[发明专利]一种氧化铪基铁电薄膜、制备方法及应用

说明书

本申请涉及铁电薄膜技术制备领域，具体公开了一种氧化铪基铁电薄膜、制备方法及应用。氧化铪基铁电薄膜的制备方法为：衬底预处理：采用有机溶剂对衬底进行清洗；底电极的沉积：采用物理气相沉积方式在衬底上沉积底电极；HZO薄膜沉积：采用脉冲激光沉积方式在底电极上沉积HZO薄膜；覆盖层沉积：采用脉冲激光沉积方式在HZO薄膜上沉积覆盖层；退火：在400‑800℃高温中通入20‑80mTorr氧气，保持3‑30min后使薄膜样品冷却至室温；顶电极沉积：采用物理气相沉积方式在覆盖层上沉积顶电极，形成氧化铪基铁电薄膜。本申请的氧化铪基铁电薄膜可用于制作负电容场效应晶体管，其具有铁电性性能优异的特点。

技术领域

本申请涉及铁电薄膜技术制备领域，更具体地说，它涉及一种氧化铪基铁电薄膜、制备方法及应用。

背景技术

铁电性是指某种材料具有两个或两个以上的自发极化状态，且自发极化能够在外电场的作用下发生翻转，当外电场撤去后，自发极化仍然存在的一种性质；铁电性可广泛适用于非易失性存储介质当中，如铁电存储器、铁电场效应晶体管、铁电隧穿结等。

随着社交媒体、移动设备技术快速发展，电子元器件都遵循着“摩尔定律”的发展规律，朝着尺寸微型化和集成化方向高速发展，铁电薄膜也朝向微型尺寸化演变。

目前，应用最广泛的铁电薄膜材料是钙钛矿基铁电薄膜，如锆钛酸铅、钛酸钡、钽酸锶铋等，虽然他们具有剩余极化强度大的优势，但是同样也存在着缺点，如Pb对环境有污染，在纳米尺度面临铁电性消失而无法微型化、抗氢化等复杂环境的能力差、与CMOS工艺不兼容等，因此，亟需开发环境友好、高性能、厚度小、与现有工艺兼容的新型铁电薄膜材料，来取代传统的钙钛矿基材料。

氧化铪基铁电薄膜不仅解决了上述技术中存在问题，而且在纳米尺寸内具有较好的电学性能和热稳定性，被认为是一种理想的绝缘栅极材料，但是氧化铪基铁电薄膜存在着铁电性性能较差的缺陷。

发明内容

为了改善氧化铪基铁电薄膜存在着铁电性性能较差的问题，本申请提供一种氧化铪基铁电薄膜、制备方法及应用。

第一方面，本申请提供的一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

衬底预处理：采用有机溶剂对衬底进行清洗；

底电极沉积：采用物理气相沉积方式在衬底上沉积底电极；

HZO薄膜的沉积：采用脉冲激光沉积方式在底电极上沉积HZO薄膜，设置沉积温度为400-550℃，激发光数为2000-6500发，使得形成的HZO薄膜厚度为4-20nm；

覆盖层沉积：采用脉冲激光沉积方式在HZO薄膜上沉积覆盖层，设置沉积温度为400-500℃，激发光数设置为6000-20000发，使得形成的覆盖层厚度为8-30nm，沉积后形成薄膜样品；

退火：在400-800℃高温中通入20-80mTorr氧气，保持3-30min后使薄膜样品冷却至室温；

顶电极沉积：采用物理气相沉积方式在覆盖层上沉积顶电极，形成氧化铪基铁电薄膜。

通过采用上述技术方案，HZO薄膜材料具有铁电性，在底电极和覆盖层之间沉积HZO薄膜，利用底电极的热膨胀系数提供应变，调控HZO薄膜的铁电性，通过覆盖层提供夹持应力，提高HZO薄膜的铁电性和可靠性；同时，在退火过程中，采用了20-80mTorr的氧压，在该氧压范围下，能够进一步增强铁电薄膜的铁电性。

可选的，在形成所述HZO薄膜的脉冲激光沉积过程中通入10-100mTorr氧气，在形成所述覆盖层的脉冲激光沉积过程中通入80-200mTorr氧气。

通过采用上述技术方案，在HZO薄膜和覆盖层通入氧气，在沉积过程中，通入不同含量的氧气以形成氧空位，能够更好的增强铁电薄膜的铁电性。