[發(fā)明專利]一種稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜及其制備方法

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• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN112176315A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設計）人: 門闊;魏峰;沈宇鑫;連紫薇;王國治;金慶喜
• 申請（專利權）人: 有研工程技術研究院有限公司
• 主分類號: C23C16/40
• 分類號: C23C16/40;C23C16/455;C23C16/56;C23C16/02
• 代理公司: 中國有色金屬工業(yè)專利中心 11028
• 代理人: 范威

本發(fā)明公開了一種稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜及其制備方法，所述薄膜中，稀土元素摻雜的比例按原子百分數(shù)計為0.1％～5％，稀土元素為釤、銪、鈥、鈰、釹中的一種或幾種混合物。其制備方法包括：襯底預處理、薄膜的沉積、薄膜的退火處理。本發(fā)明通過控制薄膜厚度、元素摻雜比例、退火工藝等條件可以在室溫下獲得稀土摻雜氧化鉿鐵電薄膜；本發(fā)明的稀土摻雜氧化鉿鐵電薄膜采用原子層沉積工藝制造，成膜質(zhì)量高、摻雜元素比例精確可控、與現(xiàn)行半導體工藝兼容性好。

技術領域

本發(fā)明涉及微電子領域，具體涉及一種稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜及其制備方法。

背景技術

鐵電材料指具有鐵電效應的一類材料，除了具有良好的鐵電性之外，它同時還是壓電性和熱釋電性，在微納米電子技術、光粒子探測、電路與光學集成和微機械電子加工系統(tǒng)等領域中有廣闊的應用前景。高性能的鐵電材料是當前高新科技研究的前沿和特點課題之一。在微電子領域中，氧化鉿已經(jīng)被證明了具有巨大的潛力，氧化鉿基材料的鐵電性通常通過摻雜來獲得，摻雜后的氧化鉿表現(xiàn)出正交晶相，則具有鐵電性。氧化鉿基鐵電材料在存儲器、邏輯電路中均有優(yōu)異的表現(xiàn)，是傳統(tǒng)鈣鈦礦材料的優(yōu)秀替代品，且其對于現(xiàn)行的半導體加工工藝具有良好的兼容性，獲得了研究人員的廣泛關注。

氧化鉿基薄膜的制備方法有許多，目前主要有原子層沉積法、物理氣相沉積法等。其中原子層沉積法具有良好的溝道填充性、獨特的表面自限制生長模式、精確到亞原子層的摻雜比例控制，被認為是未來氧化鉿基薄膜材料制備的優(yōu)秀選擇。現(xiàn)有的氧化鉿基鐵電薄膜材料存在鐵電相穩(wěn)定性差，損耗、疲勞大的問題。因此，尋找合適的材料體系或制備方法成為氧化鉿基鐵電材料進一步發(fā)展的關鍵。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述已有技術存在的不足，本發(fā)明提供一種稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜及其制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。

一種稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜，其特征在于，所述薄膜中，稀土元素摻雜的比例按原子百分數(shù)計為0.1％～5％，所述稀土元素為釤、銪、鈥、鈰、釹中的一種或幾種混合物。

進一步地，稀土元素摻雜的比例按原子百分數(shù)計為0.5％～2％。

一種上述的稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)襯底預處理：襯底先經(jīng)丙酮超聲清洗5min至10min，然后使用無水乙醇超聲5min至10min，去離子水沖洗后，再使用體積比為2:1至4:1的濃硫酸-雙氧水混合溶液在加熱至100℃至130℃之間，浸泡5min至10min，而后用去離子水超聲5min至10min，再以氫氟酸與水的體積比為1:40至1:100的氫氟酸溶液浸泡5min至10min，經(jīng)去離子水沖洗后將襯底進行干燥并進行表面處理；

(2)薄膜的沉積：在經(jīng)步驟(1)預處理好的襯底上沉積稀土摻雜二氧化鉿薄膜；

(3)薄膜的退火處理：將步驟(2)得到的薄膜置于充滿保護氣體的退火爐中進行預熱處理，然后進行退火，隨爐冷卻至室溫，得到晶態(tài)的稀土摻雜二氧化鉿基鐵電薄膜。

進一步地，所述步驟(1)中，所述的襯底為P型硅片；干燥后的襯底進行表面處理方式為氧等離子體轟擊5min。

進一步地，所述步驟(1)中，襯底先經(jīng)丙酮超聲清洗5min，然后使用無水乙醇超聲5min，去離子水沖洗后，再使用體積比為4:1的濃硫酸-雙氧水混合溶液在加熱至125℃，浸泡5min，而后用去離子水超聲5min，再以體積比為1:100的氫氟酸溶液浸泡5min。

進一步地，所述步驟(2)所使用的沉積工藝為原子層沉積，在沉積過程中，通過控制摻雜的稀土元素前驅(qū)體脈沖數(shù)與鉿前驅(qū)體脈沖數(shù)的比例為1：10-1：1來控制摻雜的稀土元素原子百分數(shù)在0.1％至5％之間，薄膜厚度控制在10nm～30nm。