過電容的高低狀態來進行存儲；設置ZHO膜層、BST膜層具有不同的厚度，可使器件實現不同的存儲性能。本發明所提供的雙電荷注入俘獲存儲器，可應用于高頻器件中，即本發明對于應用到需要兼容存儲特性和微波特性的器件具有一定的實用價值。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明所提供的雙電荷注入俘獲存儲器的結構示意圖。
[0017]圖2是本發明中用于制備Zra5Hfa5OJ莫層的磁控濺射設備的結構示意圖。
[0018]圖3是本發明中用于制備電極膜層的真空蒸鍍設備的結構示意圖。
[0019]圖4是本發明實施例2、實施例3和對比例I所制備的存儲器的電壓-電容曲線示意圖。
[0020]圖5是本發明實施例4、實施例5和對比例2所制備的存儲器的電壓-電容曲線示意圖。
[0021]圖6是本發明實施例2所制備的存儲器的電壓-電容曲線示意圖。
[0022]圖7是本發明實施例2所制備的存儲器在不同頻率下的電壓-電容曲線示意圖。
[0023]圖8是本發明實施例2所制備的存儲器的時間-電容特性和讀寫過程示意圖。
[0024]圖9是本發明實施例2所制備的存儲器的保持特性曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0025]實施例1，一種雙電荷注入俘獲存儲器。
[0026]如圖1所示，本發明所提供的雙電荷注入俘獲存儲器的結構由下至上依次是Pt襯底17、Zra5Hfa5O2膜層(縮寫為ZHO膜層)18、Ba a6SrQ.4Ti03膜層(縮寫為BST膜層)19和電極膜層20。在ZHO膜層18和BST膜層19之間(即兩膜層交界處)還具有互擴散層(圖中小點點所示區域)。
[0027]ZHO膜層18是在Pt襯底17上通過磁控濺射所制成，BST膜層19是在ZHO膜層18上通過磁控濺射所制成，互擴散層是在形成BST膜層19后通過退火工藝而形成。ZHO膜層18的厚度可以為0.lnm~5nm，優選的，可以為2nm~2.5nm。BST膜層19的厚度可以為100nm~400nm，優選的，可以為200nm~260nm。互擴散層是通過退火工藝而形成，即通過退火工藝使得ZHO膜層18和BST膜層19兩者相互滲透、擴散，進而在兩者相接的邊界處形成了互擴散層。互擴散層可以俘獲電子或空穴，ZHO膜層18和BST膜層19的厚度對存儲器的存儲性能也有很大的影響，因此必須沉積合適厚度的ZHO膜層18和BST膜層19，才能制得存儲性能較好的器件。
[0028]電極膜層20為Au電極膜層或Pt電極膜層，電極膜層20是在形成互擴散層后在BST膜層19上通過真空蒸鍍而形成。本發明中電極膜層20為若干均布的直徑為
0.lmm~0.3mm的圓形電極膜。
[0029]實施例2，一種雙電荷注入俘獲存儲器的制備方法。
[0030]本實施例所提供的雙電荷注入俘獲存儲器的制備方法包括如下步驟:
a、襯底材料的選擇和處理。選擇Pt作為襯底(或稱基片)，將Pt襯底放在丙酮中用超聲波清洗10分鐘，然后放入酒精中用超聲波清洗10分鐘，再用夾子取出放入去離子水中用超聲波清洗10分鐘，之后取出，用氮氣(N2)吹干。
[0031]b、將預處理后的Pt襯底置于磁控濺射設備腔體內。如圖2所示，打開磁控濺射設備腔體6，將預處理過的Pt襯底I固定到磁控濺射設備腔體6內的襯底臺2上，并在腔體6內的靶臺5上設置Zra5Hfa5O2靶材4。
[0032]C、通過機械栗和分子栗的接口閥7將腔體6內抽真空至2X 10 4Pa ;之后通過外部氣路系統從充氣閥8處向腔體6內通入流量為50sccm的Ar和流量為25sccm的02。
[0033]d、啟動射頻發射器，調節接口閥7使磁控濺射設備腔體6內起輝。
[0034]e、根據薄膜沉積速率，確定沉積時間，在Pt襯底上沉積2.5nm厚的Zra5Hfa5O2膜層。
[0035]f、將沉積有Zra5Hfa5O2膜層的襯底快速移至另一設有Baa6Sra4T1jE材的磁控濺射設備腔體內，重復步驟c~e，在Zr。.5Hf0.502膜層上沉積200nm厚的Ba 0.6Sr0.4Ti03膜層。本步驟中，使用同一磁控濺射設備腔體，通過將Zra5Hfa5O2靶材替換為Baa6Sra4T1JE材也可以。
[0036]g、對襯底進行退火處理。在打開退火爐之前首先向退火爐內通入2sCCm的O2，之后打開退火爐電源，將沉積有Baa6Sra4T1J莫層的襯底放入退火爐中，使退火爐以每分鐘200C的速度升至700°C，退火20min，在Baa6Sra4T13膜層和Zr Q.5HfQ.502膜層之間形成互擴散層。退火完畢后以每分鐘5°C的速度降至室溫，之后將襯底從退火爐中取出。
[0037]h、將退火處理后的襯底置于真空蒸鍍設備腔體內。如圖3所示，將退火處理后的襯底10置于真空蒸鍍設備腔體3內的石墨襯底及加熱器13上，在襯底上的Baa6Sra4T13膜層上放置金屬制的掩膜版，掩膜版上均布有直徑為0