铁电存储器件、铁电存储器件制备方法及相关电子设备与流程

本技术涉及芯片领域，尤其涉及铁电存储器件、铁电存储器件制备方法及相关电子设备。

背景技术：

1、随着物联网、人工智能等新兴技术的快速发展和深度融合，海量数据的采集、传输和计算需求日益增长。这使得作为现代信息系统关键组件的存储器面临前所未有的性能挑战。传统存储技术在速度、功耗和非易失性等方面逐渐显现瓶颈。近年来，铪基铁电存储器凭借其高读写速度、非易失性、优异的循环性能、低功耗以及与cmos工艺的良好兼容性，成为极具潜力的新一代存储技术。相较于传统铁电材料，铪基铁电器件能够在更薄的多层薄膜结构(十纳米甚至亚十纳米级)上实现铁电特性，这为实现高密度乃至三维集成提供了可能，使其在构建超高密度存储芯片方面具有独特的优势。因此，铪基铁电器件被认为是未来新型铁电存储器的核心单元的有力竞争者。然而，3d叠层铪基铁电存储器的制造工艺复杂，涉及多种工艺步骤和技术手段。在实际生产中，该工艺流程面临较大的工艺风险，例如薄膜质量控制、界面特性优化、应力管理等，这些问题直接影响器件的性能和可靠性。

2、因此，为了实现铁电存储器的大规模应用，如何提升存储器件的稳定性，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供铁电存储器件、铁电存储器件制备方法及相关电子设备，以提升铁电存储器件的稳定性。

2、第一方面，本技术实施例提供一种铁电存储器件，铁电存储器件包括衬底、叠层结构和第一电极层；第一电极层包括第一保护层和第一电极；第一保护层围绕第一电极设置，第一保护层具有导电性；叠层结构包括多个交替设置的绝缘层和铁电层，以及多个第二电极；叠层结构具有垂直于衬底的凹槽，第一电极层设置于凹槽中；铁电层包括铁电薄膜层、界面插层，界面插层至少部分围绕铁电薄膜层设置；铁电层至少部分围绕第二电极设置。

3、在本技术实施例中，新增第一保护层，第一保护层至少环绕式包覆第一电极的侧表面，在制备铁电存储器件过程中，可以避免第一电极与刻蚀液接触，防止刻蚀液侵蚀第一电极，从而全面保护电极侧面。此外，由于第一保护层具有导电性，具备界面优化功能，可以与叠层结构中的界面插层协同工作，以调控铁电薄膜层的晶体结构、界面特性等参数，从而提升铁电薄膜层的性能。而在现有技术中，第一电极侧表面上并未设置有保护层，在制备铁电存储器件的过程中可能会用绝缘材料制备第一电极的临时保护层，当完成刻蚀工艺后，为确保器件正常工作，还需要去除该保护层，但在去除临时保护层过程中会对第一电极造成不可修复的损伤，降低器件稳定性。相比于现有技术，在本技术中采用具有导电性的材料作为第一电极的保护层，在完成刻蚀步骤后，无需去除该第一保护层，不仅能够保护第一电极，还能与界面插层协同工作，提升器件性能。

4、在一些实施例中，铁电层至少部分设置在第一保护层与第二电极之间。

5、在本技术实施例中，铁电层至少部分设置在第一保护层与第二电极之间，以确保第一电极与第二电极之间能够正常工作。

6、在一些实施例中，第一保护层包括氮化钽tan，氧化钽tao，氮氧化钽taon，氮化铪hfn，氮化锆zrn，氮化铌nbn中的一种或多种。

7、在本技术实施例中，氮化钽tan是一种陶瓷材料，具有高硬度、高熔点、良好的导电性和化学稳定性；氧化钽tao具有一定的介电常数、良好的化学稳定性和耐高温性，tao实际上指的是不定比的氧化钽，即taox，其中x不等于2.5，通过控制x可以调整氧化钽的性质，使其具有一定的导电性或者半导体特性；氮氧化钽taon是一种介于氮化钽和氧化钽之间的化合物，可以通过调节氮和氧的比例来调整其导电性、介电常数和化学稳定性。氮化钽tan，氧化钽tao，氮氧化钽taon，氮化铪hfn，氮化锆zrn，氮化铌nbn这些材质不易与刻蚀溶液(如磷酸溶液)发生反应，从而能够在制造工艺中保护第一电极。此外，由于这些物质具有一定的导电性，因此第一保护层还可以具备界面优化的功能，即第一保护层具有导电性能够作为界面层发挥作用，尤其在与叠层结构中的界面插层协同工作时，能有效提升铁电薄膜层的性能，从而显著提升器件的整体性能。

8、在一些实施例中，界面插层包括氧化铌nbox，氧化钛tiox中的一种或多种。

9、在本技术实施例中，氧化铌nbox是一种金属氧化物，比如五氧化二铌，具有金属性导电性，并且化学性质稳定，耐腐蚀；氧化钛tiox是一种金属氧化物，比如二氧化钛，在一定条件下也表现出金属性导电性，并且具有良好的化学稳定性。氧化铌nbox和氧化钛tiox在特定条件下都表现出良好的金属性导电性，将它们用作界面插层，有助于形成良好的电接触，降低界面电阻，从而提高器件的整体性能。氧化铌和氧化钛可以与铁电薄膜材料形成良好的界面，改善铁电薄膜层的晶体质量和取向，从而提高铁电薄膜层的极化强度。

10、在一些实施例中，第一保护层沿平行于衬底方向上的厚度大于或等于0.2纳米，且小于或等于5纳米。

11、在本技术实施例中，第一保护层的厚度大于或等于0.2纳米，可以保证第一保护层具有足够的厚度，以提供有效的电极保护和界面优化功能。如果厚度太薄，可能无法完全覆盖电极侧面，或者无法有效地调控界面特性。第一保护层的厚度小于或等于5纳米，可以限制第一保护层的厚度，以避免对器件性能产生不利影响。如果厚度太厚，可能会增加器件的电阻，降低开关速度，或者影响铁电薄膜的晶体质量。通过保证第一保护层具有足够的厚度，可以有效地防止刻蚀液或其他腐蚀性介质对电极侧面的侵蚀，从而避免电极尺寸的减小和性能的下降，且通过控制第一保护层的厚度，可以实现对界面特性的调控，从而提高铁电薄膜的晶体质量、极化强度等。

12、在一些实施例中，第一保护层的导电性大于界面插层的导电性。

13、在本技术实施例中，第一保护层的导电性要高于界面插层的导电性，即第一保护层比界面插层更容易导电，电阻更小。第一保护层用于保护第一电极，并可作为界面层优化界面特性。界面插层设置在铁电薄膜层与绝缘层和第一保护层之间，可用于调控铁电薄膜层的界面特性，提升铁电薄膜层的性能。当第一保护层101作为界面层时，在一些实施例中界面层在垂直于衬底的方向上环绕包覆界面插层，并在平行于衬底的方向上位于第一电极与界面插层之间。由于界面层可能与其他电极或器件结构直接连接，这种布局可能会导致漏电现象。而在本技术实施例中，界面层(即第一保护层)仅包覆在第一电极的侧表面上，并与界面插层特定部分接触。这种结构避免了界面层与其他电极或器件结构直接连接，从而显著降低了漏电的风险。同时，由于第一保护层的导电性高于界面插层，即使界面插层可能与其他电极或器件结构直接相接触，但第一保护层不与其他电极或器件直接接触，漏电现象仍会得到有效抑制。这种设计优化了器件的整体性能和可靠性，最大限度地减少了漏电现象的发生，提高了电极的稳定性及器件的使用寿命。

14、在一些实施例中，第一保护层的晶粒度小于界面插层的晶粒度。

15、在本技术实施例中，第一保护层的晶粒度小于界面插层的晶粒度，可避免杂质(如氟离子f、氯离子cl)向铁电薄膜层的扩散，从而确保其工作性能。第一保护层较小的晶粒度提供了更多的晶粒边界，阻止杂质穿透到铁电薄膜层中，而较大的晶粒度可能会形成通道，容易使杂质扩散。杂质的存在会导致铁电薄膜层的极化能力下降，影响存储性能、机械稳定性及界面电导率。尤其是氯离子通过化学反应可能与铁电材料产生不希望的化合物，进一步恶化铁电薄膜层的性能。控制第一保护层的晶粒度，有助于减少杂质扩散，保持铁电薄膜层的电气特性与长期稳定性，提高器件的可靠性与工作效率，从而优化铁电存储器件的整体性能。

16、在一些实施例中，第一保护层的热导率大于第一电极的热导率。

17、在本技术实施例中，第一保护层的热导率大于第一电极的热导率，可解决热传导不均匀的问题，从而确保不同电极层温度分布均匀。热导率是材料导热能力的度量，热导率越高，材料传递热量的效率就越高。第一保护层能够有效吸收来自第一电极的热量，并迅速将其均匀地传递至下方的铁电层和第二电极。由于第一保护层的高热导率，它能够实现快速且均匀的热分布，确保底部的铁电层和第二电极与上部的铁电层和第二电极在温度上保持一致。如果没有第一保护层，第一电极的热导率较低，热量将无法高效传递到铁电层和第二电极。在高功率或高频率工作的情况下，第一电极上积累的热量会较多，造成上部电极层受热集中，而下部铁电层和第二电极则因缺乏有效的热传递而无法达到同样的温度。这种热不均匀性可能导致下方电极层性能下降，进而影响整个器件的效率与可靠性。此外，温差过大可能导致热应力的产生，最终引发材料的崩溃、剥离或开裂等故障。因此，通过确保第一保护层的热导率高于第一电极，设计不仅避免了由低热导率引起的热不均匀问题，还优化了器件在工作时的性能与可靠性。均匀的热分布降低了因温差引发的故障风险，使设备在高温和高功率条件下能够更加稳定地运行，从而提升了整体器件的性能与耐久性。此外，在制备过程中，铁电材料需要后退火形成结晶，所以第一保护层热导率高可以使各层受热均匀，电性尽可能一致。

18、在一些实施例中，第一电极和第二电极包括钨w、氮化钛tin、铝al、铜cu中的一种或多种。

19、在本技术实施例中，第一电极和第二电极具体导电性。第一电极和第二电极可选用钨、氮化钛、铝、铜及其组合，可根据实际需求选择适当的电极材料优化电极性能。例如，利用铜或铝提升导电性，采用氮化钛作为阻挡层，或利用钨的高稳定性和高熔点特性，从而在器件性能、可靠性、成本效益和工艺兼容性之间实现最佳平衡。

20、在一些实施例中，铁电薄膜层包括铪hf，锆zr、硅si、铝al、钇y中的一种或多种。

21、在本技术实施例中，铁电薄膜层可以由铪hf、锆zr、硅si、铝al、钇y中的一种或多种元素构成。需要说明的是，铁电薄膜通常是氧化物，因此这些元素通常以氧化物的形式存在于薄膜中(例如，hfo2，zro2，sio2，al2o3,y2o3)，或者形成固溶体(例如，hfzrox)。铁电薄膜层可以只包含上述元素中的一种，例如，纯的氧化铪(hfo2)，为了获得更好的铁电性能，铁电薄膜层也可以包含多种元素的组合，比如hfzrox、hfsioy、hfalox、hfyoz等。综上，铁电薄膜层由铪、锆、硅、铝、钇中的一种或多种元素构成，可以在铁电性的诱导和稳定、性能调节、可靠性提高、薄膜质量改善和成本降低之间取得平衡，从而满足不同应用场景的需求。

22、在一些实施例中，绝缘层包括氧化硅sio2。

23、在本技术实施例中，在三维铁电存储结构中，可以选择氧化硅(sio2)作为绝缘层材料，其最核心的优势在于其卓越的电绝缘性能。在3d铁电存储结构中，绝缘层的主要作用是在不同的导电层之间构建一道坚实的屏障，防止电流在不应流动的路径上泄露，从而避免短路现象的发生。氧化硅具有高的电阻率和击穿电压，能够有效地阻挡电荷的自由移动，确保各个存储单元之间互不干扰，独立运作。这种优异的电隔离特性对于3d存储结构尤为重要，因为在垂直堆叠的复杂结构中，层与层之间的距离非常接近，任何微小的绝缘失效都可能导致严重的性能问题。其次，氧化硅具体化学稳定性和热稳定性。在存储器件的制造过程中，往往需要经历高温退火、化学刻蚀等严苛的工艺步骤。氧化硅在这些条件下表现出极佳的稳定性，不易与其他材料发生化学反应，也不易因高温而分解或性能退化。这种稳定性保证了绝缘层在整个制造流程中能够始终保持其原有的绝缘性能，从而确保最终器件的可靠性和长期稳定性。尤其是在3d结构中，由于制造工艺更加复杂，对材料稳定性的要求也更高，氧化硅的优势更加凸显。综上，在3d铁电存储结构中选择氧化硅作为绝缘层材料，不仅能够提供较高的电绝缘性能，保证器件的正常工作，还能够凭借其优异的化学稳定性和热稳定性，提高器件的可靠性和长期稳定性。

24、第二方面，本技术实施例提供一种铁电存储器件制备方法，该方法包括：在衬底上制备形成第一叠层结构，第一叠层结构包括多个交替设置的第一绝缘层和第二绝缘层；沿垂直于衬底方向在第一叠层结构上刻蚀形成柱状凹槽，直至底部完全暴露；在柱状凹槽的侧壁和底部沉积形成第一保护层，并在第一保护层上沉积形成第一电极，以制备得到第一电极层，使得第一保护层围绕第一电极设置，第一保护层具有导电性；通过刻蚀溶液刻蚀多个第二绝缘层，形成多个凹槽，并通过原子层沉积法在每个凹槽上依次沉积铁电层和第二电极，使得铁电层至少部分围绕第二电极设置；其中，铁电层包括铁电薄膜层、界面插层，界面插层至少部分围绕铁电薄膜层设置。

25、在本技术实施例中，制备第一电极前先沉积形成具有导电性的第一保护层，该第一保护层围绕第一电极设置，全面保护电极侧面，避免第一电子直接与第一绝缘层和第二绝缘层直接接触，也能有效防止刻蚀液侵蚀。在制备完第一电极后，也无需除去该第一保护层，仅需刻蚀第二绝缘层形成凹槽并通过原子层沉积法在每个凹槽上依次沉积铁电层和第二电极，由于该第一保护层具有导电性，第一保护层具备界面优化功能，可与叠层结构中的界面插层协同工作，提升铁电薄膜层的性能。而在现有技术中，第一电极侧表面上并未设置有保护层，在制备铁电存储器件的过程中可能会用绝缘材料制备第一电极的临时保护层，当完成刻蚀工艺后，为确保器件正常工作，还需要去除该保护层，但在去除临时保护层过程中会对第一电极造成不可修复的损伤，降低器件稳定性。相比于现有技术，在本技术中采用具有导电性的材料作为第一电极的保护层，在完成刻蚀步骤后，无需去除该第一保护层，不仅能够保护第一电极，还能与界面插层协同工作，提升器件性能。

26、在一些实施例中，第二绝缘层的刻蚀速率大于第一保护层的刻蚀速率。

27、在本技术实施例中，第二绝缘层的刻蚀速率大于第一保护层的刻蚀速率，即将第二绝缘层刻蚀去除，但还保留有第一保护层，进而可与叠层结构中的界面插层协同工作，提升铁电薄膜层的性能。

28、第三方面，本技术实施例提供一种半导体封装结构，包括封装基板和铁电存储器件，封装基板和铁电存储器件电连接，铁电存储器件为上述第一方面中任一项所述的铁电存储器件。

29、第四方面，本技术实施例提供一种电子设备，包括电路板和如上述第三方面任一项半导体封装结构，电路板与半导体封装结构电连接。