[发明专利]一种离子束辅助磁控溅射沉积低温制备氧化铪基铁电薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种离子束辅助磁控溅射沉积低温制备氧化铪基铁电薄膜的方法，包括以下步骤：(1)清洗基片；(2)将基片吹干，送入溅射室内；(3)用真空泵将溅射室抽至高真空，然后通入高纯氩气对氧化铪靶材和拟掺杂元素的氧化物靶材进行预溅射；(4)开启离子束辅助源和射频磁控溅射系统，在基片不加热的条件下，对基片表面进行一定时间的辅助溅射沉积，进而得到氧化铪基铁电薄膜；(5)关闭离子束辅助源和射频磁控溅射系统，开启上电极靶材的溅射电源，在氧化铪基铁电薄膜的表面制备上电极，进而形成半导体/金属‑HfO₂基铁电薄膜‑半导体/金属结构的电容器。本发明能获得表面光滑致密、低漏电、高剩余极化强度的氧化铪基铁电薄膜。

技术领域

本发明属于铁电薄膜制备技术领域，具体涉及一种离子束辅助磁控溅射沉积低温制备氧化铪基铁电薄膜的方法。

背景技术

铁电薄膜集铁电、压电、热释电、介电、电光、光折变、声光及非线性光学效应等诸多特性于一体，具有其他材料所不可比拟的优越性，因而在热释电探测器、光波导、光学倍频器、空间光调制器、非易失性铁电存储器、高介电常数电容器等领域展现了重要的应用前景。然而传统的铁电薄膜材料，如锆钛酸铅、钽酸锶铋、钛酸锶等，在经历多次极化反转后，极易出现性能退化的问题。此外，锆钛酸铅等含铅材料因具有毒性而被限制或禁止使用，而钽酸锶铋等材料具有很高的介电系数，需要较高的实际工作电压才能够有效地改变薄膜的极化状态。为了满足信息产业的飞速发展对铁电薄膜产品的迫切需求，亟待开发一种新型铁电薄膜材料。

2011年，德国Qimonda公司研发团队的等人首次发现Si掺杂HfO₂薄膜具有铁电性质，并将这一性质的产生归因于薄膜中亚稳正交相(空间群Pbc2₁)的形成。这一发现掀起了世界上研究HfO₂基无铅铁电薄膜的热潮，多家研究机构随后报导了Y、Al、Zr、Gd、Sr、La、N、Sc、Nb、Ge、Lu等元素掺杂的HfO₂基薄膜也具有显著的铁电性质。与传统的铁电薄膜材料相比，新型HfO₂基铁电薄膜具有无铅、实际工作电压低、成分相对简单、可靠性高等优点，因此该铁电薄膜材料的发现为铁电器件的研究带来了新的发展契机。

目前HfO₂基铁电薄膜的制备方法主要有原子层沉积、化学溶液法、磁控溅射法、化学气相沉积法和脉冲激光沉积法等，但由于HfO₂基铁电薄膜的晶化温度较高，这些方法大多先制备出非晶的氧化铪基薄膜，再通过高温晶化退火的方式获得具有铁电性质的亚稳正交氧化铪基薄膜。塑料等高分子基底的玻璃化温度较低，在高温退火过程中容易变形失效，且有些铁电器件的制备工艺不兼容高温退火，导致HfO₂基铁电薄膜的应用受限。此外，退火程序的增加无疑会提高制造成本并增加工艺的复杂程度，因此探索无需退火处理的氧化铪基铁电薄膜的制备方法有着实际的应用需求。Li等人在文章“A Ferroelectric Thin FilmTransistor Based on Annealing-Free HfZrO Film”中首次报道了以原子层沉积法制备Zr掺杂的无退火HfO₂基铁电薄膜，但在其制备过程中基片需加热至300℃以确保薄膜的晶化，致使该方法不能在一些软化温度较低的高分子材料表面实现HfO₂基铁电薄膜的制备。Mimura等人在文章“Room-temperature deposition of ferroelectric HfO₂-basedfilms by the sputtering method”中最先报道了通过提高溅射功率的方式获得无需退火处理的Y掺杂HfO₂基铁电薄膜，但是提高溅射功率极易造成所使用的Hf-Y-O陶瓷靶受热开裂，且由于多元陶瓷靶中各组分溅射产额的差异，长期的高功率溅射会使陶瓷靶表面和内部的元素比例发生变化，从而导致所制得的薄膜出现成分不均匀的现象。

发明内容