一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜、铁电电容器及制备方法

1.本发明属于铁电电容器技术领域，具体涉及一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器及其制备方法。


背景技术：

2.基于铁电材料正、负极化双稳态研制的铁电存储器具有读写速度快、功耗低、非易失等特点，在信息存储技术中具有巨大的应用潜力。然而钛酸钡(batio3)、锆钛酸铅(pb(zr,ti)o3)等传统钙钛矿型铁电体的铁电性具有明显的尺寸效应(即尺寸微缩至大约100纳米之后，铁电性能会随厚度进一步减小而显著衰减)，并且和si基标准互补型金属-氧化物-半导体(cmos)工艺兼容性差，严重制约了铁电存储器的小型化、集成化和高性能化发展。2011年德国科学家在厚度为10nm的掺杂氧化铪薄膜中观察到铁电性的存在，该现象迅速引起了国内外学术界和科研界的关注。相比于传统钙钛矿型铁电材料，氧化铪基铁电薄膜不仅尺寸可微缩性强，而且与si基标准cmos工艺具有很好的兼容性，被认为是下一代高性能铁电存储器的理想材料。但是现有的氧化铪基铁电薄膜通常存在明显的唤醒效应，并且在电场作用下容易疲劳失效，其耐疲劳性能与传统钙钛矿型铁电材料存在较大的差异，严重限制了氧化铪基薄膜在铁电存储器中的应用。
3.目前改善氧化铪基铁电薄膜唤醒效应和疲劳失效现象的方法主要包括：元素掺杂、氧源调控、叠层结构设计等，其中与本发明最相近的实现方案主要为叠层结构。首先是利用原子层沉积工艺制备由氧化铪和氧化锆构成的超晶格结构，选用tin作为底电极材料，氧化铪-氧化锆超晶格薄膜的厚度为12nm，原子层沉积温度为300℃，采用厚度为100nm的pt作为顶电极材料，在600℃和n2气氛下进行快速退火处理，退后方式分别为顶部加热和底部加热，虽然制备出了几乎没有唤醒效应的氧化铪基铁电薄膜，但是剩余极化强度(2pr)仅为27.4μc/cm2，并且没有关注耐疲劳性能；其次，采用1nm厚的hf
1-x
zr
x
o2和1nm厚的zro2层进行叠层设计，利用原子层沉积工艺进行纳米叠层样品制备，在500℃和n2气氛下进行快速退火处理，在x＝0.5时，其最大介电常数可以达到60，然而这种层叠结构设计并没有关注到叠层结构对铁电性能唤醒效应和疲劳特性的影响。
4.目前所报道的氧化铪基铁电薄膜的叠层技术并没有使其铁电性能的唤醒效应和疲劳失效现象同时得到大幅度改善，并且退火温度普遍在450℃以上，难以满足集成电路后端工艺温度条件的需求，严重制约了氧化铪基铁电薄膜在高性能和高集成化铁电存储器中的应用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明公开了一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜，所述梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电
层，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。
7.第二方面，本发明公开了一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器，所述梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的结构自下而上依次包括：衬底、金属下电极、第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层、第四铁电层和金属上电极，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。
8.第三方面，本发明公开了一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，包括步骤：
9.准备衬底；
10.在所述衬底上表面制备金属下电极；
11.在所述金属下电极的上表面制备梯度结构氧化铪基铁电薄膜，所述氧化铪基铁电薄膜的结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。
12.在所述氧化铪基铁电薄膜上表面制备金属上电极，得到梯度结构氧化铪基铁电电容器；
13.对所述氧化铪基铁电电容器进行退火处理，得到所述梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器。
14.在本发明的一个实施例中，所述金属下电极的制备方法为真空磁控溅射法，制备的金属下电极的材料包括tin、tan或w。
15.在本发明的一个实施例中，所述金属电极的厚度为30-50nm。
16.在本发明的一个实施例中，所述第一铁电层、所述第二铁电层、所述第三铁电层和所述第四铁电层的制备方法为原子层沉积工艺，采用的金属源为tdma-hf和tdma-zr，采用的氧源为h2o、o3或氧等离子体，采用的载气为99.999％的高纯氮气，沉积温度为250-270℃。
17.在本发明的一个实施例中，所述第一铁电层至所述第四铁电层的金属源脉冲周期为10-80个循环。
18.在本发明的一个实施例中，所述金属上电极的制备方法包括：
19.在所述氧化铪基铁电薄膜上表面覆盖半径为50-100μm的圆形掩膜版图案，通过磁控溅射的方式制备所述金属上电极，得到具有梯度结构的氧化铪基铁电电容器。
20.在本发明的一个实施例中，所述金属上电极的材料及厚度分别与所述金属下电极的材料与厚度相同。
21.在本发明的一个实施例中，所述退火处理的具体方法包括：
22.将所述氧化铪基铁电电容器置于快速退火炉内，通入纯度为99.999％的高纯氮气，以20-200℃/s的升温速率从室温升至350-450℃，保温30-300s后以100-500℃/s的降温速率降至室温，得到所述具有梯度结构的氧化铪基铁电电容器。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果：
24.本发明梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；通过将hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减的设计，使得氧化铪基铁电薄膜在厚度方向上呈现出对称的结构/组成特征，减小了正向和反向外加电压下内建电场的差异，最终得到的铁电薄膜表现出优异的铁电性和耐疲劳性，可以提升铁电存储器信息存储的准确性和可靠性。此外，采用本发明的制备方法制备得到的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器不仅极化强度高、工作电压小、稳定性和可靠性优异，同时其唤醒效应和耐疲劳性能均得到改善。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法流程图；
28.图4是实施例一的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器在3v电压和唤醒前测得的电滞回线；
29.图5是实施例一的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器在3v电压和唤醒后测得的电滞回线；
30.图6是实施例一的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器在不同循环次数下的剩余极化强度变化情况。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
32.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构示意图，本发明实施例的梯度结构氧化铪基铁电薄膜，其结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且第一铁电层和第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，第二铁电层和第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。
33.下面从铁电薄膜材料制备的铁电存储器的存储原理的角度对本发明的具体结构设计进行说明：
34.由铁电薄膜材料制备的铁电存储器主要是利用铁电材料正剩余极化强度(+pr)和负剩余极化强度(-pr)来实现信息存储功能的。当铁电薄膜内部组成或宏观结构在厚度方向(外加电场方向)的对称性差异较大时，在外部正向和反向电压作用下容易产出不对称的内建电场，影响信息存储的准确性。本发明的铁电薄膜层中hf元素在组成上自中间层向两
侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减，这样设计的目的在于使得氧化铪基铁电薄膜在厚度方向上呈现出对称的结构/组成特征，减小了正向和反向外加电压下内建电场的差异，最终得到的铁电薄膜表现出优异的铁电性和耐疲劳性，可以提升信息存储的准确性和可靠性。
35.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的结构示意图，本发明实施例的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器，其结构自下而上依次包括：衬底、金属下电极、第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层、第四铁电层和金属上电极，且第一铁电层和第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，第二铁电层和第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。
36.基于同样的原理，本发明包含梯度结构氧化铪基铁电薄膜的电容器通过hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减的设计，氧化铪基铁电薄膜在厚度方向上呈现出对称的结构/组成特征，减小了正向和反向外加电压下内建电场的差异，最终得到的铁电薄膜表现出优异的铁电性和耐疲劳性。
37.此外，现有的氧化铪基铁电薄膜电容器通常在底电极层和铁电薄膜层之间采用缓冲层，目的是想通过引入缓冲层增加铁电薄膜内正交相含量并提升铁电性能，但引入缓冲层无形中增加了制备成本。而本发明的电容器结构，通过梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构设计以及本发明的铁电薄膜电容器的制备方法，无需缓冲层，不但可以降低制备成本，而且氧化铪基铁电薄膜的唤醒效应和疲劳失效现象得到显著改善，得到的铁电薄膜电容器可以获得优异的铁电性能，剩余极化强度可以达到24μc/cm2以上。
38.请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法流程图，本发明实施例的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，包括步骤：
39.s1、准备衬底。
40.本步骤中的衬底可以为硅、锗、砷化镓、氮化镓和氧化镓中的任一种，优选为重掺杂单晶硅。
41.作为优选的方案，可以对衬底进行清洗操作，具体过程包括：将衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中清洗10-30min，去除衬底表面的金属颗粒和有机污染物，随后依次置于超纯水和浓度为0.5-1.5％的氢氟酸中清洗10-30min，重复以上操作2-3次，尽可能避免缺陷和杂质的影响。
42.s2、在衬底上制备金属下电极。
43.具体地，本步骤金属下电极的制备方法为真空磁控溅射法，制备的金属下电极的材料包括tin、tan或w，金属下电极的厚度为30-50nm。
44.本发明使用tin、tan或w电极材料能够与现有的cmos(互补型金属-氧化物-半导体)工艺完全兼容。
45.s3、在金属下电极的上表面制备梯度结构氧化铪基铁电薄膜，氧化铪基铁电薄膜从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且第一铁电层和第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，第二铁电层和第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0《x《1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在
组成上自中间层向两侧递增或递减。
46.本步骤中第一铁电层hf
x
zr
(1-x)
o2、第二铁电层hf
(1-x)
zr
x
o2、第三铁电层hf
(1-x)
zr
x
o2和第四铁电层hf
x
zr
(1-x)
o2的制备方法为原子层沉积工艺，采用的金属源为tdma-hf和tdma-zr，采用的氧源为h2o、o3或氧等离子体，采用的载气为99.999％的高纯氮气，沉积温度为250-270℃。第一铁电层hf
x
zr
(1-x)
o2至第四铁电层hf
x
zr
(1-x)
o2的金属源脉冲周期为10-80个循环。
47.需要说明的是，在原子层沉积过程中交替通入不同循环数的hf源和zr源是为了控制hf和zr的比例，得到不同hf和zr元素比例的铁电层。例如：第二铁电层和第三铁电层交替通入2个循环的hf源和3个循环的zr源作为一个循环周期，得到的铁电层的组成为hf
0.4
zr
0.6
o2；第一铁电层和第四铁电层交替通入1个循环的hf源和1个循环的zr源作为一个循环周期，得到的铁电层的组成为hf
05
zr
05
o2。循环周期数越大，得到的铁电层越厚，故可以通过控制金属源循环周期以及hf和zr源比例可以精确控制铁电层的厚度与组成。
48.s4、在氧化铪基铁电薄膜上表面制备金属上电极，得到氧化铪基铁电电容器。
49.具体地，金属上电极的制备方法包括：
50.在氧化铪基铁电薄膜上表面覆盖半径为50-100μm的圆形掩膜版图案，通过磁控溅射的方式制备金属上电极，得到具有梯度结构的氧化铪基铁电电容器。
51.优选地，金属上电极的材料及厚度分别与金属下电极的材料与厚度相同。也即，金属上电极的材料包括tin、tan或w，金属上电极的厚度为30-50nm。
52.s5、对氧化铪基铁电电容器进行退火处理，得到梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器。
53.具体地，退火处理的方法包括：
54.将氧化铪基铁电电容器置于快速退火炉内，通入纯度为99.999％的高纯氮气，以20-200℃/s的升温速率从室温升至350-450℃，保温30-300s后以100-500℃/s的降温速率降至室温，得到具有梯度结构的氧化铪基铁电电容器。
55.需要说明的是，升温和降温速率会直接关系到薄膜制备过程的热预算，当升降温速率过慢时会增加热预算，从而导致保温过程所用的时间难以精确控制，并且降温速率过慢会减少薄膜内部正交相的含量，导致铁电性能减弱；当升降温速率过快时，会对薄膜的制备条件提出更高的要求，增加了设备投入成本。结合制备成本和铁电薄膜的性能要求，本发明采用的升温速率为20-200℃/s，降温速率为100-500℃/s。本发明的退火温度不超过450℃，满足集成电路后端工艺温度条件的需求，促进了氧化铪基铁电薄膜在高性能和高集成化铁电存储器中的应用。此外，本发明的退火工艺中，以20-200℃/s的升温速率从室温升至350-450℃，保温30-300s后以100-500℃/s的降温速率降至室温，采用上述的升温速率、降温速率以及相应的温度控制范围及保温时间，结合本发明的梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构特点，使得到的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器不仅极化强度高、工作电压小、稳定性和可靠性优异，同时其唤醒效应和耐疲劳性能均得到改善，提升了铁电存储器信息存储的准确性和可靠性。
56.下面结合具体的制备方法进一步说明本发明制备的梯度结构氧化铪基铁电薄膜及梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的效果。
57.实施例一
58.本实施例的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：
59.(1)采用重掺杂单晶硅作为衬底材料，将其放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中清洗10min，去除单晶硅表面的金属颗粒和有机污染物，随后依次置于超纯水和浓度为1.5％的氢氟酸中清洗10min，重复以上操作3次。
60.(2)在清洗干净的单晶硅衬底上通过磁控溅射工艺制备w金属下电极，金属下电极的厚度为50nm。
61.(3)采用原子层沉积工艺在上述镀好w金属下电极的上表面制备梯度结构的hfo2基铁电薄膜。
62.hfo2基铁电薄膜的结构由下至上依次包括第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，化学组成分别为：hf
0.4
zr
0.6
o2、hf
0.6
zr
0.4
o2、hf
0.6
zr
0.4
o2和hf
0.4
zr
0.6
o2。其中采用的金属源为tdma-hf和tdma-zr，采用的氧源为h2o，采用的载气为99.999％的高纯氮气，沉积温度为250℃。第一铁电层交替通入2个循环的hf源和3个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期；第二铁电层交替通入3个循环的hf源和2个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期；第三铁电层交替通入3个循环的hf源和2个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期；第四铁电层交替通入2个循环的hf源和3个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期。
63.(4)在上述制备的梯度薄膜上表面覆盖半径为100μm的圆形掩膜版图案，通过磁控溅射的方式制备w金属上电极，电极厚度为50nm，得到具有梯度结构的hfo2基铁电电容器。
64.(5)将制备的上述铁电电容器置于快速退火炉内，通入纯度为99.999％的高纯氮气，以20℃/s的升温速率从室温升至450℃，保温30s后以100℃/s的降温速率降至室温，得到具有梯度结构的hfo2基铁电薄膜电容器样品。
65.实施例二
66.本实施例的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：
67.(1)采用重掺杂单晶硅作为衬底材料，将其放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中清洗10min，去除单晶硅表面的金属颗粒和有机污染物，随后依次置于超纯水和浓度为1.0％的氢氟酸中清洗10min，重复以上操作3次。
68.(2)在清洗干净的单晶硅衬底上通过磁控溅射工艺制备tin金属下电极，金属下电极的厚度为30nm。
69.(3)采用原子层沉积工艺在上述镀好tin金属下电极的上表面制备梯度结构的hfo2基铁电薄膜。
70.hfo2基铁电薄膜的结构由下至上依次包括第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，化学组成分别为：hf
0.2
zr
0.8
o2、hf
0.8
zr
0.2
o2、hf
0.8
zr
0.2
o2和hf
0.2
zr
0.8
o2。其中采用的金属源为tdma-hf和tdma-zr，采用的氧源为h2o，采用的载气为99.999％的高纯氮气，沉积温度为270℃。第一铁电层交替通入1个循环的hf源和4个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期；第二铁电层交替通入4个循环的hf源和1个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期；第三铁电层交替通入4个循环的hf源和1个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期；第四铁电层交替通入1个循环的hf源和4个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环5个周期。
71.(4)在上述制备的梯度薄膜上覆盖半径为50μm的圆形掩膜版图案，通过磁控溅射
的方式制备tin金属上电极，金属上电极厚度为30nm，得到具有梯度结构的hfo2基铁电电容器。
72.(5)将制备的上述铁电电容器置于快速退火炉内，通入纯度为99.999％的高纯氮气，以200℃/s的升温速率从室温升至350℃，保温300s后以500℃/s的降温速率降至室温，得到具有梯度结构的hfo2基铁电薄膜电容器样品。
73.实施例三
74.本实施例的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：
75.(1)采用重掺杂单晶硅作为衬底材料，将其放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中清洗10min，去除单晶硅表面的金属颗粒和有机污染物，随后依次置于超纯水和浓度为0.5％的氢氟酸中清洗30min，重复以上操作2次。
76.(2)在清洗干净的单晶硅衬底上通过磁控溅射工艺制备tan金属下电极，金属下电极的厚度为40nm。
77.(3)采用原子层沉积工艺在上述镀好tan金属下电极的上表面制备梯度结构的hfo2基铁电薄膜。
78.hfo2基铁电薄膜的结构由下至上依次包括第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，化学组成分别为：hf
0.7
zr
0.3
o2、hf
0.3
zr
0.7
o2、hf
0.3
zr
0.7
o2和hf
0.7
zr
0.3
o2。其中采用的金属源为tdma-hf和tdma-zr，采用的氧源为h2o，采用的载气为99.999％的高纯氮气，沉积温度为260℃。第一铁电层交替通入7个循环的hf源和3个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环4个周期；第二铁电层交替通入3个循环的hf源和7个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环4个周期；第三铁电层交替通入3个循环的hf源和7个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环4个周期；第四铁电层交替通入7个循环的hf源和3个循环的zr源作为一个循环周期，总共循环4个周期。
79.(4)在上述制备的梯度薄膜上表面覆盖半径为60μm的圆形掩膜版图案，通过磁控溅射的方式制备tan金属上电极，金属上电极厚度为40nm，得到具有梯度结构的hfo2基铁电电容器。
80.(5)将制备的上述铁电电容器置于快速退火炉内，通入纯度为99.999％的高纯氮气，以100℃/s的升温速率从室温升至400℃，保温100s后以200℃/s的降温速率降至室温，得到具有梯度结构的hfo2基铁电薄膜电容器样品。
81.采用铁电分析仪对实施例一制备的梯度氧化铪基铁电薄膜电容器在唤醒前、唤醒后的电滞回线进行测试，并且汇总了剩余极化强度(
±
pr)随疲劳测试的变化情况。图4是实施例一的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器在3v电压和唤醒前测得的电滞回线；图5是实施例一的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器在3v电压和唤醒后测得的电滞回线；图6是实施例一的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器在不同循环次数下的剩余极化强度变化情况。由图4、图5和图6可知，电滞回线在唤醒前、后均表现出较大的剩余极化强度，尤其是唤醒后的剩余极化强度(
±
pr)可以达到24μc/cm2以上。尽管剩余极化强度随循环次数增加有所减小，但是经过109循环之后依然可以保持较大的数值，说明本发明制备的梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器表现出优异的铁电性能。
82.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在
不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜，其特征在于，所述梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0<x<1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。2.一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器，其特征在于，所述梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的结构自下而上依次包括：衬底、金属下电极、第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层、第四铁电层和金属上电极，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0<x<1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。3.一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器的制备方法，其特征在于，包括步骤：准备衬底；在所述衬底上制备金属下电极；在所述金属下电极的上表面制备梯度结构的氧化铪基铁电薄膜，所述氧化铪基铁电薄膜的结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且所述第一铁电层和所述第四铁电层的组成相同，均为hf
x
zr
(1-x)
o2，所述第二铁电层和所述第三铁电层的组成相同，均为hf
(1-x)
zr
x
o2，其中0<x<1，且x≠0.5；hf元素在组成上自中间层向两侧递减或递增，zr元素在组成上自中间层向两侧递增或递减。在所述氧化铪基铁电薄膜上表面制备金属上电极，得到氧化铪基铁电电容器；对所述氧化铪基铁电电容器进行退火处理，得到所述梯度结构氧化铪基铁电薄膜电容器。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属下电极的制备方法为真空磁控溅射法，制备的金属下电极的材料包括tin、tan或w。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极的厚度为30-50nm。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一铁电层、所述第二铁电层、所述第三铁电层和所述第四铁电层的制备方法为原子层沉积工艺，采用的金属源为tdma-hf和tdma-zr，采用的氧源为h2o、o3或氧等离子体，采用的载气为99.999％的高纯氮气，沉积温度为250-270℃。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一铁电层至所述第四铁电层的金属源脉冲周期为10-80个循环。8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属上电极的制备方法包括：在所述氧化铪基铁电薄膜上表面覆盖半径为50-100μm的圆形掩膜版图案，通过磁控溅射的方式制备所述金属上电极，得到具有梯度结构的氧化铪基铁电电容器。9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属上电极的材料及厚度分别与所述金属下电极的材料与厚度相同。10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的具体方法包括：将所述氧化铪基铁电电容器置于快速退火炉内，通入纯度为99.999％的高纯氮气，以20-200℃/s的升温速率从室温升至350-450℃，保温30-300s后以100-500℃/s的降温速率
降至室温，得到所述具有梯度结构的氧化铪基铁电电容器。

技术总结
本发明公开了一种梯度结构氧化铪基铁电薄膜、铁电电容器及制备方法，梯度结构氧化铪基铁电薄膜的结构从下至上依次包括：第一铁电层、第二铁电层、第三铁电层和第四铁电层，且第一铁电层和第四铁电层的组成相同，均为Hf


技术研发人员：闫非 廖佳佳 周益春 廖敏
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/19