在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供一种在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法及其系统，其中，该方法包括：提供HfO2基陶瓷靶材，其中，HfO2基陶瓷靶材含有掺杂元素；提供半导体ZnO衬底；对半导体ZnO衬底进行加热至预设温度，以高能粒子或高能脉冲辐射冲击HfO2基陶瓷靶材，以便将HfO2基陶瓷靶材中的Hf、O及掺杂元素沉积在半导体ZnO衬底上，得到预设厚度的包含Hf、O及掺杂元素的HfO2基铁电薄膜。基铁电薄膜。基铁电薄膜。

【技术实现步骤摘要】
在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法及其系统


[0001]本专利技术涉及铁电材料
，具体涉及一种在在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法及其系统。

技术介绍

[0002]随着信息时代的到来，高速、高可靠的信息存储技术已经成为关乎国防科技和国计民生的核心技术，其中，非易失性存储由于具有静态功耗低、断电信息保留的优势成为了半导体领域中发展的一大热点其中铁电存储器被认为是最具潜力的新一代存储器类型之一。在各种铁电存储器中，基于金属
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铁电体
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绝缘体
‑
半导体(MFIS)堆栈结构的铁电场效应晶体管(FeFET)尤为引人关注。MFIS结构实际上可等效为两个串联电容，铁电层、绝缘层分压大小与其介电常数成反比，而与厚度成正比。若铁电层分压过小，不能使其极化饱和，器件性能会严重受限。由于介电失配问题(铁电层介电常数一般比通用的介电绝缘体大1到2个数量级)，为优化分压关系，使电压尽可能落于铁电体两端，只能增加铁电层厚度。MFIS结构中铁电体厚度通常高达数百纳米，同时伴随着较大的总写入电压，代价极为高昂，并且严重限制了其存储密度，而必须指出的是，FeFET要走向实用化，高存储密度也是必不可少的条件。如何在保证存储窗口的前提下提高FeFET的存储密度，是决定其未来竞争力的关键科学问题之一。
[0003]要解决MFIS型FeFET存储密度不高的难题，一种极具可行的办法是寻找到具有小介电常数的铁电材料以降低介电失配，并设计金属
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铁电体
‑
半导体(MFS)堆栈替代MFIS堆栈。这一结构对于铁电体
‑
半导体界面质量提出了极高的要求，要求二者既要晶格匹配，又要化学匹配。以Hf
0.5
Zr
0.5
O2为代表的HfO2基铁电体是一种全新的铁电材料，不仅具有较小的介电常数(介电常数比常规铁电体约低一个量级)，而且具有优异的可微型化能力，有望使得HfO2基FeFET的存储密度得到极大地提高，在铁电非易失存储领域有着广阔的应用前景。然而，HfO2基铁电薄膜相关工作多基于多晶薄膜体系开展，晶界等缺陷严重降低了HfO2基铁电薄膜的性能，制约了其应用发展。
[0004]因此，需要外延制备单晶HfO2基铁电薄膜，但目前相关技术中，外延单晶HfO2基铁电薄膜，多生长在La
0.7
Sr
0.3
MnO3这一类钙钛矿衬底上，且存在着较大的晶格失配和化学失配，难以制备性能优良的MFS结构器件。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了能够至少部分解决HfO2基铁电单晶材料与半导体的直接外延集成以制备高性能MFS结构器件困难等技术问题，本专利技术提供一种在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法及其系统，以得到高质量的HfO2基铁电单晶薄膜，并使得HfO2基铁电单晶薄膜与半导体之间存在高的晶格匹配和化学匹配，获得高的铁电体
‑
半导体界面质量。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法及其系统，其中，该方法包括：提供HfO2基陶瓷靶材，其中，HfO2基陶瓷靶材含有掺杂元
素；提供半导体ZnO衬底；对半导体ZnO衬底进行加热至预设温度，以高能粒子或高能脉冲辐射冲击HfO2基陶瓷靶材，以便将HfO2基陶瓷靶材中的Hf、O及掺杂元素沉积在半导体ZnO衬底上，得到预设厚度的包含Hf、O及掺杂元素的HfO2基铁电薄膜。
[0007]根据本专利技术的实施例，其中，半导体ZnO衬底包括：ZnO(110)或ZnO(001)。
[0008]根据本专利技术的实施例，其中，掺杂元素包括：Zr、Y或Si。
[0009]根据本专利技术的实施例，其中，以高能粒子或高能脉冲辐射冲击HfO2基陶瓷靶材，以便将HfO2基陶瓷靶材中的Hf、O及掺杂元素沉积在半导体ZnO衬底上的沉积方法包含：磁控溅射沉积、离子束沉积或脉冲激光沉积。
[0010]根据本专利技术的实施例，其中，对半导体ZnO衬底进行加热至预设温度包括：预设温度为500～1000℃。
[0011]根据本专利技术的实施例，其中，以高能粒子或高能脉冲辐射冲击HfO2基陶瓷靶材，以便将HfO2基陶瓷靶材中的Hf、O及掺杂元素沉积在半导体ZnO衬底上时通入氧气的氧增压小于等于0.1Pa。
[0012]根据本专利技术的实施例，其中，预设厚度为1～100nm。
[0013]本专利技术还提供了一种用于上述方法制备的HfO2基铁电薄膜的系统，包括：沉积室，沉积室包括：样品旋转系统、衬底加热及控温系统、靶材，靶材为含有掺杂元素的HfO2基陶瓷靶材；真空系统，真空系统包括管路、真空泵；真空泵包括分子泵、机械泵。
[0014]根据本专利技术的实施例，其中，样品旋转系统，用于置放半导体ZnO衬底并旋转半导体ZnO衬底，以使制备的包含Hf、O及掺杂元素的HfO2基铁电薄膜均一；衬底加热及控温系统，用于将半导体ZnO衬底加热及控制温度至预设温度；靶材，用于为制备包含Hf、O及掺杂元素的HfO2基铁电薄膜提供原料。
[0015]根据本专利技术的实施例，其中，真空系统用于调节沉积室内的工作分压。
[0016]从上述技术方案可以看出，本专利技术提供的一种在半导体ZnO上制备外延薄膜的方法及其系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0017](1)本专利技术提供的一种在在半导体ZnO上制备外延薄膜的方法及其系统，首次实现了在半导体ZnO衬底上外延制备包含Hf、O及掺杂元素的外延薄膜，该方法步骤简单，易于实现大面积生长制备，解决了HfO2基铁电单晶材料与半导体的直接外延集成的难题；
[0018](2)本专利技术提供的一种在在半导体ZnO上制备HfO2基外延薄膜的方法及其系统，将包含Hf、O及掺杂元素的外延薄膜在半导体ZnO衬底上生长，不存在较大的晶格失配和化学失配，能够得到高的铁电体
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半导体界面质量，制备得到性能优良的MFS结构器件，有利于铁电非易失存储器的大规模推广应用。
附图说明
[0019]图1示意性示出了根据本专利技术实施例的在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法流程示意图；
[0020]图2示意性示出了根据本专利技术实施例的在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜方法的系统架构图；
[0021]图3示意性示出了根据本专利技术实施例的在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜样品的X射线谱；
[0022]图4示意性示出了根据本专利技术实施例的基于在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜样品设计的MFS器件及C
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V测试结果图。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。
[0024]图1示意性示出了根据本专利技术实施例的在半导体ZnO上外延制备HfO2基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在半导体ZnO上外延制备HfO2基铁电薄膜的方法，包括：提供HfO2基陶瓷靶材，其中，所述HfO2基陶瓷靶材含有掺杂元素；提供半导体ZnO衬底；对所述半导体ZnO衬底进行加热至预设温度，以高能粒子或高能脉冲辐射冲击所述HfO2基陶瓷靶材，以便将所述HfO2基陶瓷靶材中的Hf、O及所述掺杂元素沉积在所述半导体ZnO衬底上，得到预设厚度的包含所述Hf、所述O及所述掺杂元素的HfO2基铁电薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体ZnO衬底包括：ZnO(110)或ZnO(001)。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述掺杂元素包括：Zr、Y或Si。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述以高能粒子或高能脉冲辐射冲击所述HfO2基陶瓷靶材，以便将所述HfO2基陶瓷靶材中的Hf、O及所述掺杂元素沉积在所述半导体ZnO衬底上的沉积方法，包括：磁控溅射沉积、离子束沉积或脉冲激光沉积。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对所述半导体ZnO衬底进行加热至预设温度包括：所述预设温度为500～1000℃。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：程勇，郑茂源，吴金良，尹志岗，张兴旺，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：