[发明专利]一种镧掺杂的二氧化铪铁电薄膜的制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种镧掺杂的二氧化铪铁电薄膜的制备方法及应用。首先以无机铪盐、无机镧盐为原料配制得到澄清透明的镧掺杂氧化铪前驱体溶液；然后根据实验要求将前驱体涂覆在处理后的硅基片上；最后经干燥、预热、退火处理得到不同晶相结构的La‑HfO₂铁电薄膜。本发明能够实现薄膜厚度的精确可控，成膜均匀性好，操作简单，掺杂元素含量灵活可控，设备要求简单，成本低廉，工艺可重复，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明铁电材料的制备，具体涉及一种镧掺杂的二氧化铪铁电薄膜的制备方法及应用。

背景技术

铁电材料除了具有良好的铁电性之外，它同时还是压电体、热释电体，能够应用于微纳米电子技术、光粒子探测、电路与光学集成和微机械电子加工系统等领域，是当前高新科技研究的前沿和特点课题之一。在过去的几年中，已经证明了HfO₂在非挥发性存储器和能量存储器中具有巨大的潜力。在HfO₂薄膜中，铁电正交相最常通过掺Si、Zr、Al、Y、La等元素来获得。非中心对称的正交HfO₂作为铁电存储器件中的三元钙钛矿材料的可能替代品而备受关注，并且，在厚度大于10 nm的正交HfO₂薄膜中观察到铁电性，这进一步表明其适合作为铁电随机存储器中传统钙钛矿材料的替代品。特别是其与CMOS工艺良好的兼容性，获得了学术界和产业界的高度关注。

目前制备HfO₂基薄膜的方法有许多，大约可分为原子层沉积法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法等。溶胶-凝胶法属于化学溶液法的一种，主要利用化学反应生成溶胶，具有设备便宜，操作简单，节能环保等优点，然而传统的溶胶-凝胶法制备HfO₂薄膜具有溶胶颗粒大，沉积速度慢，加热易形成孔洞和裂纹，工艺重复性差等缺点，不符合薄膜铁电性能方面的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种镧掺杂的二氧化铪铁电薄膜的制备方法及应用。

本发明首先以无机铪盐为原料，在碱性环境下生成沉淀，再将沉淀溶于酸性溶液中，并以无机镧盐为添加剂，制备得到澄清透明的前驱体溶液。然后将前驱体涂覆在清洗后的基片上，经干燥、预热处理、退火处理后得到晶化的镧掺杂二氧化铪铁电薄膜，最后在薄膜表面渡上电极，制备出金属-La-HfO₂铁电薄膜-基片(MIS)结构电容器。

本发明将无机化学溶液制备HfO₂基铁电薄膜，通过掺杂元素镧，控制薄膜厚度和退火工艺参数等方法，实现高对称性的单斜相、立方相或其混合相在室温下的稳定生成，从而使薄膜具有初始本征的或可在外场诱导下产生的铁电性质。

本发明的技术方案具体为：

一种镧掺杂的二氧化铪铁电薄膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）前驱体溶液的制备：将无机铪盐加入去离子水中搅拌至全部溶解后，向其滴加碱性溶液至pH为8~9左右，此时溶液生成白色沉淀，使用高速离心机分离、清洗沉淀，再向分离出的沉淀中滴加酸性溶液至pH为0.6~0.8左右，持续搅拌6~8天后，加入镧盐搅拌均匀，即可得到澄清透明的镧掺杂二氧化铪前驱体溶液；

（2）基片清洗：基片分别使用丙酮超声4~6 min、无水乙醇超声4~6 min、体积比为3﹕1的双氧水-硫酸混合液在65~75℃下加热25~30 min、蒸馏水超声4~6 min、氢氟酸超声4~6min、双氧水超声15~25 min，然后用大量蒸馏水冲洗、浸泡和干燥，再将干燥的基片进行表面预处理，以增加基片表面与前驱体溶液的润湿性；

（3）涂覆和干燥处理：将步骤（1）所得到的前驱体溶液涂覆在步骤（2）中清洗的基片上，每涂一层都需将基片置于140~160℃的烤胶机上烘烤1~3 min，再将加热干燥后的基片进行表面预处理，以增加薄膜的浸润性，重复上述步骤，直到制备出所需要的薄膜厚度；