本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件及空間技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種HfO₂基鐵電材料的使用方法。

背景技術(shù)：

非易失性存儲(chǔ)器件廣泛應(yīng)用于信息存儲(chǔ)領(lǐng)域(如電腦、手機(jī)中的隨機(jī)存儲(chǔ)器),在食品安全輻照保存、醫(yī)療用品輻射滅菌消毒、輻射化工、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域中，高輻照環(huán)境會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器件造成損傷，最終導(dǎo)致器件失效。因此，為了保證存儲(chǔ)器件在輻射環(huán)境中仍能可靠地完成預(yù)定功能，尋求高速度、低功耗、高抗輻照能力的新型存儲(chǔ)器尤為重要。

鐵電材料是一類具有自發(fā)極化特性，并且自發(fā)極化可隨外電場(chǎng)進(jìn)行反轉(zhuǎn)并在斷電時(shí)仍可保持的介質(zhì)材料。與基于電子電荷來存儲(chǔ)信息的介質(zhì)材料相比，鐵電材料在電磁波和各種射線的輻射下具有更高的穩(wěn)定性。

盡管已知的具有鐵電性的材料超過500種，但是氧化物更受到工業(yè)界的青睞，傳統(tǒng)的常用的鐵電材料有鋯鈦酸鉛(PZT)、鉭酸鍶鉍(SBT)和摻鑭的鉭酸鉍(BLT)。由于食品安全輻照保存、醫(yī)療用品輻射滅菌消毒、輻射化工、航空航天及核工業(yè)這些領(lǐng)域中對(duì)于抗輻照的要求極高，目前均采用PZT、SBT和BLT這類技術(shù)成熟的傳統(tǒng)鐵電材料，但這類傳統(tǒng)材料的抗輻照能力不佳，業(yè)內(nèi)人士一直致力于提升其這方面的性能。

自2011年T.Mikolajick等首次發(fā)現(xiàn)摻雜的HfO₂薄膜具有鐵電性能以來，HfO₂基鐵電材料因制備工藝與CMOS完全兼容、可小型化的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，并基于此被業(yè)內(nèi)追捧。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的問題或不足，本發(fā)明提供了一種HfO₂基鐵電材料的使用方法。

HfO₂基鐵電材料的制備方法如下：

步驟1、在基底上首先沉積TiN薄膜作為底電極；

步驟2、在步驟1得到的TiN薄膜上生長(zhǎng)非晶摻雜的HfO₂薄膜；

步驟3、在步驟2制得的非晶摻雜的HfO₂薄膜上生長(zhǎng)TiN頂電極；

步驟4、采用快速退火RTA技術(shù)，對(duì)步驟3得到的樣品進(jìn)行快速退火處理，得到多晶摻雜的HfO₂鐵電薄膜。

該HfO₂基鐵電材料應(yīng)用于極端工作環(huán)境，如高輻射環(huán)境。

本發(fā)明提供了一種HfO₂基鐵電材料的使用方法，基于HfO₂基鐵電材料具有極強(qiáng)的抗輻照能力，因此可應(yīng)用于極端工作環(huán)境，如高輻射環(huán)境。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備流程圖；

圖2為實(shí)施例在不同劑量輻照后的XRD圖譜；

圖3為實(shí)施例在不同劑量輻照后的I-V特性圖譜；

圖4為實(shí)施例在不同劑量輻照后的C-V特性圖譜；

圖5為實(shí)施例在不同劑量輻照后的電滯回線特性圖譜；

圖6為實(shí)施例在不同劑量輻照后在1.3MV/cm場(chǎng)強(qiáng)下的疲勞特性；

圖7為實(shí)施例在不同劑量輻照后在1.4MV/cm場(chǎng)強(qiáng)下的疲勞特性；

圖8為實(shí)施例在不同劑量輻照后在1.6MV/cm場(chǎng)強(qiáng)下的疲勞特性；

圖9為實(shí)施例在不同劑量輻照后在1.8MV/cm場(chǎng)強(qiáng)下的疲勞特性；

圖10為實(shí)施例在加壓條件下不同劑量輻照后的電滯回線特性圖譜。

具體實(shí)施方式

為了讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

以釔含量為3.8mol.％的高抗輻照鐵電HfO₂薄膜為實(shí)施例對(duì)本發(fā)明中的具體步驟進(jìn)行詳細(xì)描述：

步驟1：采用磁控濺射沉積技術(shù)，在SiO₂/Si基底上首先沉積一層100nm的TiN薄膜作為底電極。

其中，步驟1具體為：取用SiO₂/Si基片，用有機(jī)溶劑和去離子水清洗其表面，除去雜質(zhì)。有機(jī)溶劑包括丙酮和乙醇。依次將硅片浸漬與丙酮、乙醇、去離子水中，并置于超聲清潔儀里超聲清洗各3分鐘，并立即用氮?dú)獯蹈伞?/p>

a、將清潔后的SiO₂/Si基底置于真空腔內(nèi)靶材上方，靶基距固定為55mm，基片溫度升高至300℃；

b、通入99.999％氬氣，控制壓強(qiáng)在0.13Pa，預(yù)濺射5min后開始沉積TiN底電極；

c、生長(zhǎng)結(jié)束后，樣品在真空條件下降至室溫，從真空腔中取出。

步驟2：采用激光脈沖沉積PLD技術(shù)，在步驟1得到的TiN薄膜上生長(zhǎng)20nm釔摻雜的HfO₂薄膜。具體為：

a、將步驟1中取出的樣品置于真空腔內(nèi)靶材上方，靶基距固定為55mm，基片溫度升高至100℃；

b、通入99.999％氧氣，控制氧壓在1Pa，采用波長(zhǎng)為248nm的激光(KrF)燒蝕旋轉(zhuǎn)的靶材表面，激光能量為2.5J/cm²，進(jìn)行HfO₂靶材和氧化釔靶材交換打靶，其中激光打擊HfO₂靶材的脈沖頻率為5Hz，打擊36下；打擊氧化釔靶材的脈沖頻率為2Hz，打擊1下。如此循環(huán)28遍，得到厚度為20nm，釔含量為3.8mol.％的非晶HfO₂薄膜。

步驟3：采用PLD技術(shù)，在步驟2制得的非晶摻釔的HfO₂薄膜上原位生長(zhǎng)30nm的TiN頂電極。具體為：

a、步驟2結(jié)束后，停止通入氧氣，使腔體保持高真空狀態(tài)，將基片溫度于5分鐘由100℃勻速升至200℃；

b、通入99.999％氬氣，氣壓保持在0.5Pa，采用波長(zhǎng)為248nm的激光(KrF)燒蝕旋轉(zhuǎn)的氮化鈦靶材表面，激光能量為4J/cm²，激光脈沖頻率為10Hz，生長(zhǎng)30nm的TiN頂電極；

c、生長(zhǎng)結(jié)束后，樣品在高真空條件自然冷卻下降至室溫，從真空腔中取出。

步驟4：采用快速退火RTA技術(shù)，對(duì)步驟3得到的樣品進(jìn)行快速退火處理，得到多晶的摻釔的HfO₂鐵電薄膜。具體為：

a、將步驟3中取出的樣品置于快速退火爐中，通入99.999％氮?dú)?，氣壓保持?mTorr，30s升溫至600℃，保溫1分鐘，自然冷卻至室溫。取出樣品，得到具有鐵電性的多晶HfO₂薄膜。

對(duì)實(shí)施例制得的HfO₂鐵電材料進(jìn)行輻照測(cè)試，所使用的輻照源為γ-Co⁶⁰：

制得的HfO₂鐵電材料在不同輻照劑量后的XRD測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，制得的HfO₂鐵電材料結(jié)構(gòu)在經(jīng)過10.8Mrad總劑量的輻照過后并沒有發(fā)生明顯的變化，晶相仍然穩(wěn)定在具有鐵電性的正交相，沒有新的雜相生成。說明該材料具有穩(wěn)定的抗輻照性能。

制得的HfO₂鐵電材料在不同輻照劑量后的I-V特性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，該材料的漏電流在經(jīng)過11.88Mrad總劑量的輻照過后并沒有發(fā)生明顯的變化，與輻照前基本一致。

實(shí)施例制得的HfO₂鐵電材料在不同輻照劑量后的C-V特性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，該材料的介電常數(shù)在經(jīng)過10.8Mrad總劑量的輻照過后并沒有發(fā)生明顯的變化，與輻照前基本一致。

實(shí)施例制得的HfO₂鐵電材料在不同輻照劑量后的電滯回線特性測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，該材料的電滯回線在經(jīng)過12.96Mrad總劑量的輻照過后并沒有發(fā)生明顯的變化，與輻照前基本一致。傳統(tǒng)的鐵電材料在如此高的總劑量輻照下電滯回線往往會(huì)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致器件失效。因此與傳統(tǒng)材料比較，HfO₂鐵電材料具有極高的抗輻照性能。

實(shí)施例制得的HfO₂鐵電材料在不同輻照劑量后的疲勞特性測(cè)試結(jié)果如圖6-圖9所示。圖6-圖9中測(cè)試疲勞特性的場(chǎng)強(qiáng)分別為1.3MV/cm、1.4MV/cm、1.6MV/cm、1.8MV/cm。從圖6-圖9可以看出該材料在經(jīng)過10.8Mrad總劑量的輻照過后在不同場(chǎng)強(qiáng)下的疲勞特性較輻照前均未發(fā)生明顯變化，甚至略有改善。這說明HfO₂鐵電材料在輻照的環(huán)境中仍然能夠保持材料的原始特性，不會(huì)受到輻照的影響，這對(duì)于器件的穩(wěn)定性具有重大的意義。

實(shí)施例制得的HfO₂鐵電材料在加壓條件下不同輻照劑量后的電滯回線特性測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，即使是在同時(shí)加壓和輻照的情況下，該材料的電滯回線在經(jīng)過1.26Mrad總劑量的輻照過后并沒有發(fā)生明顯的變化，與輻照前基本一致。說明HfO₂鐵電材料在加壓輻照的環(huán)境下仍然具有良好的抗輻照性能。

通過上述的測(cè)試可以證明，HfO₂鐵電材料具有高抗輻照性能，在輻照環(huán)境下可以保證器件長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行。因此HfO₂鐵電材料可運(yùn)用于核工業(yè)、航天以及核醫(yī)療業(yè)此類高輻射環(huán)境的極端工作環(huán)境。