一种AlScN薄膜的处理方法、改性AlScN薄膜及氮化物铁电体

一种alscn薄膜的处理方法、改性alscn薄膜及氮化物铁电体
技术领域
1.本技术涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种alscn薄膜的处理方法、改性alscn薄膜及氮化物铁电体。


背景技术：

2.铁电材料是一类具有自发极化且其自发极化可以通过施加大于矫顽场的外部电场实现翻转的功能材料，同时兼具有介电性、压电性、热释电性等重要特性，被广泛应用于非易失随机存储器、传感器、驱动器、热释电器件和电光器件中。然而，随着高性能器件的发展需求，器件尺寸的持续微缩是必然趋势。传统钙钛矿型铁电氧化物材料受到临界尺寸效应的限制，在厚度小于100nm时，铁电性能显著衰退，制约了未来器件的小型化和高密度集成化发展。此外，氧化物铁电材料与当今主流cmos工艺兼容性差，异质界面处的氧缺陷和晶格失配产生的应力会导致铁电材料退极化和铁电畴的极化钉扎，严重制约器件性能的提升。
3.近年来，新型氮化物铁电体——alscn的发现，为铁电材料这一家族注入了新的活力。alscn具有较强的机电耦合系数，较高的居里温度、剩余极化强度高达140μc/cm-2
，是传统氧化物铁电材料的3-5倍，在10nm以下仍具有宏观铁电性。alscn除了具有更为优异的铁电性能及压电性能外，与cmos工艺也更为兼容。由于磁控溅射生长工艺简单，生长温度低(小于400摄氏度)、且满足大面积生产的工业需求，目前alscn薄膜多采磁控溅射的方式生长。然而生长过程中sc元素的并入一定程度上降低了aln的晶体质量，导致alscn薄膜具有较大的漏电流，影响对其铁电性的研究与应用。


技术实现要素：

4.鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供降低薄膜漏电流的alscn薄膜的处理方法、改性alscn薄膜及氮化物铁电体。
5.为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
6.本技术目的之一，提供一种alscn薄膜的处理方法，包括下述步骤：
7.在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理。
8.在其中一些实施例中，在进行在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理的步骤之前，还包括下述步骤：
9.将所述alscn薄膜放入管式炉中，用流动的氮气流冲洗管路；再关闭氮气，将所述管式炉抽至真空状态。
10.在其中一些实施例中，在将所述alscn薄膜放入管式炉中，用流动的氮气流冲洗管路的步骤中，所述的氮气流冲洗管路的时间为40分钟以上。
11.在其中一些实施例中，在再关闭氮气，将所述管式炉抽至真空状态的步骤中，所述的管式炉的真空度需在1
×
10-1
pa以下。
12.在其中一些实施例中，在进行在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理的步骤
中，具体包括下述步骤：
13.在环境中通入氮气，将环境温度升温至400℃，对所述alscn薄膜进行热处理，并于400℃保温处理1h。
14.在其中一些实施例中，所述通入氮气的氮气流流量为1l/min。
15.在其中一些实施例中，所述升温的速率为10℃/min。
16.本技术目的之二，提供了一种改性alscn薄膜，由任一项所述的alscn薄膜的处理方法处理得到。
17.本技术目的之三，提供了一种氮化物铁电体，包括所述的改性alscn薄膜。
18.本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：
19.本技术提供的alscn薄膜的处理方法、改性alscn薄膜及氮化物铁电体，在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理，通过在氮气氛围下的热退火处理后的alscn薄膜结晶质量有所提升，漏电流相比于退火之前降低了4个数量级，铁电性能得到明显增强。该方法退火温度低、操作流程简单，具有广阔应用前景，对基于alscn的半导体器件性能提升及大规模应用具有重要意义。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例1提供的alscn薄膜的漏电流-电压曲线图。
22.图2为本技术实施例1提供的alscn薄膜的电滞回线图。
23.图3为本技术实施例1提供的alscn薄膜的极化翻转电流-电压曲线图。
具体实施方式
24.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
28.本实施例提供的一种alscn薄膜的处理方法，包括在氮气氛围下，对alscn薄膜进
行热退火处理。
29.在本实施例中，在进行在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理的步骤之前，还包括下述步骤：将所述alscn薄膜放入管式炉中，用流动的氮气流冲洗管路；再关闭氮气，将所述管式炉抽至真空状态。
30.进一步地，在将所述alscn薄膜放入管式炉中，用流动的氮气流冲洗管路的步骤中，所述的氮气流冲洗管路的时间为40分钟以上，达到尽可能排除管内原有空气及其他杂质的目的。
31.进一步地，在再关闭氮气，将所述管式炉抽至真空状态的步骤中，所述的管式炉的真空度需在1
×
10-1
pa以下，用以减少管式炉中的氧气含量。在本实施例中，在进行在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理的步骤中，具体包括下述步骤：在环境中通入氮气，将环境温度升温至400℃，对所述alscn薄膜进行热处理，并于400℃保温处理1h。
32.可以理解，温度过高或时间过长会增加alscn薄膜的氧化风险，削弱其铁电性能。
33.进一步地，所述通入氮气的氮气流流量为1l/min。
34.进一步地，所述升温的速率为10℃/min。
35.本技术提供的alscn薄膜的处理方法、改性alscn薄膜及氮化物铁电体，在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理，通过在氮气氛围下的热退火处理后的alscn薄膜结晶质量有所提升，漏电流相比于退火之前降低了4个数量级，铁电性能得到明显增强。该方法退火温度低、操作流程简单，具有广阔应用前景，对基于alscn的半导体器件性能提升及大规模应用具有重要意义。
36.以下结合具体实施例对本技术上述技术方案进行详细的说明。
37.实施例
38.s1：将alscn薄膜样品放入管式炉中，用流动的氮气流吹扫管路40分钟，去除管式炉中的空气及杂质；
39.s2：关闭步骤一中的氮气，关闭管式炉进气口出气口阀门，将管式炉抽至真空状态，所述的管式炉的真空度需在1
×
10-1
pa以下；
40.s3：打开管式炉进气口阀门通入氮气，待管式炉中气压上升至1个大气压时，打开出气口阀门，在氮气氛围下，将环境温度升温至400℃，对alscn薄膜进行热退火处理，并于400℃保温处理1h。
41.s4:冷却至室温。请参阅图1，alscn薄膜经过在氮气氛围下的退火处理后，晶格重整，结晶质量提高。漏电流降低了4个数量级。
42.请参阅图2和图3，电滞回线由退火之前漏电严重的椭圆形转变为经典的矩形铁电电滞回线，并在矫顽电压处出现明显的极化翻转电流峰，铁电性能得到改善。
43.可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
44.以上仅为本技术的较佳实施例而已，仅具体描述了本技术的技术原理，这些描述只是为了解释本技术的原理，不能以任何方式解释为对本技术保护范围的限制。基于此处解释，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本技术的其他具体实施方式，均应包含在本技术的
保护范围之内。

技术特征：
1.一种alscn薄膜的处理方法，其特征在于，包括下述步骤：在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理。2.如权利要求1所述的alscn薄膜的处理方法，其特征在于，在进行在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理的步骤之前，还包括下述步骤：将所述alscn薄膜放入管式炉中，用流动的氮气流冲洗管路；再关闭氮气，将所述管式炉抽至真空状态。3.如权利要求2所述的alscn薄膜的处理方法，其特征在于，在将所述alscn薄膜放入管式炉中，用流动的氮气流冲洗管路的步骤中，所述的氮气流冲洗管路的时间为40分钟以上。4.如权利要求2所述的alscn薄膜的处理方法，其特征在于，在关闭氮气，将所述管式炉抽至真空状态的步骤中，所述的管式炉的真空度需在1
×
10-1
pa以下。5.如权利要求1所述的alscn薄膜的处理方法，其特征在于，在进行在氮气氛围下，对alscn薄膜进行热退火处理的步骤中，具体包括下述步骤：在环境中通入氮气，将环境温度升温至400℃，对所述alscn薄膜进行热处理，并于400℃保温处理1h。6.如权利要求5所述的alscn薄膜的处理方法，其特征在于，所述通入氮气的氮气流流量为1l/min。7.如权利要求5所述的alscn薄膜的处理方法，其特征在于，所述升温的速率为10℃/min。8.一种改性alscn薄膜，其特征在于，由权利要求1至7任一项所述的alscn薄膜的处理方法处理得到。9.一种氮化物铁电体，其特征在于，包括权利要求8所述的改性alscn薄膜。

技术总结
本申请提供的AlScN薄膜的处理方法、改性AlScN薄膜及氮化物铁电体，在氮气氛围下，对AlScN薄膜进行热退火处理，通过在氮气氛围下的热退火处理后的AlScN薄膜结晶质量有所提升，漏电流相比于退火之前降低了4个数量级，铁电性能得到明显增强。该方法退火温度低、操作流程简单，具有广阔应用前景，对基于AlScN的半导体器件性能提升及大规模应用具有重要意义。导体器件性能提升及大规模应用具有重要意义。导体器件性能提升及大规模应用具有重要意义。


技术研发人员：刘明睿 孙晓娟 黎大兵 贲建伟 蒋科 吕顺鹏 臧行 贾玉萍
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/15