[发明专利]一种钽掺杂二氧化铪铁电材料的制备方法

说明书

本发明属于材料领域，具体涉及一种钽掺杂二氧化铪新型铁电材料的制备方法。本发明首次提出了施主掺杂，为制备HfO₂铁电薄膜材料提供了一种新的路径；采用Pt电极避免了Ta掺杂HfO₂材料与电极材料的反应，利用脉冲激光沉积、快速退火等方式获得了施主Ta掺杂的HfO₂铁电薄膜，证明了施主元素也可用于通过掺杂促使HfO₂薄膜产生铁电性。施主掺杂HfO₂铁电薄膜的实现，可以帮助我们了解掺杂元素化合价对HfO₂薄膜铁电性的影响，对更好地应用HfO₂铁电薄膜产生积极的推动作用。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种钽掺杂二氧化铪铁电材料的制备方法，用脉冲激光(PLD)法制备钽掺杂二氧化铪铁电薄膜，从而制备具有介电异常和铁电性能的铁电材料。

背景技术

二氧化铪作为一种被大量研究和使用的材料，其最主要的用途是在半导体行业中作为高k介电材料，作为高k材料，其介电常数是其关键参数，而掺杂是调节介电常数非常常用和有效的方式。在2011年二氧化铪被发现有铁电性后，其因为具备传统铁电材料不具备的可在几纳米厚度仍具有铁电性、与半导体工艺兼容等优势有成为铁电存储器新型材料而备受关注。

而要使二氧化铪产生铁电性，其中一个非常重要的方式就是掺杂，学者们发现通过掺杂不同类型、不同剂量的元素可以使二氧化铪具有不同参数的铁电性。但是迄今为止只有只有少量元素掺杂HfO₂薄膜的铁电性能被探索，主要是+2、+3和+4价元素的受主或等价掺杂；还有大量元素的掺杂作用(是否能产生铁电性、铁电性能如何)未被研究，且掺杂促使HfO₂薄膜产生铁电性的机理还不清楚，因此探索新的可以使HfO₂薄膜产生铁电性的掺杂元素及了解其产生的铁电薄膜的性能非常重要，对于产生不同铁电性能的HfO₂铁电薄膜、了解掺杂促使HfO₂薄膜产生铁电性的机理及更好地应用HfO₂铁电薄膜都有很重要的价值。

综上所述，掺杂可以使二氧化铪的性质发生很大变化，可以使其产生介电性、铁电性、反铁电性等，但是掺杂HfO₂薄膜研究还需要很多工作需要完成。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，本发明提供了一种钽掺杂二氧化铪铁电材料的制备方法，基于施主+5价元素Ta掺杂HfO₂薄膜，实现薄膜介电异常和铁电性的薄膜制备方法。为HfO₂铁电薄膜制备提供了一种新路径。

具体包括以下步骤：

步骤1：采用脉冲激光沉积(PLD)对Ta₂O₅靶、HfO₂靶交替打靶的方式在Pt/Si基底上沉积10～25nm厚Ta掺杂的HfO₂非晶薄膜，通过控制对两个靶的打靶次数的比例来控制Ta掺杂含量，获得掺杂含量为15～25mol％的Ta：HfO₂薄膜。

步骤2：在步骤1制备的Ta：HfO₂薄膜上制备70～90nm厚的Pt顶电极。

步骤3:采用快速退火RTA技术，将步骤2所得的样品进行快速退火使其结晶。采用99.999％氮气，气压保持在2Torr，升温至600～800℃，保温1分钟，自然冷却至室温的退火条件。