[发明专利]一种通过等离子体技术增强氧化铪(HfO2

说明书

本发明公开了一种通过等离子体技术增强氧化铪(HfO₂)基铁电薄膜铁电性能的方法，具体方法步骤包括：预先对衬底进行等离子体清洗；配制HfO₂基铁电薄膜的前驱体溶液；在所述衬底上沉积HfO₂基铁电薄膜；对所述HfO₂基铁电薄膜进行退火处理；对所述HfO₂基铁电薄膜进行等离子体处理；在所述HfO₂基铁电薄膜上沉积顶电极。本发明通过等离子技术改善衬底与HfO₂基铁电薄膜界面的质量、降低HfO₂基铁电薄膜中的氧空位浓度，从而显著提高HfO₂基铁电薄膜材料的极化强度。本发明公开的工艺方法具有低成本、高重复性、效果显著等优点。

技术领域

本公开涉及新型铁电薄膜材料制备的工艺方法，具体涉及一种制备超大极化的氧化铪(HfO₂)基铁电薄膜材料的工艺方法。

背景技术

自20世纪80年代以来，电子元器件逐渐向微型化和高度集成化的方向发展，得益于薄膜制备技术的不断提升，铁电薄膜材料由于其独特的极化特性成为了一类重要的功能薄膜材料，是目前信息科学技术研究的前沿和热点之一。近几年来，众多研究发现在退火结晶或掺杂状态下HfO₂薄膜可形成非中心对称结构的亚稳态正交相(即铁电相)，从而具有优异的铁电性能。相比于传统钙钛矿结构铁电薄膜，HfO₂基铁电薄膜工艺兼容度高、可微缩性好、操作电压低、极化强度适中，而且还具备极高的抗辐照能力，是一种极为理想的新型铁电薄膜材料，可以应用于非挥发性铁电随机存取存储器(FeRAM)、铁电场效应晶体管(FeFET)和负电容场效应晶体管(NCFET)等重要的信息器件中。

极化性能是铁电薄膜材料重要的性能指标之一。HfO₂基铁电薄膜材料极化性能调控目前已报到的方法为掺杂法、退火结晶法、电极调控法等，然而这些工艺方法在稳定HfO₂基铁电薄膜铁电相的同时，都不可避免地引入了大量的氧空位，从而造成HfO₂基铁电薄膜的漏电流增大、剩余极化减小，限制了HfO₂基铁电薄膜材料在新型信息器件中的低功耗及高可靠性应用(Journal ofApplied Physics,2015,118,072006(1-9))。

发明内容

为解决上述氧空位降低HfO₂基铁电薄膜材料极化性能的问题，本发明提供了一种通过等离子体技术增强HfO₂基铁电薄膜铁电性能的方法，具体方法步骤包括：

S1、预先对衬底进行等离子体清洗；

S2、配制HfO₂基铁电薄膜的前驱体溶液；

S3、在所述衬底上沉积HfO₂基铁电薄膜；

S4、对所述HfO₂基铁电薄膜进行退火处理；

S5、对所述HfO₂基铁电薄膜进行等离子体处理；

S6、在所述HfO₂基铁电薄膜上沉积顶电极。

在步骤S1中，所述衬底为镀铂的氧化硅片，所述等离体子的气体源选用氧气。

在步骤S1中，所述等离子体清洗的参数为：射频电源1的功率为13～16W、持续时间为300～400s，射频电源2功率为8～12W、持续时间为301～401s，腔体压强为6×10^-3～8×10^-3Pa，氧气的气体流量为40～60sccm。

在步骤S2中，所述前驱体溶液为掺杂的HfO₂基溶液，对所述HfO₂基溶液用9mol％镧源进行掺杂。