[发明专利]一种利用氧化铝介电薄膜层诱导铪锆氧薄膜铁电性的方法

说明书

本发明涉及一种利用Al₂O₃介电薄膜层诱导Hf_xZr_1‑xO₂薄膜铁电性的方法。所述方法包括以下步骤：步骤A在Hf_xZr_1‑xO₂薄膜层上制备Al₂O₃介电薄膜层；步骤B高退火速率热处理。该方法其制备方法工艺简单，成本低廉，可重复性好。本发明还涉及一种铁电薄膜、及铁电薄膜器件、及其制备方法。所述铁电薄膜包括层叠设置的第一电极层、Hf_xZr_1‑xO₂薄膜层和Al₂O₃介电薄膜层，所述铁电薄膜器件包括层叠设置的半导体衬底、第一电极层、Hf_xZr_1‑xO₂薄膜层、Al₂O₃介电薄膜层和顶层电极层，两种结构的制备方法都是通过在Hf_xZr_1‑xO₂薄膜上制备Al₂O₃介电薄膜，在高退火速率热处理过程中Al₂O₃介电薄膜诱导Hf_xZr_1‑xO₂薄膜择优取向生长，优化铁电性。其制备方法工艺简单，可重复性好，为后续制备铁电场效应晶体管提供了便利。

技术领域

本发明属于微电子器件领域，尤其是涉及一种利用氧化铝(Al₂O₃)介电薄膜层诱导铪锆氧(Hf_xZr_1-xO₂)薄膜铁电性的方法，及一种铁电薄膜、铁电薄板器件及其制备方法。

背景技术

铁电薄膜具有压电性、铁电性、热释电性、介电性能以及电光效应、声光效应和非线性光学效应等多种特性，单独利用其中某一性质或综合利用多种特性，人们可以研制出各种功能的薄膜器件，如电容器、动态随机存储器(DRAM)、热释电探测器、铁电随机存储器(FRAM)、声光偏转器、光学倍频器等，铁电薄膜材料在微电子器件领域有着良好的应用前景。

作为代表性的高介电常数材料，如二氧化铪HfO₂等二元氧化物已被广泛应用于微电子工业，例如晶体管栅介质和存储电容器介质。大量实验证明，在一定条件下，HfO₂薄膜掺杂诸如Si、Y、Al、Zr、Gd、Sr和La后而具有铁电性，其中，Zr(锆)是最有竞争力的掺杂金属，因为其与Hf同属一个主族，具有相同的结晶相结构，且相同晶体结构所对应的点阵参数基本相同，因此Zr的化学性质与Hf几乎相同，因此不同于HfO₂薄膜与其他掺杂剂只在一个很窄的掺杂浓度范围内表现出明显的铁电性，掺杂Zr后的Hf_xZr_1-xO₂薄膜在整个掺杂范围内都形成固溶体，表现出明显的铁电性的掺杂浓度范围较宽。另外，Hf_xZr_1-xO₂铁电薄膜与传统铁电薄膜相比，其多晶结构降低了对衬底的要求，而且其更小的厚度限制也使铁电器件的微小化成为可能。

请参阅图1，其是现有技术的铪锆氧铁电薄膜的结构示意图。该铪锆氧铁电薄膜10包括依序层叠设置的第一TiN电极层11、Hf_xZr_1-xO₂薄膜层12和第二TiN电极层13，形成TiN/Hf_xZr_1-xO₂/TiN结构。