[发明专利]在半导体ZnO上外延制备HfO2

说明书

本发明提供一种在半导体ZnO上外延制备HfO₂基铁电薄膜的方法及其系统，其中，该方法包括：提供HfO₂基陶瓷靶材，其中，HfO₂基陶瓷靶材含有掺杂元素；提供半导体ZnO衬底；对半导体ZnO衬底进行加热至预设温度，以高能粒子或高能脉冲辐射冲击HfO₂基陶瓷靶材，以便将HfO₂基陶瓷靶材中的Hf、O及掺杂元素沉积在半导体ZnO衬底上，得到预设厚度的包含Hf、O及掺杂元素的HfO₂基铁电薄膜。

技术领域

本发明涉及铁电材料技术领域，具体涉及一种在在半导体ZnO上外延制备HfO₂基铁电薄膜的方法及其系统。

背景技术

随着信息时代的到来，高速、高可靠的信息存储技术已经成为关乎国防科技和国计民生的核心技术，其中，非易失性存储由于具有静态功耗低、断电信息保留的优势成为了半导体领域中发展的一大热点其中铁电存储器被认为是最具潜力的新一代存储器类型之一。在各种铁电存储器中，基于金属-铁电体-绝缘体-半导体(MFIS)堆栈结构的铁电场效应晶体管 (FeFET)尤为引人关注。MFIS结构实际上可等效为两个串联电容，铁电层、绝缘层分压大小与其介电常数成反比，而与厚度成正比。若铁电层分压过小，不能使其极化饱和，器件性能会严重受限。由于介电失配问题 (铁电层介电常数一般比通用的介电绝缘体大1到2个数量级)，为优化分压关系，使电压尽可能落于铁电体两端，只能增加铁电层厚度。MFIS结构中铁电体厚度通常高达数百纳米，同时伴随着较大的总写入电压，代价极为高昂，并且严重限制了其存储密度，而必须指出的是，FeFET要走向实用化，高存储密度也是必不可少的条件。如何在保证存储窗口的前提下提高FeFET的存储密度，是决定其未来竞争力的关键科学问题之一。

要解决MFIS型FeFET存储密度不高的难题，一种极具可行的办法是寻找到具有小介电常数的铁电材料以降低介电失配，并设计金属-铁电体- 半导体(MFS)堆栈替代MFIS堆栈。这一结构对于铁电体-半导体界面质量提出了极高的要求，要求二者既要晶格匹配，又要化学匹配。以 Hf_0.5Zr_0.5O₂为代表的HfO₂基铁电体是一种全新的铁电材料，不仅具有较小的介电常数(介电常数比常规铁电体约低一个量级)，而且具有优异的可微型化能力，有望使得HfO₂基FeFET的存储密度得到极大地提高，在铁电非易失存储领域有着广阔的应用前景。然而，HfO₂基铁电薄膜相关工作多基于多晶薄膜体系开展，晶界等缺陷严重降低了HfO₂基铁电薄膜的性能，制约了其应用发展。

因此，需要外延制备单晶HfO₂基铁电薄膜，但目前相关技术中，外延单晶HfO₂基铁电薄膜，多生长在La_0.7Sr_0.3MnO₃这一类钙钛矿衬底上，且存在着较大的晶格失配和化学失配，难以制备性能优良的MFS结构器件。

发明内容

有鉴于此，为了能够至少部分解决HfO₂基铁电单晶材料与半导体的直接外延集成以制备高性能MFS结构器件困难等技术问题，本发明提供一种在半导体ZnO上外延制备HfO₂基铁电薄膜的方法及其系统，以得到高质量的HfO₂基铁电单晶薄膜，并使得HfO₂基铁电单晶薄膜与半导体之间存在高的晶格匹配和化学匹配，获得高的铁电体-半导体界面质量。