一种HfO制造技术

本发明专利技术公开了一种HfO

A HFO

【技术实现步骤摘要】
一种HfO2基铁电薄膜材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种HfO2基铁电薄膜材料及其制备方法和应用，属于铁电薄膜技术制备领域。
技术介绍
铁电薄膜因具有在电场的作用下，材料内部的正负电荷中心不重合而产生电偶极矩，从而产生自发极化，且撤去外电场之后剩余极化强度不为零的性质，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、铁电隧穿结等等。随着信息技术的迭代更新、5G技术以及物联网等的飞速发展，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、性能高速化的方向发展，铁电薄膜也朝向小尺寸化演变。目前，最广泛应用的铁电薄膜材料是钙钛矿基铁电薄膜，如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)、钽酸锶铋(SBT)等等，虽然它们具有相当的性能优势，但如Pb对环境有污染，且在几个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工艺不兼容等等缺点，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铁电薄膜。随着2011年Si掺杂HfO2铁电性的出现，研究者们开始采用各种方式如掺杂、应力夹持以及表面能效应等来提高HfO2基薄膜的铁电性，无论是在物理机制还是性能调控上都取得了很大的成效。基于其较高的抗击穿电场EBD(4～8MV/cm)，较低的厚度(5～30nm)，接近钙钛矿基的剩余极化值Pr(1～45μC/cm2)，具有广泛的研究以及应用价值，是最有希望取代钙钛矿基的铁电薄膜。原子层沉积作为最适宜大面积沉积薄膜且能精确控制沉积厚度、工艺成熟的制备方法，非常适用于制备HfO2基薄膜。但是由于HfO2基薄膜只在厚度为5～30nm的范围内具有较强的铁电性，势必会引发薄膜内部产生比较大的漏电流，从而导致铁电器件的寿命下降，不利于其实际使用。如何改变当前的瓶颈，既能有效的提高其铁电性能，又能增强其可靠性，实现两者兼具，成为当前需要解决的问题。在复合体系当中，元素掺杂、表面能效用对HfO2基薄膜的性能调控具有重要的影响。文献报道，通过Al、La、Y等元素掺杂可以有效的提高铁电性能，相比于应力调控可以更方便实现，而且可通过多种制备方法得到。研究者AnnaG.Chernikova通过原子层沉积工艺制备出了La掺杂Hf0.5Zr0.5O2(HZO)铁电薄膜，并讨论了掺杂以及非掺杂时的铁电性能以及保持特性。研究发现在1mol％La掺杂时，HZO薄膜可显著提高其剩余极化值，并且能够表现出很好的稳定性，且漏电流密度可以降低3倍。然后由于原子层沉积技术的原理是通过将物质以单原子膜的形式一层一层的镀在基底表面的方法。那么在进行元素掺杂时，也是采用单层原子的比例来进行控制的，无法进行精准的元素比掺杂，会导致比例不正确。且其唤醒过程经历了106次循环，大大降低了其可使用的寿命，并不利于实际应用(图1)。HanJoonKim等采用在HZO薄膜的中间插入Al2O3薄层，由于Al2O3的加入可以打断HZO的连续生长，从而降低其晶粒大小，使得薄膜30nm、40nm的时候也能具有良好的铁电性能，与非插入的HZO的铁电性能相当。同时由于薄膜厚度增加，使得薄膜中的漏电流密度显著减小，尤其是在高电场的时候可大幅减弱。然而在该方法中，利用Al2O3薄层阻断HZO晶粒的生长，虽然可获得与纯HZO薄膜相当的铁电性。但其漏电流的降低主要是依赖于整体薄膜厚度的增加，导致电子在流过薄膜内部的过程当中被晶粒阻断。薄膜厚度增加与“摩尔定律”的发展规律是相违背的，因此并不适宜于铁电存储的集成发展(图2)。H.-Y.Guo等采用化学溶液沉积法制备出了HfO2薄膜，该方法主要是利用每一层薄膜的单独退火而避免了薄膜晶粒的连续长大，重复多次以获得一定厚度的薄膜，多次旋涂制备过程中产生的界面可以阻挡电子束的通过，可以大大降低薄膜内部的漏电流，且发现薄膜厚度增大，其最终的漏电流密度降低。采用这种方法制备薄膜虽然可以实现元素精确的掺杂量，但是制备过程比较复杂，且影响最终性能的因素增多，增加了不确定性和不稳定性，因此该方式并不适用于大面积制备集成器件结构，而且也不利于制备很薄薄膜(图3)。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有优异铁电性能及其可靠性的HfO2基铁电薄膜材料及其制备方法和应用。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术一种HfO2基铁电薄膜材料，从下至上，依次由薄膜衬底、TiN底电极、Al2O3薄膜、Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜，TiN顶电极、Au电极组成。本专利技术所提供的HfO2基铁电薄膜材料(Hf0.5Zr0.5O2/Al2O3薄膜)，在TiN底电极以及HZO铁电薄膜之间引入Al2O3薄膜，通过界面极化，来提高薄膜的铁电性能，界面极化是指两种介电常数相差较大的材料进行复合之后，由于两者之间的介电不匹配而引发的界面极化，从而可增大铁电材料的铁电性能，在本专利技术所提供的HfO2基铁电薄膜材料的结构中，如假设HZO铁电薄膜为负向极化状态，插入Al2O3薄膜之后，会提高整个薄膜的静电能，导致大量电子在HZO/AO(Al2O3)的界面处聚集。根据能量守恒定律，该静电能将诱发界面极化的产生，从而为整个铁电极化做贡献。另外，专利技术人还发现，由于Al2O3的抗击穿电场(8～9MV/cm)较HfO2基薄膜的抗击穿电场(4～5MV/cm)要高，因此该薄膜的插入有利于阻挡电子束的通过，从而降低薄膜内部的漏电流，提高可靠性。优选的方案，所述Al2O3薄膜的厚度为0.8～2.4nm。在本专利技术，所提供的Al2O3薄膜厚度很小，相比于传统钙钛矿薄膜，新型HfO2基薄膜具有厚度小有利于微型化和集成化，在本专利技术中，采用薄层Al2O3膜的插入在没有明显增加整体厚度，而是利用界面极化作用来显著提高薄膜的铁电性能。优选的方案，所述TiN底电极的厚度为30～60nm；所述TiN顶电极的厚度为5～60nm、所述Au电极的厚度为60～100nm；所述Hf0.5Zr0.5O2薄膜的厚度为8～12nm。优选的方案，所述薄膜衬底为硅片，进一步优选为p型硅片。本专利技术一种HfO2基铁电薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：以p型硅片为薄膜衬底，于薄膜衬底之上采用磁控溅射沉积TiN底电极，然后于TiN底电极之上通过原子层沉积Al2O3薄膜，再于Al2O3薄膜之上通过原子层沉积Hf0.5Zr0.5O2薄膜，然后再于Hf0.5Zr0.5O2薄膜之上通过磁控溅射依次沉积TiN顶电极、Au电极，沉积完成后，退火即获得HfO2基铁电薄膜材料。原子层沉积(atomiclayerdeposition，ALD)，是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法，当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应，最终获得致密性良好的薄膜。优选的方案，所述TiN底电极的沉积方式为，将溅射腔体气压抽至3×10-5后，将溅射腔体加热至348～352℃，通入氮气与氩气的混合气体，所述混合气体中，按体积比计，氮气：氩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种HfO

【技术特征摘要】
1.一种HfO2基铁电薄膜材料，其特征在于：从下至上，依次由薄膜衬底、TiN底电极、Al2O3薄膜、Hf0.5Zr0.5O2薄膜，TiN顶电极、Au电极组成。


2.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电薄膜材料，其特征在于：所述Al2O3薄膜的厚度为0.8～2.4nm。


3.根据权利要求1所述的一种HfO2基铁电薄膜材料，其特征在于：所述TiN底电极的厚度为30～60nm；所述TiN顶电极的厚度为5～60nm、所述Au电极的厚度为60～100nm；所述Hf0.5Zr0.5O2薄膜的厚度为8～12nm。


4.制备如权利要求1-3任意一项所述的一种HfO2基铁电薄膜材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：以p型硅片为薄膜衬底，于薄膜衬底之上采用磁控溅射沉积TiN底电极，然后于TiN底电极之上通过原子层沉积Al2O3薄膜，再于Al2O3薄膜之上通过原子层沉积Hf0.5Zr0.5O2薄膜，然后再于Hf0.5Zr0.5O2薄膜之上通过磁控溅射依次沉积TiN顶电极、Au电极，沉积完成后，退火即获得HfO2基铁电薄膜材料。


5.根据权利要求4所述的一种HfO2基铁电薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述TiN底电极的沉积方式为，将溅射腔体气压抽至3×10-5后，将溅射腔体加热至348～352℃，通入氮气与氩气的混合气体，所述混合气体中，按体积比计，氮气：氩气＝33～34:4，然后溅射Ti靶，所述溅射功率为450～500w，溅射时间为30～60s，获得厚度为30～60nm的TiN底电极；
所述TiN顶电极的沉积方式为，将溅射腔体气压抽至3×10-5后，将溅射腔体加热至348～352℃，通入氮气与氩气的混合气体，所述混合气体中，按体积比计，氮气：氩气＝33～34:4，然后溅射Ti靶，所述溅射功率为450～500w，溅射时间为5～60s，获得厚度为5～60...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斗，陈海燕，陈永红，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43