一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法技术

一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，包括：在基底上沉积氧化铪基薄膜；并在氧化铪基薄膜的上表面沉积覆盖层后，基于退火装置在电场作用下进行退火处理，得到结晶状的大面积单相氧化铪基铁电薄膜，包括在退火处理的不同时间段有选择的施加电场；其中，退火处理包括升温、保持温度和降温三个不同时间段。通过在对氧化铪基铁电薄膜进行退火处理的同时施加电场，控制氧化铪基铁电薄膜结晶过程中的能量场，改善薄膜的质量，使得氧化铪基铁电薄膜具有大面积正交相，铁电性强；当薄膜面积缩小时，也能保持较好的均一性。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法
本专利技术涉及铁电薄膜
，特别涉及一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法。
技术介绍
铁电存储器具有高速读写、低功耗、高保持性等优点，被称为最具潜力的下一代新型存储器之一，铁电存储器的性能很大程度上取决于铁电薄膜的性质。2011年后掺杂的氧化铪薄膜被人们验证具有铁电性后，已经解决了传统铁电薄膜互补金属-氧化物-半导体(CMOS)制备工艺的兼容性问题。此外，由于氧化铪薄膜在厚度尺寸上微缩至亚十纳米时仍具有铁电性，且具有矫顽电场大、铁电极化大等优点，因此基于氧化铪基铁电薄膜的存储器件近几年取得了许多突破性的进展。目前基于28nm工艺节点的铁电鳍型晶体管(Fe-FinFET)已经制备出并且实现存储特性；三维NAND结构的铁电存储器件也被验证成功。随着CMOS工艺技术不断发展，为满足现在先进的5nm、3nm工艺节点要求，器件结构设计中要求Fin栅结构以及nanowire栅结构中的铁电薄膜在小尺寸下仍具有优异的均一性。然而目前制备的氧化铪基铁电薄膜均具有多相，即正交相、单斜相、四方相、立方相等共存的特性。已有模拟和实验的数据表明，当器件沟道尺寸微缩至30nm以下时，其多相共存的特性会影响器件性能的均一性，包括开态电流、开关比、阈值电压以及亚阈值摆幅等指标。如何提高氧化铪基薄膜在小面积下的晶相均一性，是解决这一瓶颈问题的最有效的方法。在常压下，氧化铪晶体有三种稳定的相结构，常温下稳定存在的单斜相P21/c，温度高于1720oC时的四方相P42/nmc，温度高于2600oC时的立方相Fm3m。研究表明，具有铁电性的氧化铪为正交相Pca21，也称为该材料的铁电相，通常是在非晶薄膜在退火结晶过程中单斜相、四方相以及立方相的相互转换中作为过渡相形成，通过掺杂、氧空位调控、电极应力挟持等作用可使其稳定。现有的技术中，由于铁电薄膜在退火的过程中，结晶后各晶相(包括正交相/铁电相，单斜相，四方相，立方相等)形成的能量势垒差别较小，目前不管是通过物理气相沉积亦或是化学气相沉积制备的氧化铪基薄膜均呈现多相共存的特性，且各相的尺寸为-几纳米至几十纳米左右，且分布不均，导致了薄膜中铁电性能的不均一；当器件尺寸逐渐缩小时，氧化铪基薄膜性能不均一性将导致器件性能的不均一性，因此影响器件的实际应用和产业化发展。如何进一步优化制备工艺、消除多相共存(抑制甚至消除非铁电相)，是提高器件微缩时铁电薄膜性能均一性的方向，将为氧化铪基薄膜的器件集成带来工艺节点上的突破。
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术的目的是提供一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，通过在对氧化铪基铁电薄膜进行退火处理的同时施加电场，控制氧化铪基铁电薄膜结晶过程中的能量场，使掺杂的氧化铪薄膜具有良好的铁电性。(二)技术方案为解决上述问题，根据本专利技术的一个方面,本专利技术提供了一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：在基底上沉积氧化铪基薄膜；基于退火装置在电场作用下进行退火处理，得到结晶状的氧化铪基铁电薄膜，包括在退火处理的不同时间段以及退火之前的一段时间内有选择的施加电场；其中，退火处理包括升温、保持温度和降温三个不同时间段。进一步的，在电场作用下进行退火处理之前还包括：采用电场对氧化铪基薄膜进行预处理。进一步的，在电场作用下进行退火处理包括：在退火处理的三个不同时间段以及退火之前的一段时间间断的施加电场；或在退火处理的三个不同时间段以及退火之前的一段时间不间断的施加电场。进一步的，电场为直流电或交流电或两者组合。进一步的，在基底上沉积氧化铪基薄膜还包括：在氧化铪基薄膜的上表面沉积覆盖层。进一步的，退火的温度为：300-1000℃；退火的时间为：1s-1h。进一步的，退火装置包括：壳体；以及退火炉支撑板，退火炉支撑板设置在壳体内；电场下极板和电场上极板，电场下极板和电场上极板相互平行设置在退火炉支撑板上，且电场下极板和电场上极板之间预设有一定间距，以放置氧化铪基薄膜；加热设备，加热设备围绕在壳体的内壁面，用于加热氧化铪基薄膜；电压控制器，电压控制器与电场上极板电连接，电场下极板与接地端电连接，以在电场下极板和电场上极板之间预设的间距内形成电场。进一步的，沉积的方法为溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、离子束外延或化学气相沉积。进一步的，沉积的温度低于氧化铪基铁电薄膜结晶的温度。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：改善了氧化铪基铁电薄膜的质量，使得制备的氧化铪基铁电薄膜具有大面积正交相，铁电性强；且当薄膜面积缩小时，薄膜性能也保持较好的均一性。本专利技术的制备方法对常规方法沉积的氧化铪基薄膜的优化均可实现，不限制掺杂元素种类和非晶薄膜沉积方法，也不限制器件的结构和图形(即平面的和3D复杂结构均适用)，适用面大大扩宽。附图说明图1是本专利技术提供的实施例一的退火装置的结构示意图；图2是本专利技术提供的实施例一的退火装置的退火炉支撑板的结构示意图；图3是本专利技术提供的实施例一的退火装置的电场上极板的结构示意图；图4是本专利技术提供的实施例一的时间温度程序图；图5是本专利技术提供的实施例一的时间电场程序图。附图标记：1-退火炉支撑板；2-电场下极板；3-氧化铪基薄膜；4-接地端；6-电压控制器；7-间距；8-加热设备；9-温度传感器；10-壳体。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。在附图中示出了根据本专利技术实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。此外，下面所描述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。以下将参照附图更详细地描述本专利技术。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。实施例一：本专利技术的实施例一提供的一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：在基底上沉积氧化铪基薄膜。具体地，首先选择基底，基底材料根据器件设计要求可以为半导体材料，例如硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化镓等；或者金属电极，例如氮化钛、氮化钽、钨、铂、铱、氧化钇；或介质材料，例如氧化铪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：/n在基底上沉积氧化铪基薄膜；/n基于退火装置在电场作用下进行退火处理，得到结晶状的氧化铪基铁电薄膜，包括在所述退火处理的不同时间段有选择的施加电场；/n其中，所述退火处理包括升温、保持温度和降温三个不同时间段。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化铪基铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
在基底上沉积氧化铪基薄膜；
基于退火装置在电场作用下进行退火处理，得到结晶状的氧化铪基铁电薄膜，包括在所述退火处理的不同时间段有选择的施加电场；
其中，所述退火处理包括升温、保持温度和降温三个不同时间段。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在电场作用下进行退火处理之前还包括：
采用所述电场对所述氧化铪基薄膜进行预处理。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在电场作用下进行退火处理包括：
在所述退火处理的三个不同时间段以及退火之前的某一段时间间断的施加电场；或
在所述退火处理的三个不同时间段以及退火之前的某一段时间不间断的施加电场。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述电场为直流电或交流电或两者组合。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基底上沉积氧化铪基薄膜还包括：
在所述氧化铪基薄膜的上表面沉积覆盖层。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述退火的温...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖佳佳，杨婉贞，周益春，廖敏，曾斌建，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43