一种ZrO2强铁电体薄膜及其热处理方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种ZrO

【技术实现步骤摘要】
一种ZrO2强铁电体薄膜及其热处理方法和应用
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种ZrO2强铁电体薄膜及其热处理方法和应用。
技术介绍
闪存（Flashmemory）作为一种长寿命并且再断电情况下仍然可以保存数据的存储器，应用于各类可移动式存储类产品和智能产品的存储硬盘中。传统的flashmemory通常采用“三明治型”的结构，在两层氧化层中间加入浮栅，通过对控制栅施加正负电压，使得电荷通过“隧道效应”进入和离开浮栅，完成对浮栅的编写和擦除。这一结构虽然可以实现flashmemory单元的基本行为，但是也带来了一系列的缺点。首先，电荷的频繁进出隔离氧化层会导致保持能力变弱，造成浮栅中储存电荷的流失，影响flashmemory单元的可靠性，还会使flashmemory容易被击穿，减少flashmemory单元的寿命；其次，传统flashmemory三明治型的结构，较为复杂，在制作过程中，必须使用多道工序来完成，生产成本较高；同时，对于flashmemory厚度的改良也会因为层数较多，而遇到工艺瓶颈。而最重要的一点，浮栅储存的电荷数有限，编程和擦除的电压窗口（memorywindow）较小，限制了使用时的电压区间。基于以上的三点，大大限制了flashmemory的发展速度。铁电体是一种在常温下也具有自发极化性能的材料，它的自发极化的方向可以随着外部电场的方向改变而改变，而且极化程度呈现一定的滞后现象。纳米氧化锆薄膜作为一种高介电材料，同时兼具铁电性，可以成为代替传统flashmemory中三明治型结构的材料。一般状态下，氧化锆具有单斜晶型，四方晶型，立方晶型等多种中心对称的晶形结构，没有自发极化性能。通过给予内部的压力，使得氧原子相互之间的位置发生改变，亚稳态非中心对称的斜方晶型结构形成，从而铁电特性出现。综上所述，研发一种铁电性能好，能够代替传统flashmemory中三明治型结构的氧化锆铁电体薄膜具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术中存在的氧化锆薄膜铁电性能差，传统的flashmemory“三明治型”的结构可靠性差、寿命短、制造成本高和使用时电压区间小的问题，本专利技术提供了一种ZrO2强铁电体薄膜及其热处理方法和应用，通过引入强铁电性的ZrO2（氧化锆）层来代替传统flashmemory中的“三明治型”氧化层和浮栅结构，简化flashmemory的结构，提高产品使用寿命，增大编程和擦除的电压窗口，使flashmemory的发展更上一个新的台阶。本专利技术通过以下技术方案实现：一种ZrO2强铁电体薄膜的热处理方法，在真空条件下，对ZrO2薄膜进行快速退火处理：退火温度为600~700℃，退火后冷却得ZrO2强铁电体薄膜。进一步地，所述的升温速率为70℃/s，达到退火温度后保持10秒。进一步地，所述的ZrO2薄膜通过磁控溅射沉积的方法得到，ZrO2为纳米级。进一步地，所述的ZrO2薄膜的厚度为20nm。进一步地，所述的ZrO2薄膜沉积在晶圆片上。进一步地，所述的冷却在空气中冷却至室温即可。本专利技术中，所述的热处理方法得到的ZrO2强铁电体薄膜，该铁电体材料在常温下具有自发极化性能，其自发极化方向可以随外部电场的方向改变而改变，而且极化程度呈现一定的滞后现象。本专利技术中，所述的热处理方法得到的ZrO2强铁电体薄膜在闪存单元中的应用。进一步地，所述的闪存单元应用于可移动存式存储类产品和智能产品的存储硬盘中。本专利技术中的ZrO2薄膜在退火过程中，短暂的高温热处理使得金属与氧原子的结合的晶型结构发生了变化，形成了亚稳态的斜方晶型结构。有益效果1.本专利技术ZrO2薄膜在退火过程中，短暂的高温热处理使得金属与氧原子的结合的晶型结构发生了变化，形成了亚稳态的斜方晶型结构，具有良好的铁电性能；2.本专利技术经热处理得到的ZrO2强铁电体薄膜应用于闪存单元，简化了flashmemory单元的结构，降低了厚度，为存储密度的增加奠定了基础，其没有储存电荷流失的缺点，提高了flashmemory的储存可靠性；3.ZrO2强铁电体薄膜材料通过偶极子的方向来标定写入和擦除状态，电子不需要进出介电氧化层，提高了flashmemory单元的使用寿命，提高了存储类产品的稳定性。附图说明图1为实施例1制备的亚稳态的斜方晶型的氧化锆结构；图2为实施例1制备ZrO2强铁电体薄膜的铁电滞回曲线；图3为对比例1制备ZrO2薄膜的铁电滞回曲线；图4为传统flashmemory单元的写入和擦除过程；图5为氧化锆铁电体材料的Flashmemory单元的写入和擦除过程。具体实施方式为了使本领域的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。实施例1采用磁控溅射的方式在晶圆片上沉积20nm厚的氧化锆薄膜，将沉积有氧化锆薄膜的晶圆片放入退火炉中，然后进行抽真空将炉内气压降到1×10-5Pa以下，将炉内的温度在10s（升温速率70℃/s）内迅速上升到700℃，到达退火温度后保持10秒，后将晶圆片在空气中暴露2分钟，冷却到常温状态，完成退火，得到ZrO2强铁电体薄膜。得到的ZrO2强铁电体薄膜为亚稳态的斜方晶型，其结构如图1所示，由图1可知，短暂的高温热处理使得金属与氧原子的结合的晶型结构发生了变化，形成了亚稳态的斜方晶型结构。对ZrO2强铁电体薄膜进行了铁电滞回曲线测试，结果如图2所示，由图2可知经过700℃短暂热处理的纳米氧化锆展现出较为完美的铁电滞回曲线，并且在50个周期的电场变化后，滞回曲线出现了一个轻微的扩张，说明内部氧原子的相对位置改变更加明显，铁电体的特征出现。对比例1采用磁控溅射的方式在晶圆片上沉积20nm厚的氧化锆薄膜，不进行退火处理。将氧化锆薄膜进行铁电滞回曲线测试，测试结果如图3所示，由图3可知未经过热处理的纳米氧化锆的铁电滞回曲线并未显现，说明不经过退火处理的氧化锆薄膜并未形成铁电体。本专利技术制备的氧化锆薄膜在flashmemory中的应用：传统的flashmemory通常采用“三明治型”的结构，在两层氧化层中间加入浮栅，通过对控制栅施加正负电压，使得电荷通过“隧道效应”进入和离开浮栅，完成对浮栅的编写和擦除。图4表示出了传统flashmemory单元的写入和擦除过程，可以看出，传统的写入和擦除过程都依赖于电子存入和离开浮栅层，为了完成这一功能，需要用三层结构来实现。利用本专利经过退火处理的氧化锆铁电体薄膜，应用于Flashmemory单元，氧化锆铁电体薄膜在flashmemory单元的写入和擦除过程如图5所示，由图5可知，其写入和擦除过程直接依赖于铁电体中偶极子的转向，同时氧化锆也是一种高介电常数的氧化物可以隔离栅极和沟道。进一步表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZrO

【技术特征摘要】
1.一种ZrO2强铁电体薄膜的热处理方法，其特征在于，在真空条件下，对ZrO2薄膜进行快速退火处理：退火温度为600~700℃，退火后冷却得ZrO2强铁电体薄膜。


2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述的升温速率为70℃/s，达到退火温度后保持10秒。


3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述的ZrO2薄膜通过磁控溅射沉积的方法得到。


4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述的ZrO2薄膜的厚度为20nm。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王萱，孙中琳，刘尚，刘大铕，
申请(专利权)人：山东华芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37