铁电薄膜的制备方法及铁电薄膜

1.本技术属于微电子器件技术领域，具体涉及一种铁电薄膜的制备方法及铁电薄膜。


背景技术：

2.近年来，信息产业的飞速发展使得现有的配套系统无法满足数据的指数级增长，微电子器件领域面临着十分严峻的挑战。
3.随着微电子器件不断向便携式、小型化、低功耗的需求发展，其中的功能薄膜材料的尺寸要求同步进行微缩。铁电薄膜因独特物理特性进入了人们的视野，其是一种功能材料，可应用于铁电存储器、压电传感器、温度传感器、非线性光学器件等。制备大面积、厚度薄、可三维集成、性能均一且优异的铁电薄膜是制备高性能器件的基础之一。
4.随着摩尔定律的发展，为了提高器件的集成密度，对于器件结构的研究逐渐由平面开始向三维转化，因此，对于适合复杂三维结构的薄膜沉积方法的开发势在必行。但是现有三维结构的薄膜沉积方法制备的铁电薄膜的厚度均一性差。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种铁电薄膜的制备方法及铁电薄膜以解决铁电薄膜的厚度均一性差的问题。
6.根据本技术实施例的第一方面，提供了一种铁电薄膜的制备方法，该方法可以包括：
7.将衬底置于均匀电场中；
8.于所述衬底上依次沉积第一铁电薄膜、介电层及第二铁电薄膜层。
9.在本技术的一些可选实施例中，所述衬底的热膨胀系数为5*10e-6
～5*10e-5
。
10.在本技术的一些可选实施例中，所述电场包括：直流电场。
11.在本技术的一些可选实施例中，所述电场包括：交流电场。
12.在本技术的一些可选实施例中，所述交流电场的波形为：正弦波、方形波、三角波或锯齿波。
13.在本技术的一些可选实施例中，所述介电层的热膨胀系数为5*10e-6
～5*10e-5
。
14.在本技术的一些可选实施例中，在所述于所述衬底上依次沉积第一铁电薄膜、介电层及第二铁电薄膜层之后，所述铁电薄膜的制备方法还包括：
15.进行300度～600度的原位退火，得到铁电薄膜。
16.在本技术的一些可选实施例中，在所述将衬底置于均匀电场中之前，所述铁电薄膜的制备方法还包括：对所述衬底的环境抽真空，真空度为0.1-0.2torr。
17.在本技术的一些可选实施例中，将所述衬底的环境加热至预设值，所述预设值在100-300℃范围内。
18.根据本技术实施例的第二方面，提供一种铁电薄膜，该铁电薄膜利用第一方面实
施例任一项所述的铁电薄膜的制备方法制备得到的。
19.本技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
20.本技术实施例方法通过施加同步电场调控了衬底表面的势能分布，使得沉积过程中前驱体的吸附和脱附过程不受表面形貌的影响，为制备保形性优异、均一性好的超薄铁电薄膜提供了保障；同时，在电场的作用下，可以调控薄膜内部缺陷的分布以及浓度，消除唤醒效应，提高薄膜的铁电性能和可靠性。
附图说明
21.图1是本技术一示例性实施例中铁电薄膜的制备方法流程图；
22.图2是本技术一示例性实施例中衬底与铁电薄膜的结构示意图；
23.图3是本技术一示例性实施例中ald沉积腔室结构示意图；
24.图4是本技术一示例性实施例中施加电场示意图；
25.图5是本技术示例性实施例的验证结果图。
具体实施方式
26.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本技术的概念。
27.在附图中示出了根据本技术实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
28.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
31.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的铁电薄膜的制备方法进行详细地说明。
32.如图1所示，在本技术实施例的第一方面，提供了一种铁电薄膜的制备方法，该方法可以包括：
33.s110：将衬底置于均匀电场中；
34.s120：于所述衬底上依次沉积第一铁电薄膜、介电层及第二铁电薄膜层。
35.本实施例方法通过施加同步电场调控了衬底表面的势能分布，使得沉积过程中前驱体的吸附和脱附过程不受表面形貌的影响，为制备保形性优异、均一性好的超薄铁电薄
膜提供了保障；同时，在电场的作用下，可以调控薄膜内部缺陷的分布以及浓度，消除唤醒效应，提高薄膜的铁电性能和可靠性。
36.为了更加清楚的描述，下面对于上述步骤分别进行说明：
37.首先是步骤s110：将衬底置于均匀电场中。
38.本实施例中的电场可以是直流电形成的电场，也可以是交流电形成的电场。其中，交流电可以选择不同的波形如正弦波、方形波、三角波或者锯齿波等，也可以在沉积的过程中选择不同的波形相结合，或者直流电与不同波形的交流电相结合。电压的大小取决于薄膜的击穿电场、薄膜厚度、介电常数、以及沉积腔室中上下电极板的距离。优选地，为了各精准地控制每层原子的沉积，不同源脉冲对应的电压波形所有不同。电压施加的时间和源脉冲的沉积程序保持一致。
39.然后是步骤s120：于所述衬底上依次沉积第一铁电薄膜、介电层及第二铁电薄膜层。
40.本步骤中在第一层铁电薄膜沉积完成后，沉积高热膨胀系数介电层，再次进行薄膜的沉积，同时，也可以选择高热膨胀系数顶电极。
41.在步骤s120之后，即待到所有沉积结束后，在ald腔内进行300～600度的原位退火形成晶相。选择不同的介电层材料将会对薄膜产生不同大小的压应力，不同位置的选择将会产生不同方向的压应力。另外，也可以在沉积前选择高热膨胀系数的衬底材料，同样在退火后得到具有应力的薄膜。最后再充气至大气压，打开腔室，取出样品。
42.在步骤s110之前还可以包括ald的调节设置，该调节设置过程可以包括：
43.(1)设置ald中托盘、腔室、各阀门管等个部位的基本温度。待温度稳定后打开腔体，放入待沉积样品。
44.(2)关闭腔室，抽上真空直至适合沉积的真空度，并等待各阀门，托盘、以及腔室温度至预设值。
45.(3)设置ald沉积程序，包括前驱体源泵脉冲幅值和宽度、吹扫时间、源沉积次序以及所需要的循环周期。
46.在本技术的一些可选实施例中，所述衬底的热膨胀系数为5*10e-6
～5*10e-5
。
47.在本技术的一些可选实施例中，所述电场包括：直流电场。
48.在本技术的一些可选实施例中，所述电场包括：交流电场。
49.在本技术的一些可选实施例中，所述交流电场的波形为：正弦波、方形波、三角波或锯齿波。
50.在本技术的一些可选实施例中，所述介电层的热膨胀系数为5*10e-6
～5*10e-5
。
51.在本技术的一些可选实施例中，在所述于所述衬底上依次沉积第一铁电薄膜、介电层及第二铁电薄膜层之后，所述铁电薄膜的制备方法还包括：
52.进行300度～600度的原位退火，得到铁电薄膜。
53.本实施例在原位退火之后，介电层由于其高热膨胀系数，将会对铁电薄膜产生应力，促使非极性相朝极性相发生转变，提高薄膜的性能。当选择高热膨胀系数介电层时，由于介电层中施加的电压较小，能有效地降低电荷陷阱的产生与被击穿的风险，提高薄膜的疲劳性能；介电层阻断了铁电薄膜晶粒的连续生长，降低晶粒尺寸，从而达到细化晶粒的效果。通过晶粒的细化，可以抑制非极性单斜相的生成，提高了薄膜的性能
54.在本技术的一些可选实施例中，在所述将衬底置于均匀电场中之前，所述铁电薄膜的制备方法还包括：对所述衬底的环境抽真空，真空度为0.1-0.2torr。
55.在本技术的一些可选实施例中，将所述衬底的环境加热至预设值，所述预设值在100-300℃范围内。
56.在本身申请一具体实施例中，提供一种铁电薄膜的制备方法，具体包括：
57.将待沉积的洁净衬底放入ald腔室内，衬底结构如图2，ald装备示意图如图3，其中ald沉积腔室的顶部装有银导电盘4，导电盘可以通过铜线连接着电场控制端6，而将腔室3与接地端7相连接，这样处于ald中的样品可认为基本处于均匀电场之中。首先，打开ald的控制电脑设置加热盘、腔室、各阀门、泵管等温度均设置为150℃。并打开真空泵、流量计和加热器。等到温度稳定之后，依次关闭加热器、流量计与真空泵，对loadlock腔室充气至大气压，打开腔室，将待沉积衬底放入ald loadlock腔内，随后关闭腔门。再依次打开真空泵、流量计和加热器，将加热盘温度调至450℃。选择利用四乙基-甲基氨基铪(temahf)和四乙基-甲基氨基锆(temazr)以及水等前驱体通过周期性脉冲通入腔内。首先在衬底表面上沉积一层hfo2，接着再沉积一层高热膨胀系数介电材料(如tio2)，再介电层表面继续沉积zro2，其中hfo2与zro2层比例为1：1，铪源的脉宽度为0.4s/cycle，随后吹扫100s；h2o的脉冲宽度作用时间为0.4s/cycle，随后吹扫120s；之后为锆源的脉冲宽度为0.4s/cycle，随后吹扫100s，h2o的脉冲宽度为0.4s/cycle，随后吹扫120s，如此形成一个周期，以此循环30个周期；保存完毕，由电脑端选择施加方形波交流电，形成电场。其频率为500hz、振幅为250v，作用时间为1.5h，详见图4。沉积完毕，由于沉积完成的材料为非晶结构，因此需在450℃ald腔内进行原位退火，即可得到薄膜厚度为5nm的性能良好的氧化铪基铁电薄膜。为了验证上述实施例的可行性，通过第一性原理对氧化铪材料的四方相和单斜相进行了应力和电场的计算，施加电场大小为1v/a，详情见图5。在外应力和电场的作用下，四方相和单斜相的能量差在不断减小，这使得单斜相能够转变为四方相，随着电场的增大，最终四方相可以转变为铁电正交相。在应力的作用下，可以施加更小的电压，防止氧化铪基铁电薄膜被击穿。
58.本实施例通过同步施加电场调控衬底表面的势能分布，使得原子层沉积过程中前驱体的吸附和脱附过程不受表面形貌的影响，并通过，选择可以形成严重热膨胀系数失配的衬底、介电层或者是顶电极来对薄膜施加应力，不同位置的高热膨胀系数将对薄膜施加方向不一的应力，通过不同大小和方向的应力的调控，从而实现保形性优异、厚度均匀、缺陷可调控、性能优秀且无唤醒效应的三维超薄铁电薄膜的制备。
59.超薄铁电薄膜在ald腔室内沉积的过程中同时对其施加电场作用，包括直流电场，交流电场以及两者分段施加的方式。
60.超薄铁电薄膜在ald腔室内沉积的过程中，电场可以部分时段或者全部时段施加，对于交流电场，其波形包括但不限于正弦波、方形波、三角波、锯齿波等。
61.在沉积过程中，根据前驱体的脉冲周期设置对应的电场周期，使得前驱体源能在衬底表面均匀、自限制、实现原子层级别的吸附。
62.在沉积之前，选择高热膨胀系数衬底，或者在沉积过程中，通过在薄膜上沉积高热膨胀系数介电层(如tio2)，或是顶电极，并在沉积结束后进行300度～600度的原位退火，使得薄膜能够受到应力，实现高压应力铁电薄膜制备。
63.综上，本技术实施例方法通过在沉积过程中施加同步电场调控了衬底表面的势能
分布，使得沉积过程中前驱体的吸附和脱附过程不受表面形貌的影响，为制备保形性优异、均一性好的超薄铁电薄膜提供了保障；同时，在电场的作用下，可以调控薄膜内部缺陷的分布以及浓度，消除唤醒效应，提高薄膜的铁电性能和可靠性；本发明在铁电薄膜之间沉积前后选择了高热膨胀系数材料，其具有以下优势。第一，在原位退火之后，介电层由于其高热膨胀系数，将会对铁电薄膜产生应力，促使非极性相朝极性相发生转变，提高薄膜的性能。第二，当选择高热膨胀系数介电层时，由于介电层中施加的电压较小，能有效地降低电荷陷阱的产生与被击穿的风险，提高薄膜的疲劳性能；第三，介电层阻断了铁电薄膜晶粒的连续生长，降低晶粒尺寸，从而达到细化晶粒的效果。通过晶粒的细化，可以抑制非极性单斜相的生成，提高了薄膜的性能
64.在本技术实施例的第二方面，提供一种铁电薄膜，该铁电薄膜利用第一方面实施例任一项所述的铁电薄膜的制备方法制备得到的。
65.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。