本發明主要應用于半導體器件領域，具體涉及一種基于離子注入小原子半徑元素摻雜誘導氧化鉿薄膜非鐵電相轉變鐵電相的方法。

背景技術：

1、鐵電材料是具有自發極化、在電場下能夠實現極化翻轉且去掉電場后仍然保持極化狀態的一類功能材料，可以應用于鐵電存儲器，讓其具有讀寫速度快、功耗低、實現非易失性存儲數據的特點。與現代先進制程對應，鐵電材料厚度已至十幾納米甚至幾納米，對于使非鐵電材料向鐵電材料轉變的元素摻雜方式提出了新的挑戰。

2、鐵電薄膜存儲器的存儲能力直接源于鐵電層的滯回特性，鐵電層的矯頑場和剩余極化是影響存儲窗口和電導狀態最重要的因素。為了滿足存儲器所必需的穩定存儲窗口、良好耐久性和高保持時間，鐵電薄膜需要具備一定的剩余極化強度和范圍內可控的漏電流。

3、對于鐵電材料目前一直存在的與cmos工藝集成方面的兼容問題，需要提出一種在cmos工藝中常用但又新型的誘導鐵電相變的摻雜方式，從而精確調控hfo2薄膜材料的鐵電性能。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種基于離子注入小原子半徑元素摻雜方式實現非鐵電相轉變鐵電相的方法，以提供一種誘導氧化鉿非鐵電相轉變為鐵電相進而提升hfo2材料鐵電性能的新途徑。

2、本發明的技術方案是：

3、本發明提出一種小原子半徑元素注入的方式實現非鐵電相轉變鐵電相的方法，用于誘導hfo2、zro2等金屬氧化物非鐵電相轉變鐵電相。其中包括利用不同注入能量、注入劑量的小于氧原子半徑的離子，進行離子注入，使其摻雜到hfo2材料中，誘導產生鐵電相并增大其占比，進而把非鐵電材料轉換成鐵電材料。

4、基本的實現手段是基于小于氧原子半徑的元素對金屬氧化物介電薄膜電容結構進行離子注入，所述電容結構包括依次設置在所述硅襯底上的金屬層、介電薄膜層，以及設置在介電薄膜層上的金屬電極層，在摻雜后得到剩余極化值從無到有的轉變。

5、所述在襯底上的薄膜電容結構設置的第一層金屬層材料包括但不限于tin、tan、w、pt、au、ni、ag、mo；

6、所述在襯底上的薄膜電容結構設置的第二層介電薄膜層為hfo2、zro2；

7、所述在襯底上的薄膜電容結構設置的第三層金屬層材料包括但不限于tin、tan、w、pt、au、ni、ag、mo；

8、進一步地，所述介電薄膜層通過離子注入進行元素摻雜使得金屬氧化物介質薄膜呈現鐵電性，包括但不限于li、be、b、c、n原子半徑小于o的摻雜元素；

9、在一個實施例中，注入能量與劑量、各層的尺寸參數以及摻雜參數滿足：

10、薄膜粗糙度小，薄膜致密度高，漏電流范圍可控，在施加電壓范圍小于鐵電層的飽和電壓、擊穿電壓時，施加的電壓范圍越大，剩余極化值越大，鐵電翻轉所需電場越大，存儲窗口越大。

技術特征：

1.一種誘導氧化鉿薄膜非鐵電相轉變為鐵電相的方法，其主要特征在于使用離子注入的方式對金屬電極與hfo2薄膜構成的mim結構進行小原子半徑元素摻雜，mim結構包括：硅片襯底上生長一層金屬底電極；底電極上生長一層hfo2介電薄膜；還有在介電薄膜層上方生長的頂電極。離子注入摻雜元素包括但不限于li、be、b、c、n原子半徑小于o的摻雜元素。

2.根據權利要求1所述的hfo2薄膜mim結構，其特征在于所述的底電極包括不同材料，不同結構。

3.根據權利要求1所述的hfo2薄膜mim結構，其特征在于所述的頂電極包括不同材料，不同結構。

4.根據權利要求1所述的基于小原子半徑元素摻雜實現非鐵電相轉變鐵電相的方法，其特征在于所述的小原子半徑摻雜方式包括使用離子注入的方法，將不同注入能量、不同注入劑量的包括li、be、b、c、n在內原子半徑小于o的元素注入到hfo2薄膜中，使之成為具有一定剩余極化強度的鐵電材料。

5.根據權利要求1所述的離子注入小原子半徑元素摻雜hfo2薄膜mim結構，其特征在于所述經小原子半徑元素離子注入摻雜后的hfo2鐵電薄膜是指存在自發極化且在撤去電場時保持自發極化，在電場作用下能夠發生翻轉并且鐵電體的極化與電場是非線性關系的不同材料組分，不同結構的鐵電材料。

技術總結
本發明涉及一種基于離子注入小原子半徑元素摻雜誘導氧化鉿薄膜非鐵電相轉變鐵電相的方法，通過利用不同注入能量、注入劑量的小于氧原子半徑的離子，進行離子注入，使其摻雜到HfO2材料中，誘導產生鐵電相并增大其占比，進而把非鐵電材料轉換成鐵電材料。可以使得HfO2薄膜從原來不具有鐵電極化向具有一定剩余極化強度轉變，離子注入摻雜后誘導鐵電相變，在保證一定鐵電極化的情況下漏電流在可控范圍內增大。

技術研發人員：彭強祥,黃星渝,曾斌建,廖敏,楊瓊
受保護的技術使用者：湘潭大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24