一种组分可控的ZrOx薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于自旋半导体材料技术领域，具体为一种组分可控的ZrOx薄膜的制备方法。本发明专利技术采用纯度为4N的金属锆作为靶材，通过控制反应气体氧气与工作气体氩气（纯度皆为5N）的流量比（代表性的流量比O2:Ar=(4,6,8):35sccm），来改变制备ZrOx薄膜中氧元素的含量。测试结果表明，随着氧含量的增加，不同组分的ZrOx薄膜发生由顺磁性到铁磁性的转变。具备此特性的ZrOx薄膜具有很高的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自旋半导体材料
，具体涉及一种组分可控的ZrOx薄膜的制备方法。
技术介绍
半导体科学与技术在上世 纪科学技术突破性发展中起关键作用，它促进了材料科学与现代技术的飞速发展，在许多
引起了革命性的变革和突破，极大地推动了科技乃至社会的进步。然而，目前大规模集成电路的尺寸越来越小，传统的微电子工艺已经不能满足现有的对设备集成化不断增长的要求，更不能适应现代信息技术超高速、超高频和超大容量的发展趋势。鉴于此，人们开始关注同时具备磁性及半导体特性的材料一稀磁性半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)。DMS 通常是指在 II-VI 族、IV-VI 族、II-V族、III-V族等化合物半导体中，由3 /过渡族金属或4/稀土金属离子部分地替代非磁性阳离子而形成的一类新型功能材料。稀磁半导体具有多种优异的磁光、磁电性能，使其在高密度非易失性存储器、磁感应器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋电子计算机等领域有着广阔的应用前景，因此引起了人们的极大关注和研究热情。DMS材料的发展历史可追溯到上世纪60年代末，掺杂稀土 Eu2+的岩盐结构化合物及尖晶石结构化合物就作为磁性半导体而被广泛的研究。但这些化合物结构复杂，其单晶的制备和加工极为困难；而其居里温度1在5(^左右甚至更低；因此，这些岩盐结构化合物和尖晶石结构化合物的磁性半导体主要用于基础研究和概念型器件的研究，并不具备实用价值。直到上世纪80年代末，人们在研究磁性多层膜时发现了巨磁阻效应，由此引发了信息存储领域的革命，使得DMS材料逐渐得到人们的重视。随着材料外延技术的发展，分子束外延技术(MBE)的低温非平衡生长工艺使得磁性杂质的含量可以突破溶解度的限制，从而使材料中磁性成分达到DMS对磁性离子浓度的要求。1989年,Munekata等人用该方法成功地生长了 InMnAs薄膜,并且在ρ型InMnAs薄膜中发现了铁磁性。之后，1992年Ohno等人成功制备了具有较高居里转变温度的GaMnAsCTc =IlOJ)，因此一经问世，就受到了各国科研工作者的广泛关注，并由此兴起了一轮对于DMS研究的热潮。DMS研究中关注的一个焦点是体系的磁性来源。由于3 /过渡金属本身以及相关化合物均有可能在制备过程中淀积形成所谓的“第二相”，从而干扰分析其磁性的来源。明确磁性来源的一种方法是进行精细的结构及性能测试分析。另外一种方法是选择非磁性元素掺杂或非掺杂，由于非磁性元素本身以及相关化合物一般没有铁磁性，若体系中观测到室温的铁磁性，则可认为一定是其内禀属性。二氧化锆(ZrO2)薄膜具有诸多优良的物理性质漏电流小、热稳定性好、其化学结构在小于1000 °c时，不管是在真空还是在氮气中都能保持稳定，具有较高的绝缘系数(1(Γ80)、高的折射率、较宽的禁带宽度、对波长范围30(Tll00 nm的光子吸收率很低等等。由于有着其它金属氧化物所不具备的各种优良性质，ZrO2被广泛应用于各种光学薄膜，特别是近几年来在金属氧化物半导体中的应用(尤其用做栅极介质)受到很大的重视，因此对二氧化错薄膜的特性研究有着重大的实用价值。2007年,Ostanin通过理论计算发现，ZrO2在适当的Mn掺杂下，可以得到室温的铁磁性。如果在实验上也能得到室温铁磁性，无疑能在扩展氧化锆在自旋半导体器件中的应用上迈出一大步。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种组分可控的ZrOx薄膜制备方法，并对该ZrOx薄膜的物理性质进行研究。本专利技术提供的组分可控的ZrOx薄膜制备方 法，是利用高真空磁控溅射镀膜系统，采用纯度为4N(99.99 %)的金属锆作为靶材，通过控制反应气体氧气与工作气体氩气的流量比，来改变制备ZrOx薄膜中氧元素的含量。测试结果表明，随着氧含量的增加，ZrOx薄膜发生顺磁性到铁磁性的转变。即控制制备过程中合适的O2氧氩流量比Ar = (4 8) :35sccm,当氧気流量比为02:Ar = (4 6):35 sccm时,获得的ZrOx薄膜的物理性质为顺磁性，当氧氩流量比为O2 = Ar = 6 8:35 sccm时，获得的ZrOx薄膜的物理性质逐步转变为铁磁性。以下具体说明本专利技术的ZrOx薄膜的制备方法、组分的控制以及相应的测试分析手段。本专利技术所采用的金属锆靶纯度为4N。镀膜过程中，采用单晶硅Si(IOO)基片为衬底，背景真空气压均为6. 0父10-611*&1'，工作气体为高纯氩和高纯氧(5199. 999 %)，工作气压为4. 0X10_3 mbar。为确保制备条件的稳定性、可控性,本专利技术在固定如下制备条件室温下，固定金属Zr靶的溅射功率为150 W,背景真空气压为6. OX 10_6 mbar,工作气体为高纯氩与高纯氧(5N)，工作气压为4. O X 10_3 mbar的基础上，仅通过改变氧气流量来调控氧氩流量比O2 = Ar = (4 8):35 sccm (实施例中代表性的氧氩流量比为O2 = Ar = (4、6、8):35sccm),以实现对ZrOx薄膜中氧元素含量的有效控制。从而获得按照设计要求所需的ZrOx薄膜。对按以上方法制备的ZrOx薄膜的成分分析、微结构分析及其磁学特性测试，是分别采用X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)及超导量子干涉测量仪(SQUID)来实现测试的。X射线光电子能谱分析法是利用能量较低的X射线源作为激发源，在与样品表面原子相互作用后，将原子内壳层电子激发电离，通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子，实现分析样品化学成分的一种表面分析技术。其分析元素范围宽，原则上可以分析除氢以外的所有元素；分析深度较浅，大约在表面以下25 100A范围；其绝对灵敏度很高，是一种超微量分析技术。因此，采用该技术对ZrOx薄膜的成分进行分析，可较准确地获得该薄膜样品中锆元素和氧元素百分含量。分析材料的结构特征以及材料的制备条件对结构的影响是获得材料性质的基本途径。利用X射线衍射仪测量实验制备的ZrOx薄膜样品结构，衍射角扫描范围从10.0°到65.0°，扫描速度为2° /!1^11，步长为0.02°。将按设计要求制备的ZrOx薄膜样品，使用超导量子干涉测量仪(SQUID)进行磁学特性的测量。SQUID磁强计，是在很宽的温度磁场范围内高精度测量材料的直流磁化强度和交流磁化强度的系统。附图说明图I是制备态的ZrOx薄膜样品的XRD图谱。其中，m(_lll)表示单斜晶系二氧化锆的(-111)衍射峰；S i (200)为硅衬底的(200 )衍射峰。图2是制备态的ZrCU^膜样品的宽谱XPS图。其中，Zr 4p、Zr 4s,Zr 3d、Zr 3p3/2、Zr 3p1/2、Zr 3s分别表示错的4p、4s、3d、3p3/2、3p1/2、3s各电子态对应的能谱峰,Ols表示氧的Is态对应的能谱峰，O (KLL)表示氧的KLL auger峰。图3是制备态的ZrOx薄膜样品的锆元素XPS结合能谱。其中=Zri表示锆的填隙缺陷对应谱峰，Zr4+3d3/2、Zr4+3d5/2分别表示4+价锆的3d3/2和3d5/2电子态对应的能谱峰，Zr3+、Zr2+分别表示锆的3+价态与2+价态对应的能谱峰。图4是制备态的Zr本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组分可控的ZrOx薄膜的制备方法,？其特征在于利用高真空磁控溅射镀膜系统，采用纯度为4N的金属锆作为靶材，固定如下制备条件：室温，固定金属Zr靶的溅射功率为150？W，背景真空气压为6.0×10？6？mbar，工作气体为高纯氩与高纯氧，工作气压为4.0×10？3？mbar，通过控制反应气体氧气与工作气体氩气的流量比，来改变制备ZrOx薄膜中氧元素的含量，即控制氧氩流量比为O2:Ar？=？(4～8):35？sccm，当氧氩流量比为O2:Ar？=？(4～6):35？sccm时，获得的ZrOx薄膜的物理性质为顺磁性，当氧氩流量比为O2:Ar？=？6～8:35？sccm时，获得的ZrOx薄膜的物理性质逐步转变为铁磁性。

【技术特征摘要】
1.一种组分可控的ZrOx薄膜的制备方法，其特征在于利用高真空磁控溅射镀膜系统，采用纯度为4N的金属锆作为靶材，固定如下制备条件室温，固定金属Zr靶的溅射功率为150 F，背景真空气压为6.0X10_6 mbar，工作气体为高纯氩与高纯氧，工作气压为4.OX 10_3 mbar，通过控制反应气体氧气与工作气体氩气的流量比，来改变制备ZrOx薄膜中氧元素的含量，即控制氧気流量比为O2:Ar = (4 8) :35 sccm,当氧気流量比为O2:Ar...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晶，朱焕锋，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：