一种提高HfO2铁电性的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高HfO2铁电性的方法，依次采用磁控溅射系统形成第二个HfO

【技术实现步骤摘要】
一种提高HfO2铁电性的方法


[0001]本专利技术涉及一种提高HfO2铁电性技术，尤其是涉及一种提高HfO2铁电性的方法。

技术介绍

[0002]近年来，作为一种新型的铁电氧化物，HfO2受到越来越多的关注。与传统的钙钛矿铁电材料相比，HfO2具有更小的介电常数和超薄的纳米级厚度。HfO2的铁电性可以在超薄状态下存在，这对集成电路的微缩化非常诱人。同时，众所周知HfO2在微电子工艺中具有广泛的应用，如高k绝缘栅、非易失性存储器等，在此过程中，HfO2形成了与COMS工业工艺的良好兼容性和非常成熟的超薄共形制造技术。因此，在HfO2中观察到的这种新的铁电现象将大大拓宽铁电极化领域的应用范围。
[0003]一般来说，非中心对称的晶体结构是铁电相形成的原因。氧空位缺陷有助于形成非中心对称的晶体结构。然而，具有较多氧空位的HfO2薄膜往往对氧化很敏感，这将导致铁电性能的下降和不稳定。
[0004]传统的增强HfO2铁电性的方法主要有等离子体技术和掺杂技术，如申请号为CN202011325193.X的中国专利中公开的一种通过等离子体技术增强氧化铪(HfO2)基铁电薄膜铁电性能的方法使用的是等离子体技术，申请号为CN201910404597.9的中国专利中公开的一种硅掺杂HfO2基铁电薄膜的制备方法使用的是掺杂技术，申请号为CN201710306626.9的中国专利中公开的一种基于离子注入掺杂的氧化铪铁电栅制备方法综合使用了等离子体技术和掺杂技术。但是，等离子体技术不但需要使用等昂贵复杂的等离子体设备，成本高，并且在通过等离子体设备轰击氧化铪时，会随机对氧化铪自身结构造成破坏，容易导致氧化铪电学性能的不稳定；而掺杂技术会在氧化铪中引入除氧元素和铪元素以外的第三方元素，第三方元素破坏了氧化铪的化学结构，也容易导致电学性能的不稳定。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种成本较低，不会对氧化铪自身结构造成破坏，也不会破坏氧化铪的化学结构，使氧化铪具有稳定电学性能的提高HfO2铁电性的方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种提高HfO2铁电性的方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、制作材料为Si的基底，并采用RCA标准清洗法对基底进行清洗；
[0008]步骤2、在Ar、N2和O2的混合环境下，采用磁控溅射系统溅射Hf靶材，在所述的基底的上表面沉积形成第一个HfO
x
N
y
层，x和y分别表示原子数，其中Ar、N2和O2的体积比Ar：N2：O2＝6:3:1，Hf靶材的材料为纯度在99.99％以上的金属铪，第一个HfO
x
N
y
层的厚度取值大于等于2nm且小于等于5nm；
[0009]步骤3、在氩气和氧气的混合环境下，采用磁控溅射系统溅射Hf靶材，在第一个HfO
x
N
y
层的上表面沉积形成内部处于缺氧状态的HfO2层，其中氩气和氧气的体积比为9:1，
Hf靶材的材料为纯度在99.99％以上的金属铪，所述的HfO2层的厚度取值大于2nm且小于等于10nm，且大于第一个HfO
x
N
y
层的厚度，所述的HfO2层由理想状态配比的HfO2晶体和缺氧状态下的HfO
z
晶体随机分布形成，z表示原子数，其取值小于2，所述的HfO2层中Hf与O的原子数量之比大于1：2；
[0010]步骤4、在Ar、N2和O2的混合环境下，采用磁控溅射系统溅射Hf靶材，在所述的HfO2层的上表面沉积形成第二个HfO
x
N
y
层，其中Ar、N2和O2的体积比Ar：N2：O2＝6:3:1，Hf靶材的材料为纯度在99.99％以上的金属铪，第二个HfO
x
N
y
层的厚度取值大于等于2nm且小于等于5nm，并且第二个HfO
x
N
y
层的厚度小于所述的HfO2层的厚度；
[0011]步骤5、将步骤4得到的产品在400
‑
700℃的N2环境下进行40秒的快速热退火，得到由第二个HfO
x
N
y
层、HfO2层、第一个HfO
x
N
y
层和基体层叠形成的HfO2薄膜结构，在快速热退火过程中，所述的HfO2层中的HfO
z
晶体处生长出铁电相，且生长出的铁电相即使后续HfO
z
晶体充分氧化而转变成理想状态配比的HfO2晶体，该铁电相并不减弱或消失，即所述的HfO2薄膜结构中铁电相稳定存在，具有稳定的铁电性能。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的优点在于通过依次采用磁控溅射系统形成第二个HfO
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层、HfO2层和第一个HfO
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层，HfO2层在高氩低氧混合环境下形成，其内部理想状态配比的HfO2晶体和缺氧状态下的HfO
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晶体随机分布，HfO
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是HfO2的天然氮化物，第二个HfO
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层和第一个HfO
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层与HfO2层能够完美自然连接，不但能够对HfO2层的上表面和下表面进行防护，阻止氧气从HfO2层的上表面和下表面处进入HfO2层内部，避免在快速热退火之前过多氧气进入HfO2层内部使HfO
z
晶体转变为理想状态配比的HfO2晶体，还能够固定HfO2层，降低应力影响，能够对后续铁电相的生成HfO
x
N
y
与HfO2之间的自然连接为后续诱导铁电相生成创造条件，然后通过在400
‑
700℃的N2环境下进行40秒的快速热退火，在快速热退火过程中，HfO2层中的HfO
z
晶体处生长出丰富的铁电相，且生长出的铁电相即使后续HfO
z
晶体充分氧化而转变成理想状态配比的HfO2晶体，该铁电相并不减弱或消失，即HfO2薄膜结构中铁电相稳定存在，具有稳定的铁电性能，此时得到的由第二个HfO
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N
y
层、HfO2层、第一个HfO
x
N
y
层和基体层叠形成的HfO2薄膜结构具有稳定的铁电性能，由此，本专利技术采用价格低廉的磁控溅射系统系统来得到HfO2产品，成本较低，且HfO2层中不但具有丰富且稳定的铁电相，且HfO2层自身结构完整，没有受到破坏，且不存在第三方元素，化学结构也没有被破坏，具有稳定电学性能。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的提高HfO2铁电性的方法得到的HfO
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N
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/HfO2/HfO
x
N
y
样品的透射电子显微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高HfO2铁电性的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、制作材料为Si的基底，并采用RCA标准清洗法对基底进行清洗；步骤2、在Ar、N2和O2的混合环境下，采用磁控溅射系统溅射Hf靶材，在所述的基底的上表面沉积形成第一个HfO
x
N
y
层，x和y分别表示原子数，其中Ar、N2和O2的体积比Ar：N2：O2＝6:3:1，Hf靶材的材料为纯度在99.99％以上的金属铪，第一个HfO
x
N
y
层的厚度取值大于等于2nm且小于等于5nm；步骤3、在氩气和氧气的混合环境下，采用磁控溅射系统溅射Hf靶材，在第一个HfO
x
N
y
层的上表面沉积形成内部处于缺氧状态的HfO2层，其中氩气和氧气的体积比为9:1，Hf靶材的材料为纯度在99.99％以上的金属铪，所述的HfO2层的厚度取值大于2nm且小于等于10nm，且大于第一个HfO
x
N
y
层的厚度，所述的HfO2层由理想状态配比的HfO2晶体和缺氧状态下的HfO
z
晶体随机分布形成，z表示原子数，其取值小于2，所述的HfO2层中Hf与O的原子数量之比大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋然，刘颖巧，孙立莹，陆云龙，黄季甫，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：