一种正交相氧化铪基铁电薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于铁电薄膜技术领域，本发明专利技术提供了一种正交相氧化铪基铁电薄膜及其制备方法，制备方法包括将氧化铪基薄膜顺次经过两次退火，得到正交相氧化铪基铁电薄膜；其中，第一次退火的温度为620～740℃，时间为20～70s；第二次退火的温度为300～450℃，时间为20～70s。本发明专利技术还提供了一种正交相氧化铪基铁电薄膜的应用。本发明专利技术的正交相氧化铪基铁电薄膜中的正交相更加稳定，施加电压时无需唤醒即有较好的剩余极化；本发明专利技术的正交相氧化铪基铁电薄膜具有更好的耐疲劳性能和更小的漏电流。有更好的耐疲劳性能和更小的漏电流。有更好的耐疲劳性能和更小的漏电流。

【技术实现步骤摘要】
一种正交相氧化铪基铁电薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及铁电薄膜
，尤其涉及一种正交相氧化铪基铁电薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]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。掺杂元素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中金属
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氧化物
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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。
[0003]然而，目前制备的氧化铪基铁电薄膜中具有不均匀的氧空位缺陷，剩余极化较小，导致薄膜在使用前需要进行唤醒，唤醒之后才具备存储性能。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，温度高于1720℃时的四方相，温度高于2600℃时的立方相。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，各种制备方法制备的氧化铪基薄膜呈现多相共存的特性，且各相的尺寸为亚十纳米或者几十纳米左右。在电场作用下，氧化铪基薄膜中的氧离子会自由移动，诱使单斜相或四方相转变为正交相/铁电相，导致唤醒效应出现，氧化铪基铁电薄膜的唤醒效应影响了器件的实际应用和产业化发展。
[0004]因此，研究开发一种消除唤醒效应(抑制甚至消除非铁电相)的氧化铪基铁电薄膜，使得氧化铪基器件无需进行唤醒即可使用，将为氧化铪基薄膜的器件带来新的突破。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足提供一种正交相氧化铪基铁电薄膜及其制备方法和应用。本专利技术的正交相氧化铪基铁电薄膜中的正交相更加稳定，施加电压时无需唤醒即有较好的剩余极化；本专利技术的正交相氧化铪基铁电薄膜具有更好的耐疲劳性能和更小的漏电流。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种正交相氧化铪基铁电薄膜的制备方法，将氧化铪基薄膜顺次经过两次退火，得到正交相氧化铪基铁电薄膜；
[0008]其中，第一次退火的温度为620～740℃，时间为20～70s；第二次退火的温度为300～450℃，时间为20～70s。
[0009]作为优选，所述第一次退火的温度为660～720℃，时间为30～50s；所述第二次退火的温度为300～420℃，时间为40～65s。
[0010]作为优选，所述氧化铪基薄膜中还包含掺杂元素锆，当包含掺杂元素锆时，第一次退火的温度为680～720℃，时间为30～35s；第二次退火的温度为300～400℃，时间为55～
65s。
[0011]作为优选，所述氧化铪基薄膜包含半导体材料、金属电极或介质材料。
[0012]作为优选，所述半导体材料包含硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化镓；所述金属电极包含氮化钛、氮化钽、钨、铂、铱或氧化钇；所述介质材料包含氧化铪、氧化锆、氧化硅、氧化铝、氧化镧、氮化铪或氮化硅。
[0013]作为优选，所述氧化铪基薄膜的上表面包含金属电极或介质材料；所述金属电极包含氮化钛、氮化钽、钨、铂、铱或氧化钇；所述介质材料包含氧化铪、氧化锆、氧化硅、氧化铝、氧化镧、氮化铪或氮化硅。
[0014]本专利技术还提供了一种所述的制备方法得到的正交相氧化铪基铁电薄膜，所述正交相氧化铪基铁电薄膜呈结晶状。
[0015]本专利技术还提供了一种所述的正交相氧化铪基铁电薄膜在存储器中的应用。
[0016]本专利技术的有益效果包括以下几点：
[0017]1)本专利技术的制备方法得到的氧化铪基铁电薄膜中的非晶格处的氧离子转移到晶格处，使薄膜中的正交相更加稳定，施加电压时无需唤醒即有较好的剩余极化。
[0018]2)本专利技术的氧化铪基铁电薄膜具有更好的耐疲劳性能和更小的漏电流。
[0019]3)本专利技术的制备方法可实现对常规方法沉积的氧化铪基薄膜的优化，不限制掺杂元素种类和非晶薄膜沉积方法，适用面大大扩宽。
附图说明
[0020]图1为实施例1的正交相氧化铪基铁电薄膜在唤醒之前的P
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V曲线图；
[0021]图2为实施例1的正交相氧化铪基铁电薄膜和对比例1的氧化铪基铁电薄膜中O1s的XPS谱图，其中，400℃对应对比例1，700℃+400℃对应实施例1；
[0022]图3为实施例1的正交相氧化铪基铁电薄膜和对比例1的氧化铪基铁电薄膜的耐疲劳曲线图，其中，w/o对应对比例1，400℃对应实施例1；
[0023]图4为实施例1的正交相氧化铪基铁电薄膜和对比例1的氧化铪基铁电薄膜的漏电流密度
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电压(J
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V)测试结果，其中，w/o对应对比例1，400℃对应实施例1；
[0024]图5为实施例1和实施例2的正交相氧化铪基铁电薄膜电滞回线测试结果图，其中，300℃对应实施例2，400℃对应实施例1；
[0025]图6为实施例1和实施例2的正交相氧化铪基铁电薄膜疲劳性能测试结果图，其中，300℃对应实施例2，400℃对应实施例1。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种正交相氧化铪基铁电薄膜的制备方法，将氧化铪基薄膜顺次经过两次退火，得到正交相氧化铪基铁电薄膜；
[0027]其中，第一次退火的温度为620～740℃，时间为20～70s；第二次退火的温度为300～450℃，时间为20～70s。
[0028]本专利技术所述第一次退火的温度优选为660～720℃，进一步优选为680～700℃；所述第一次退火的时间优选为30～50s，进一步优选为35～45s，更优选为40s；所述第二次退火的温度优选为300～420℃，进一步优选为330～400℃，更优选为350～380℃；所述第二次
退火的时间优选为40～65s，进一步优选为45～60s，更优选为50～55s。
[0029]本专利技术所述氧化铪基薄膜包含纯氧化铪基薄膜和含有其他掺杂元素的氧化铪基薄膜；优选为包含掺杂元素锆，当包含掺杂元素锆时，第一次退火的温度优选为680～720℃，进一步优选为690～710℃，更优选为700℃；第一次退火的时间优选为30～35s，进一步优选为32～34s；第二次退火的温度优选为300～400℃，进一步优选为320～370℃，更优选为340～360℃；第二次退火的时间优选为55～65s，进一步优选为60s。
[0030]本专利技术利用二次退火，提高氧化铪基薄膜中铁电相的稳定性，掺杂锆的氧化铪基薄膜呈现结晶状，二次退火可得到更稳定的正交相的氧化铪基铁电薄膜。
[0031]本专利技术所述氧化铪基薄膜优选包含半导体材料、金属电极或介质材料。
[0032]本专利技术所述半导体材料优选包含硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化镓；所述金属电极优选包含氮化钛、氮化钽、钨、铂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正交相氧化铪基铁电薄膜的制备方法，其特征在于，将氧化铪基薄膜顺次经过两次退火，得到正交相氧化铪基铁电薄膜；其中，第一次退火的温度为620～740℃，时间为20～70s；第二次退火的温度为300～450℃，时间为20～70s。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一次退火的温度为660～720℃，时间为30～50s；所述第二次退火的温度为300～420℃，时间为40～65s。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铪基薄膜中还包含掺杂元素锆，当包含掺杂元素锆时，第一次退火的温度为680～720℃，时间为30～35s；第二次退火的温度为300～400℃，时间为55～65s。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铪基...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭强祥，王泽奇，曾斌建，廖敏，杨琼，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：