[发明专利]一种氧化锆/氧化铪铁电薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化锆/氧化铪铁电薄膜及其制备方法和应用，该薄膜的组成为HfZrO₄，晶型为斜方晶型，其制备方法为采用磁控溅射沉积的方法，将氧化铪的靶材和氧化锆的靶材同时连接相同功率的工作电压，利用惰性气体同时轰击两个靶材来获得氧化锆/氧化铪混合薄膜，经快速退火处理，得氧化锆/氧化铪铁电薄膜。本发明通过混合两种不同的氧化物（氧化锆和氧化铪）材料，并通过快速退火处理，使获得的铁电体的极化后的极性更加的稳定，进而实现数据稳定存储功能本发明充分提高了铁电体的极化性能，满足了铁电体作为存储单元的应用需求。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种氧化锆/氧化铪铁电薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

铁电性氧化铪薄膜材料充分弥补了传统钙钛矿材料的不足，与最新的CMOS技术完全兼容。铁电体是极化后在常温下也具有极性的一种材料，铁电体在存储类产品、铁电场效应晶体管、铁电动态随机存储器、各类光电子器件等方面有着广泛的应用。但是，限制铁电类材料发展的一个重要因素，是因为铁电薄膜难以获得，铁电性不稳定。由于铁电体本身的结构限制，铁电体通常是在一些陶瓷类的材料中产生，如氧化铪、氧化锆、氧化镧等，通过热处理或掺杂等手段来改变晶体内部结构，形成斜方晶型结构。在常压下，HfO2基薄膜可能具有的晶体结构包括低对称性的单斜相(m，P21/c)和高对称性的四方相(t，P42/nmc)及立方相(c，Fm3m)。这些晶体结构都是中心对称和非极性的，所以HfO2基薄膜呈现线性的顺电极化行为特性。据研究报道，采用原子层沉积法制备的硅掺杂二氧化铪(Si:HfO2)薄膜具有显著铁电性质，该发现将使HfO2基薄膜在非易失性铁电存储器等集成铁电器件领域拥有广阔的应用前景。随后的深入研究表明，铁电性HfO2基薄膜具有正交相(o，Pca21)晶体结构，该物相晶格是非中心对称的，符合产生铁电性质的必要微观结构条件。根据现有的研究报道，生成和稳定HfO2薄膜铁电正交相的方法可采用包括元素掺杂、上电极夹持、降低膜厚、控制退火工艺和外场诱导等方法。其中元素掺杂包括阴离子掺杂和阳离子掺杂，阴离子掺杂元素主要为氮，阳离子掺杂元素包括碱土金属元素(Mg、Sr、Ba等)、过渡金属元素(Zr、Y、Co、Ni等)、主族金属元素(Al、Ga、In等)、类金属元素(Si、Ge等)和稀土及金属元素(La、Nd、Sm、Gd、Er等)；通过元素掺杂稳定铁电正交相的微观机制是改变HfO2晶胞体积，由于掺杂元素的原子半径或价态与Hf不同，掺杂引起晶格畸变或产生氧空位，有利于正交相的稳定。

到目前为止，由于斜方晶型结构是单斜晶型向立方晶型过度的一种亚稳态结构，在单一氧化物陶瓷中，斜方晶型结构的趋势不强。例如，铪含量较多的氧化物材料内部结构多数为单斜晶型，锆含量较多的氧化物材料内部结构多数为正方晶型。因此。研发一种非单一氧化物的强铁电体薄膜具有重要意义，使获得的铁电体极化后的极性更加稳定，进而实现数据稳定储存功能。

发明内容

针对现有技术中存在的单一氧化物陶瓷斜方晶型结构的趋势不强、极化后极化性能和数据存储不稳定的问题，本发明提供了一种氧化锆/氧化铪铁电薄膜及其制备方法和应用，通过混合两种不同的氧化物（氧化锆和氧化铪）材料，使获得的铁电体的极化后的极性更加的稳定，进而实现数据稳定存储功能。

本发明通过以下技术方案实：

一种氧化锆/氧化铪铁电薄膜，组成为HfZrO₄，晶型为斜方晶型。

进一步地，所述的氧化锆/氧化铪铁电薄膜的厚度为20nm。

本发明中，所述的氧化锆/氧化铪铁电薄膜的制备方法为：采用磁控溅射沉积的方法，将氧化铪的靶材和氧化锆的靶材同时连接相同功率的工作电压，利用惰性气体同时轰击两个靶材来获得氧化锆/氧化铪混合薄膜，经快速退火处理，得氧化锆/氧化铪铁电薄膜。

进一步地，磁控溅射沉积过程中所述的工作电压为100w；所述的惰性气体为氩气，磁控溅射沉积过程中的氧化物为纳米氧化物。