[发明专利]一种提升铪基铁电薄膜性能的方法和应用

说明书

本发明属于铁电薄膜材料技术领域，公开了一种提升铪基铁电薄膜性能的方法，包括以下步骤：(1)在清洗干净的衬底上生长TiN底电极；(2)在TiN底电极上通过原子沉积法沉积一层氧化铪‑氧化锆薄膜；(3)在氧化铪‑氧化锆薄膜上沉积氧化锆盖层；(4)退火即可。本发明采用原子层沉积一层氧化锆盖层提升铪基铁电薄膜的方法控制精准，形成的薄膜均匀性好，有利于大面积生产。采以氧化锆作为盖层明显降低了铪基铁电薄膜中非铁电相的比例，提高了正交相的比例，剩余极化强度值提升一倍，同时薄膜的漏电流减少，更不容易发生击穿，薄膜的可靠性得到了提升，在10⁴s后剩余极化仍有初始值的85％。

技术领域

本发明涉及铁电薄膜材料技术领域，更具体的，涉及一种提升铪基铁电薄膜性能的方法和应用。

背景技术

铁电薄膜材料是存储器件的一种重要材料，特别是在最近5～10年间，铁电薄膜材料在多个应用领域取得了长足的进展，如铁电场效应晶体管(FeFET)、铁电随机存取存储器(FeRAM)、隧道场效应晶体管(TFET)、阻变型随机存取内存(ReRAM)等。

2011年，人们首次在氧化铪薄膜材料中发现铁电性，与锆钛酸铅、钛酸钡等传统铁电材料相比，铪基铁电材料与目前集成电路中主流的硅基半导体技术兼容，出众的小型化能力克服了传统铁电材料存储器无法进一步降低尺寸的难题，以及以原子层沉积技术为主的制备方法易于大规模生产，自发现以来便受到了学术界和社会工业的广泛关注。

在常温常压下，块状的氧化铪材料是不具有铁电性的单斜相，通过元素掺杂、应力作用、高温退火和控制薄膜厚度等方法可以得到具有铁电相的铪基铁电薄膜，而在铪基铁电薄膜中通常存在非铁电相和铁电相多相共存的现象，同时各相之间会发生转变。因此铪基铁电薄膜还存在着一些待解决的问题：(1)非铁电相会降低铁电薄膜的剩余极化强度；(2)非铁电相会增加薄膜的漏电，使薄膜更容易发生击穿而失效；(3)在电场作用下，薄膜中不稳定的铁电相会向非铁电相转变，影响薄膜的使用寿命。为了铪基铁电薄膜性能的提升，以及更深一步的应用，降低铪基铁电薄膜中非铁电相的比例是学术界和工业界所面临的一个巨大的挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中铪基铁电薄膜中非铁电相比例高的缺陷，首先提供一种提升铪基铁电薄膜性能的方法。

本发明的第二个目的是提供上述方法获得的铪基铁电薄膜材料。

本发明的第三个目的是提供上述铁电薄膜材料的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明首先提供一种提升铪基铁电薄膜性能的方法，包括以下步骤：

(1)在清洗干净的衬底上生长TiN底电极；

(2)在TiN底电极上通过原子沉积法沉积一层氧化铪-氧化锆薄膜；

(3)在氧化铪-氧化锆薄膜上沉积氧化锆盖层；

(4)退火即可。

氧化铪(HfO₂)是一种氟石结构的晶体，在常温常压下晶体结构是单斜相，在高温下可以转变为对称性更高的四方相或立方相，而这些结构都是不具有铁电性的。在2011年，人们通过在氧化铪中掺杂硅元素得到了具有铁电性的铪基铁电薄膜材料，而这种铁电性的产生被认为是具有非对称性的亚稳态的正交相出现，之后在理论上和实验中都得到验证。

本发明利用应力作用，通过在铁电薄膜上增加一层氧化锆盖层，大幅度降低了铪基铁电薄膜的非铁电性的比例。