一种HfO2基铁电材料的使用方法技术

本发明专利技术属于半导体器件及空间技术应用领域，特别涉及一种HfO2基铁电材料的使用方法。本发明专利技术提供了的HfO2基铁电材料使用方法，基于HfO2基铁电材料具有极强的抗辐照能力，在辐照环境下可以保证器件长时间的正常运行。因此可应用于核工业、航天以及核医疗业此类高辐射环境的极端工作环境。对发展具有抗辐照能力的非易失性铁电存储器及其在航空航天、核工业、医疗业等行业的应用具有重要的意义。

A kind of HfO

The invention belongs to the field of semiconductor devices and space technology applications, in particular to a HfO device

【技术实现步骤摘要】
一种HfO2基铁电材料的使用方法
本专利技术属于半导体器件及空间技术应用领域，特别涉及一种HfO2基铁电材料的使用方法。
技术介绍
非易失性存储器件广泛应用于信息存储领域(如电脑、手机中的随机存储器),在食品安全辐照保存、医疗用品辐射灭菌消毒、辐射化工、航空航天及核工业等领域中，高辐照环境会对存储器件造成损伤，最终导致器件失效。因此，为了保证存储器件在辐射环境中仍能可靠地完成预定功能，寻求高速度、低功耗、高抗辐照能力的新型存储器尤为重要。铁电材料是一类具有自发极化特性，并且自发极化可随外电场进行反转并在断电时仍可保持的介质材料。与基于电子电荷来存储信息的介质材料相比，铁电材料在电磁波和各种射线的辐射下具有更高的稳定性。尽管已知的具有铁电性的材料超过500种，但是氧化物更受到工业界的青睐，传统的常用的铁电材料有锆钛酸铅(PZT)、钽酸锶铋(SBT)和掺镧的钽酸铋(BLT)。由于食品安全辐照保存、医疗用品辐射灭菌消毒、辐射化工、航空航天及核工业这些领域中对于抗辐照的要求极高，目前均采用PZT、SBT和BLT这类技术成熟的传统铁电材料，但这类传统材料的抗辐照能力不佳，业内人士一直致力于提升其这方面的性能。自2011年T.Mikolajick等首次发现掺杂的HfO2薄膜具有铁电性能以来，HfO2基铁电材料因制备工艺与CMOS完全兼容、可小型化的特点而被广泛应用于半导体行业，并基于此被业内追捧。
技术实现思路
针对上述存在的问题或不足，本专利技术提供了一种HfO2基铁电材料的使用方法。HfO2基铁电材料的制备方法如下：步骤1、在基底上首先沉积TiN薄膜作为底电极；步骤2、在步骤1得到的TiN薄膜上生长非晶掺杂的HfO2薄膜；步骤3、在步骤2制得的非晶掺杂的HfO2薄膜上生长TiN顶电极；步骤4、采用快速退火RTA技术，对步骤3得到的样品进行快速退火处理，得到多晶掺杂的HfO2铁电薄膜。该HfO2基铁电材料应用于极端工作环境，如高辐射环境。本专利技术提供了一种HfO2基铁电材料的使用方法，基于HfO2基铁电材料具有极强的抗辐照能力，因此可应用于极端工作环境，如高辐射环境。附图说明图1为本专利技术制备流程图；图2为实施例在不同剂量辐照后的XRD图谱；图3为实施例在不同剂量辐照后的I-V特性图谱；图4为实施例在不同剂量辐照后的C-V特性图谱；图5为实施例在不同剂量辐照后的电滞回线特性图谱；图6为实施例在不同剂量辐照后在1.3MV/cm场强下的疲劳特性；图7为实施例在不同剂量辐照后在1.4MV/cm场强下的疲劳特性；图8为实施例在不同剂量辐照后在1.6MV/cm场强下的疲劳特性；图9为实施例在不同剂量辐照后在1.8MV/cm场强下的疲劳特性；图10为实施例在加压条件下不同剂量辐照后的电滞回线特性图谱。具体实施方式为了让本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步阐述。以钇含量为3.8mol.％的高抗辐照铁电HfO2薄膜为实施例对本专利技术中的具体步骤进行详细描述：步骤1：采用磁控溅射沉积技术，在SiO2/Si基底上首先沉积一层100nm的TiN薄膜作为底电极。其中，步骤1具体为：取用SiO2/Si基片，用有机溶剂和去离子水清洗其表面，除去杂质。有机溶剂包括丙酮和乙醇。依次将硅片浸渍与丙酮、乙醇、去离子水中，并置于超声清洁仪里超声清洗各3分钟，并立即用氮气吹干。a、将清洁后的SiO2/Si基底置于真空腔内靶材上方，靶基距固定为55mm，基片温度升高至300℃；b、通入99.999％氩气，控制压强在0.13Pa，预溅射5min后开始沉积TiN底电极；c、生长结束后，样品在真空条件下降至室温，从真空腔中取出。步骤2：采用激光脉冲沉积PLD技术，在步骤1得到的TiN薄膜上生长20nm钇掺杂的HfO2薄膜。具体为：a、将步骤1中取出的样品置于真空腔内靶材上方，靶基距固定为55mm，基片温度升高至100℃；b、通入99.999％氧气，控制氧压在1Pa，采用波长为248nm的激光(KrF)烧蚀旋转的靶材表面，激光能量为2.5J/cm2，进行HfO2靶材和氧化钇靶材交换打靶，其中激光打击HfO2靶材的脉冲频率为5Hz，打击36下；打击氧化钇靶材的脉冲频率为2Hz，打击1下。如此循环28遍，得到厚度为20nm，钇含量为3.8mol.％的非晶HfO2薄膜。步骤3：采用PLD技术，在步骤2制得的非晶掺钇的HfO2薄膜上原位生长30nm的TiN顶电极。具体为：a、步骤2结束后，停止通入氧气，使腔体保持高真空状态，将基片温度于5分钟由100℃匀速升至200℃；b、通入99.999％氩气，气压保持在0.5Pa，采用波长为248nm的激光(KrF)烧蚀旋转的氮化钛靶材表面，激光能量为4J/cm2，激光脉冲频率为10Hz，生长30nm的TiN顶电极；c、生长结束后，样品在高真空条件自然冷却下降至室温，从真空腔中取出。步骤4：采用快速退火RTA技术，对步骤3得到的样品进行快速退火处理，得到多晶的掺钇的HfO2铁电薄膜。具体为：a、将步骤3中取出的样品置于快速退火炉中，通入99.999％氮气，气压保持在2mTorr，30s升温至600℃，保温1分钟，自然冷却至室温。取出样品，得到具有铁电性的多晶HfO2薄膜。对实施例制得的HfO2铁电材料进行辐照测试，所使用的辐照源为γ-Co60：制得的HfO2铁电材料在不同辐照剂量后的XRD测试结果如图2所示。从图2中可以看出，制得的HfO2铁电材料结构在经过10.8Mrad总剂量的辐照过后并没有发生明显的变化，晶相仍然稳定在具有铁电性的正交相，没有新的杂相生成。说明该材料具有稳定的抗辐照性能。制得的HfO2铁电材料在不同辐照剂量后的I-V特性测试结果如图3所示。从图3中可以看出，该材料的漏电流在经过11.88Mrad总剂量的辐照过后并没有发生明显的变化，与辐照前基本一致。实施例制得的HfO2铁电材料在不同辐照剂量后的C-V特性测试结果如图4所示。从图4中可以看出，该材料的介电常数在经过10.8Mrad总剂量的辐照过后并没有发生明显的变化，与辐照前基本一致。实施例制得的HfO2铁电材料在不同辐照剂量后的电滞回线特性测试结果如图5所示。从图5中可以看出，该材料的电滞回线在经过12.96Mrad总剂量的辐照过后并没有发生明显的变化，与辐照前基本一致。传统的铁电材料在如此高的总剂量辐照下电滞回线往往会发生变形，从而导致器件失效。因此与传统材料比较，HfO2铁电材料具有极高的抗辐照性能。实施例制得的HfO2铁电材料在不同辐照剂量后的疲劳特性测试结果如图6-图9所示。图6-图9中测试疲劳特性的场强分别为1.3MV/cm、1.4MV/cm、1.6MV/cm、1.8MV/cm。从图6-图9可以看出该材料在经过10.8Mrad总剂量的辐照过后在不同场强下的疲劳特性较辐照前均未发生明显变化，甚至略有改善。这说明HfO2铁电材料在辐照的环境中仍然能够保持材料的原始特性，不会受到辐照的影响，这对于器件的稳定性具有重大的意义。实施例制得的HfO2铁电材料在加压条件下不同辐照剂量后的电滞回线特性测试结果如图10所示。从图10中可以看出，即使是在同时加压和辐照的情况下，该材料的电滞回线在经过1.26Mrad总剂量的辐照过后并没有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种HfO

【技术特征摘要】
1.一种HfO2基铁电材料的使用方法，其特征在于：应用于极端工作环境。2.如权利要求1所述HfO2基铁电材料的使用方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕磊，黄飞，王艳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51