[发明专利]一种稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜及其制备方法，所述薄膜中，稀土元素掺杂的比例按原子百分数计为0.1％～5％，稀土元素为钐、铕、钬、铈、钕中的一种或几种混合物。其制备方法包括：衬底预处理、薄膜的沉积、薄膜的退火处理。本发明通过控制薄膜厚度、元素掺杂比例、退火工艺等条件可以在室温下获得稀土掺杂氧化铪铁电薄膜；本发明的稀土掺杂氧化铪铁电薄膜采用原子层沉积工艺制造，成膜质量高、掺杂元素比例精确可控、与现行半导体工艺兼容性好。

技术领域

本发明涉及微电子领域，具体涉及一种稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电材料指具有铁电效应的一类材料，除了具有良好的铁电性之外，它同时还是压电性和热释电性，在微纳米电子技术、光粒子探测、电路与光学集成和微机械电子加工系统等领域中有广阔的应用前景。高性能的铁电材料是当前高新科技研究的前沿和特点课题之一。在微电子领域中，氧化铪已经被证明了具有巨大的潜力，氧化铪基材料的铁电性通常通过掺杂来获得，掺杂后的氧化铪表现出正交晶相，则具有铁电性。氧化铪基铁电材料在存储器、逻辑电路中均有优异的表现，是传统钙钛矿材料的优秀替代品，且其对于现行的半导体加工工艺具有良好的兼容性，获得了研究人员的广泛关注。

氧化铪基薄膜的制备方法有许多，目前主要有原子层沉积法、物理气相沉积法等。其中原子层沉积法具有良好的沟道填充性、独特的表面自限制生长模式、精确到亚原子层的掺杂比例控制，被认为是未来氧化铪基薄膜材料制备的优秀选择。现有的氧化铪基铁电薄膜材料存在铁电相稳定性差，损耗、疲劳大的问题。因此，寻找合适的材料体系或制备方法成为氧化铪基铁电材料进一步发展的关键。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜，其特征在于，所述薄膜中，稀土元素掺杂的比例按原子百分数计为0.1％～5％，所述稀土元素为钐、铕、钬、铈、钕中的一种或几种混合物。

进一步地，稀土元素掺杂的比例按原子百分数计为0.5％～2％。

一种上述的稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)衬底预处理：衬底先经丙酮超声清洗5min至10min，然后使用无水乙醇超声5min至10min，去离子水冲洗后，再使用体积比为2:1至4:1的浓硫酸-双氧水混合溶液在加热至100℃至130℃之间，浸泡5min至10min，而后用去离子水超声5min至10min，再以氢氟酸与水的体积比为1:40至1:100的氢氟酸溶液浸泡5min至10min，经去离子水冲洗后将衬底进行干燥并进行表面处理；

(2)薄膜的沉积：在经步骤(1)预处理好的衬底上沉积稀土掺杂二氧化铪薄膜；

(3)薄膜的退火处理：将步骤(2)得到的薄膜置于充满保护气体的退火炉中进行预热处理，然后进行退火，随炉冷却至室温，得到晶态的稀土掺杂二氧化铪基铁电薄膜。

进一步地，所述步骤(1)中，所述的衬底为P型硅片；干燥后的衬底进行表面处理方式为氧等离子体轰击5min。

进一步地，所述步骤(1)中，衬底先经丙酮超声清洗5min，然后使用无水乙醇超声5min，去离子水冲洗后，再使用体积比为4:1的浓硫酸-双氧水混合溶液在加热至125℃，浸泡5min，而后用去离子水超声5min，再以体积比为1:100的氢氟酸溶液浸泡5min。

进一步地，所述步骤(2)所使用的沉积工艺为原子层沉积，在沉积过程中，通过控制掺杂的稀土元素前驱体脉冲数与铪前驱体脉冲数的比例为1：10-1：1来控制掺杂的稀土元素原子百分数在0.1％至5％之间，薄膜厚度控制在10nm～30nm。