一种基于BZT-BCT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法技术

一种基于BZT

【技术实现步骤摘要】
一种基于BZT
‑
BCT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法


[0001]本专利技术特别涉及一种基于BZT
‑
BCT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着集成电路技术的不断发展，半导体存储器作为集成电路领域不可或缺的一部分受到了越来越广泛的关注。在当今社会比较成熟的存储技术中，铁电随机存储器(FeRAM)利用铁电体的自发极化(P)存储信息，具有耐久性高、读写速度快、功耗低、可靠的多级极化状态等优点。然而，制约传统FeRAM发展的一个主要问题是读取操作。FeRAM的读取操作通常是破坏性的，需要重写步骤。此外，由于电容尺寸的限制，它的存储密度也是有限的。因此，找到能够解决破坏性读取问题和存储密度限制的方法成为FeRAM发展的关键。
[0003]多铁性材料是一类同时表现出铁电性和反铁磁性等性质的多功能材料，多种铁性的共存为器件的新功能提供了可能性。有趣的是在铁电性和铁磁性之间存在着一种交叉耦合，称为磁电耦合(magnetoelectric coupling)。这种耦合可以通过磁场来控制电场极化，反过来也可以通过电场来控制磁化。因此，磁电耦合效应可以利用电场快速写入以及非破坏性磁读操作相结合有效克服FeRAM中P的破坏性读取问题。并且由于存储单元的尺寸不会影响到磁电耦合电压的读取，存储密度不像传统的FeRAM中那样受到限制。同时多铁材料的应用使得读写操作都避免了大量的电流，因此功耗非常低。
[0004]所以，磁电存储器(MERAMs)就是利用磁电耦合效应将磁化与极化结合起来，通过磁化和极化的不同状态来实现数据的存储。还可以通过电场来调控铁磁层的电阻状态，实现以高/低电阻状态作为写入数据位，以电场作为写入场的磁电耦合存储单元。2014年，Han等构建了基于应变介导的PMN
‑
PT/Ru/FeCo异质结构模型，当
±
2kV/cm的脉冲接通/关闭时，高/低阻状态发生并保持。实现了以电阻和电场分别作为介质的非易失性磁存储单元(Han X et al.,Applied Physics Letters.,2014,105(12):187202.)。Zheng等采用四探针法测量了LCMO薄膜电阻，当施加
±
2kV/cm脉冲电场时，磁性薄膜保持高/低电阻状态。若将负电场或正电场下的状态分别定义为位“1”或“0”，则可以实现数据存储(Zheng M，et al.Physical Review B Condensed Matter&Materials Physics,2014,90(22):224420.)。本专利技术以磁电耦合效应为基础构建铁电/铁磁复合薄膜磁电存储元件，选用Fe
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Co
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合金作为铁磁层，BZT
‑
BCT作为铁电层，是一种具有大磁电耦合效应的环境友好型磁电存储器件，本专利技术所涉及的磁电复合薄膜器件是首次提出，目前国内外未见相关报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供一种基于BZT
‑
BCT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件的制备方法，本专利技术以Ba(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3‑
(Ba
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Ca
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)TiO3陶瓷靶材和Fe
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Co
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合金靶材为原料，采用磁控溅射和离子束溅射的方法制备磁电复合薄膜器件，该存储元件
具有非易失性、在外加电压时能够保持极化和磁化的状态，由于电阻状态的改变可以通过在上下电极之间的电压翻转，不需要大电流大磁场的产生，具有低功耗的优点。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种基于BZT
‑
BCT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，在Pt/Ti/SiO2/Si复合衬底上依次沉积铁电和铁磁薄膜制成叠层结构，其中复合衬底自下而上分别为Si，SiO2，Ti和Pt底电极，具有压电效应的铁电薄膜化学结构式为0.5Ba(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3‑
0.5(Ba
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Ca
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)TiO3(BZT
‑
BCT)，厚度为200
‑
400nm，具有磁致伸缩效应的薄膜为Fe
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Co
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，厚度为20
‑
40nm。
[0008]一种所述基于BZT
‑
BCT的铁电/铁磁薄膜结构的磁电存储元件的制备方法，其中铁电陶瓷薄膜利用射频磁控溅射制备，铁磁薄膜由Fe
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Co
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合金靶材利用离子束溅射制备，步骤如下：
[0009]1)将Pt/Ti/SiO2/Si衬底和BZT
‑
BCT陶瓷靶材一起放入溅射室，抽真空至(1
‑
2)
×
10
‑4，然后通入压强为1.5
‑
2.5Pa、氩气与氧气的体积比为20:15
‑
30:20的混合气，衬底温度为500
‑
700℃、射频功率为50
‑
60w、溅射时间为1.5
‑
4h，从溅射室取出后在500℃和空气气氛下热处理30分钟，制得铁电陶瓷薄膜；
[0010]2)首先是将制得的铁电陶瓷薄膜利用标准RCA清洗工艺进行清洗，以达到去除薄膜表面的有机和无机等杂质；其次，利用甩胶机在铁电层薄膜旋涂一层紫外正胶，并利用加热台对其进行烘干；待其冷却之后，在掩膜版的掩蔽作用之下进行紫外曝光；最后在显影液(四甲基氢氧化铵溶液TMAH与水按一定的比例进行混合，所得到的混合溶液)中进行显影，得到所需要的图形。RCA清洗工艺参数如下：
[0011]1.清洗丙酮、异丙醇、酒精和超纯水分别超声清洗15min；
[0012]2.前烘温度100℃，时间60s；
[0013]3.涂胶高转速3800r/min，时间为60s，光刻胶厚度1μm；
[0014]4.坚膜温度100℃，时间为90s；
[0015]5.曝光紫外光强9.8，曝光时间为7s；
[0016]6.后烘温度100℃，时间为10s；
[0017]7.显影TMAH与H2O按5:50配成显影液，显影时间为50s；
[0018]8.去胶分别在丙酮、酒精、超纯水中超声清洗30s；
[0019]3)以上述制备的光刻胶附着的铁电陶瓷薄膜作为衬底和Fe
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Co
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合金靶材一起放入离子束溅射室，抽真空至(1
‑
2)
×
10
‑4，然后通入氩气，氩气流量为9.4sccm、放电电压75V、放电电流0.2A、加速电压200V、束流电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BZT
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BCT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，其特征是：在Pt/Ti/SiO2/Si复合衬底上依次沉积铁电和铁磁薄膜制成叠层结构，其中复合衬底自下而上分别为Si、SiO2、Ti和Pt底电极，具有压电效应的铁电薄膜化学结构式为0.5Ba(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3‑
0.5(Ba
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Ca
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)TiO3(BZT
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BCT)，厚度为200
‑
400nm，具有磁致伸缩效应的薄膜为Fe
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Co
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，厚度为20
‑
40nm。2.一种权利要求1所述的基于BZT
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BCT的铁电/铁磁薄膜结构的磁电存储元件的制备方法，其特征是：铁电陶瓷薄膜利用射频磁控溅射制备，铁磁薄膜由Fe
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Co
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合金靶材利用离子束溅射制备，步骤如下：1)将Pt/Ti/Si/SiO2衬底和BZT
‑
BCT陶瓷靶材一起放入溅射室，抽真空，然后通入氩气与氧气的混合气，经射频磁控溅射后，从溅射室取出在空气气氛下热处理，制得铁电陶瓷薄膜；2)首先是将制得的铁电陶瓷薄膜薄膜利用标准RCA清洗工艺进行清洗，去除薄膜表面的有机和无机等杂质；其次，利用甩胶机在铁电层薄膜旋涂一层紫外正胶，并利用加热台对其进行烘干；待其冷却之后，在掩膜版的掩蔽作用之下进行紫外曝光；最后在显影液中进行显影，得到所需要的图形；3)以上述制备的光刻胶附着的铁电陶瓷薄膜作为衬底和Fe
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Co
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合金靶材一起放入离子束溅射室，抽真空后通入氩气，经离子束溅射后，从溅射室取出去除光刻胶即制得铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件。3.根据权利要求2所述的基于B...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩叶梅，马美冰，尹鑫，曹海兴，孙正，王芳，张楷亮，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：