[发明专利]具有铁电性的V掺杂ZnO薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于存储器材料制备领域，特别涉及铁电体薄膜材料的制备。

背景技术

当前普遍使用的随机存取存储器绝大多数都是易失性的，即断电后信息就会丢失，而铁电体随机存取存储器是利用铁电体的正负两个极化方向来代表逻辑上的0和1，这两个极化状态都是稳定状态，因此即使断电信息也不会丢失，这是铁电体随机存取存储器最大的优点。    

目前开发出的铁电体材料中，多数是基于钙钛矿结构的复杂氧化物铁电体，这类铁电体的结构复杂，制备的难度较大，成本也较高，此外这种结构的铁电体与半导体工业中广泛使用的硅基片之间存在严重的晶格失配，因此很难制成在硅基材上的薄膜，限制了它的应用。

A.Onodera，N.Tamaki，Y.Kawamura，T.Sawada，and H.Yamashita在Jpn.J.Appl.Phys.，35，5160(1996).中发表的论文“Dielectricactivity and ferroelectricity in piezoelectric semiconductor Li-dopedZnO”中，介绍了一种采用固态烧结的方法制备的Li掺杂ZnO铁电体，该方法用ZnO和Li₂CO₃在800℃烧结72小时，最终生成的材料中，Li占总成分的0.085，Zn占0.415，O占0.5。达到的剩余极化值P_r为0.044μC/cm²。

剩余极化值是指铁电体经极化处理后，当撤除外电场后，其极化强度并不为零而是保持一有限值，该值表明已经定向排列的电畴在没有足够的反向电场输入附加能量，就无法回到其原来所处的随机状态。该值越高，性能就越好，但0.044μC/cm²这个值相对来说比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有铁电性的V(钒)掺杂ZnO(氧化锌)的薄膜，该材料与硅基片的晶格配合良好，可以在硅基片上形成薄膜，同时具有较高剩余极化值，适于制造铁电体随机存储器，同时提供这种材料的一种制备方法。

本发明所提出的具有铁电性的V掺杂ZnO的薄膜，其组成中，V含量为0.2～2.0at.％，优选1.3at.％，Zn和V的总含量为50at.％，其余为O(氧)。

上述具有铁电性的V掺杂ZnO的薄膜可采用物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶和电化学制备。

采用反应溅射的方式制备本发明所述薄膜时，所用靶材为纯锌和纯钒的复合靶，钒与锌靶的接触面积为锌靶面积的4～9.5％，优选4.5～9.0％，最优选7.5％；反应气体为纯氩和纯氧，氩气和氧气的比例为1∶3至1∶1，优选3∶5；背景真空压力小于5×10^-4Pa，溅射气体总压力0.8Pa，基片温度为100～500℃。优选180～250℃。

根据所需薄膜厚度，反应溅射时间可选10分钟至2小时。

当使用硅作为基材时，可以在硅基材表面生成具有铁电性的V掺杂ZnO的薄膜。

采用该方法获得的薄膜，在常温下显示出较好的剩余极化，剩余极化值最大可达0.2μC/cm²；

采用日本理学D/max-RBX射线衍射仪测试，在管电压40kV，管电流100mA，发散狭缝0.5Degree，接收狭缝0.15mm，防散射狭缝0.5Degree的条件下ZnO(002)峰的强度高达48000，因为只能观察到ZnO(002)和(004)峰，且峰尖锐，充分证明了薄膜具有良好的沿c轴方向的择优取向特性，该特性有益于增大铁电材料的剩余极化值，使之能更好地满足存储单元的存储需要；

由于该薄膜的晶格结构与硅基材的结合能力较好，因此，在硅基材上的薄膜不易被刮除，显示出良好的附着力，也从另一方面证明该材料与硅基片的晶格配合良好，易于与现今的硅基电子器件结合使用；

使用TF Analyzer 2000系统测量介电性能，用电阻率衡量，等于10¹⁰Ωcm，说明介电性能良好，有利于减小铁电薄膜中的漏电流。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，相信本领域技术人员可以理解的是，所提供具体实施方式仅是说明本发明可以实现的例证，但不应认为在实际实施时只限于这些实施例。