一種組分可控的ZrOx薄膜的制備方法技術

本發明專利技術屬于自旋半導體材料技術領域，具體為一種組分可控的ZrOx薄膜的制備方法。本發明專利技術采用純度為4N的金屬鋯作為靶材，通過控制反應氣體氧氣與工作氣體氬氣（純度皆為5N）的流量比（代表性的流量比O2:Ar=(4,6,8):35sccm），來改變制備ZrOx薄膜中氧元素的含量。測試結果表明，隨著氧含量的增加，不同組分的ZrOx薄膜發生由順磁性到鐵磁性的轉變。具備此特性的ZrOx薄膜具有很高的潛在應用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于自旋半導體材料
，具體涉及一種組分可控的ZrOx薄膜的制備方法。
技術介紹
半導體科學與技術在上世 紀科學技術突破性發展中起關鍵作用，它促進了材料科學與現代技術的飛速發展，在許多
引起了革命性的變革和突破，極大地推動了科技乃至社會的進步。然而，目前大規模集成電路的尺寸越來越小，傳統的微電子工藝已經不能滿足現有的對設備集成化不斷增長的要求，更不能適應現代信息技術超高速、超高頻和超大容量的發展趨勢。鑒于此，人們開始關注同時具備磁性及半導體特性的材料一稀磁性半導體(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)。DMS 通常是指在 II-VI 族、IV-VI 族、II-V族、III-V族等化合物半導體中，由3 /過渡族金屬或4/稀土金屬離子部分地替代非磁性陽離子而形成的一類新型功能材料。稀磁半導體具有多種優異的磁光、磁電性能，使其在高密度非易失性存儲器、磁感應器、半導體集成電路、半導體激光器和自旋電子計算機等領域有著廣闊的應用前景，因此引起了人們的極大關注和研究熱情。DMS材料的發展歷史可追溯到上世紀60年代末，摻雜稀土 Eu2+的巖鹽結構化合物及尖晶石結構化合物就作為磁性半導體而被廣泛的研究。但這些化合物結構復雜，其單晶的制備和加工極為困難；而其居里溫度1在5(^左右甚至更低；因此，這些巖鹽結構化合物和尖晶石結構化合物的磁性半導體主要用于基礎研究和概念型器件的研究，并不具備實用價值。直到上世紀80年代末，人們在研究磁性多層膜時發現了巨磁阻效應，由此引發了信息存儲領域的革命，使得DMS材料逐漸得到人們的重視。隨著材料外延技術的發展，分子束外延技術(MBE)的低溫非平衡生長工藝使得磁性雜質的含量可以突破溶解度的限制，從而使材料中磁性成分達到DMS對磁性離子濃度的要求。1989年,Munekata等人用該方法成功地生長了 InMnAs薄膜,并且在ρ型InMnAs薄膜中發現了鐵磁性。之后，1992年Ohno等人成功制備了具有較高居里轉變溫度的GaMnAsCTc =IlOJ)，因此一經問世，就受到了各國科研工作者的廣泛關注，并由此興起了一輪對于DMS研究的熱潮。DMS研究中關注的一個焦點是體系的磁性來源。由于3 /過渡金屬本身以及相關化合物均有可能在制備過程中淀積形成所謂的“第二相”，從而干擾分析其磁性的來源。明確磁性來源的一種方法是進行精細的結構及性能測試分析。另外一種方法是選擇非磁性元素摻雜或非摻雜，由于非磁性元素本身以及相關化合物一般沒有鐵磁性，若體系中觀測到室溫的鐵磁性，則可認為一定是其內稟屬性。二氧化鋯(ZrO2)薄膜具有諸多優良的物理性質漏電流小、熱穩定性好、其化學結構在小于1000 °c時，不管是在真空還是在氮氣中都能保持穩定，具有較高的絕緣系數(1(Γ80)、高的折射率、較寬的禁帶寬度、對波長范圍30(Tll00 nm的光子吸收率很低等等。由于有著其它金屬氧化物所不具備的各種優良性質，ZrO2被廣泛應用于各種光學薄膜，特別是近幾年來在金屬氧化物半導體中的應用(尤其用做柵極介質)受到很大的重視，因此對二氧化錯薄膜的特性研究有著重大的實用價值。2007年,Ostanin通過理論計算發現，ZrO2在適當的Mn摻雜下，可以得到室溫的鐵磁性。如果在實驗上也能得到室溫鐵磁性，無疑能在擴展氧化鋯在自旋半導體器件中的應用上邁出一大步。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種組分可控的ZrOx薄膜制備方法，并對該ZrOx薄膜的物理性質進行研究。本專利技術提供的組分可控的ZrOx薄膜制備方 法，是利用高真空磁控濺射鍍膜系統，采用純度為4N(99.99 %)的金屬鋯作為靶材，通過控制反應氣體氧氣與工作氣體氬氣的流量比，來改變制備ZrOx薄膜中氧元素的含量。測試結果表明，隨著氧含量的增加，ZrOx薄膜發生順磁性到鐵磁性的轉變。即控制制備過程中合適的O2氧氬流量比Ar = (4 8) :35sccm,當氧気流量比為02:Ar = (4 6):35 sccm時,獲得的ZrOx薄膜的物理性質為順磁性，當氧氬流量比為O2 = Ar = 6 8:35 sccm時，獲得的ZrOx薄膜的物理性質逐步轉變為鐵磁性。以下具體說明本專利技術的ZrOx薄膜的制備方法、組分的控制以及相應的測試分析手段。本專利技術所采用的金屬鋯靶純度為4N。鍍膜過程中，采用單晶硅Si(IOO)基片為襯底，背景真空氣壓均為6. 0父10-611*&1'，工作氣體為高純氬和高純氧(5199. 999 %)，工作氣壓為4. 0X10_3 mbar。為確保制備條件的穩定性、可控性,本專利技術在固定如下制備條件室溫下，固定金屬Zr靶的濺射功率為150 W,背景真空氣壓為6. OX 10_6 mbar,工作氣體為高純氬與高純氧(5N)，工作氣壓為4. O X 10_3 mbar的基礎上，僅通過改變氧氣流量來調控氧氬流量比O2 = Ar = (4 8):35 sccm (實施例中代表性的氧氬流量比為O2 = Ar = (4、6、8):35sccm),以實現對ZrOx薄膜中氧元素含量的有效控制。從而獲得按照設計要求所需的ZrOx薄膜。對按以上方法制備的ZrOx薄膜的成分分析、微結構分析及其磁學特性測試，是分別采用X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)及超導量子干涉測量儀(SQUID)來實現測試的。X射線光電子能譜分析法是利用能量較低的X射線源作為激發源，在與樣品表面原子相互作用后，將原子內殼層電子激發電離，通過分析樣品發射出來的具有特征能量的電子，實現分析樣品化學成分的一種表面分析技術。其分析元素范圍寬，原則上可以分析除氫以外的所有元素；分析深度較淺，大約在表面以下25 100A范圍；其絕對靈敏度很高，是一種超微量分析技術。因此，采用該技術對ZrOx薄膜的成分進行分析，可較準確地獲得該薄膜樣品中鋯元素和氧元素百分含量。分析材料的結構特征以及材料的制備條件對結構的影響是獲得材料性質的基本途徑。利用X射線衍射儀測量實驗制備的ZrOx薄膜樣品結構，衍射角掃描范圍從10.0°到65.0°，掃描速度為2° /!1^11，步長為0.02°。將按設計要求制備的ZrOx薄膜樣品，使用超導量子干涉測量儀(SQUID)進行磁學特性的測量。SQUID磁強計，是在很寬的溫度磁場范圍內高精度測量材料的直流磁化強度和交流磁化強度的系統。附圖說明圖I是制備態的ZrOx薄膜樣品的XRD圖譜。其中，m(_lll)表示單斜晶系二氧化鋯的(-111)衍射峰；S i (200)為硅襯底的(200 )衍射峰。圖2是制備態的ZrCU^膜樣品的寬譜XPS圖。其中，Zr 4p、Zr 4s,Zr 3d、Zr 3p3/2、Zr 3p1/2、Zr 3s分別表示錯的4p、4s、3d、3p3/2、3p1/2、3s各電子態對應的能譜峰,Ols表示氧的Is態對應的能譜峰，O (KLL)表示氧的KLL auger峰。圖3是制備態的ZrOx薄膜樣品的鋯元素XPS結合能譜。其中=Zri表示鋯的填隙缺陷對應譜峰，Zr4+3d3/2、Zr4+3d5/2分別表示4+價鋯的3d3/2和3d5/2電子態對應的能譜峰，Zr3+、Zr2+分別表示鋯的3+價態與2+價態對應的能譜峰。圖4是制備態的Zr本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種組分可控的ZrOx薄膜的制備方法,？其特征在于利用高真空磁控濺射鍍膜系統，采用純度為4N的金屬鋯作為靶材，固定如下制備條件：室溫，固定金屬Zr靶的濺射功率為150？W，背景真空氣壓為6.0×10？6？mbar，工作氣體為高純氬與高純氧，工作氣壓為4.0×10？3？mbar，通過控制反應氣體氧氣與工作氣體氬氣的流量比，來改變制備ZrOx薄膜中氧元素的含量，即控制氧氬流量比為O2:Ar？=？(4～8):35？sccm，當氧氬流量比為O2:Ar？=？(4～6):35？sccm時，獲得的ZrOx薄膜的物理性質為順磁性，當氧氬流量比為O2:Ar？=？6～8:35？sccm時，獲得的ZrOx薄膜的物理性質逐步轉變為鐵磁性。

【技術特征摘要】
1.一種組分可控的ZrOx薄膜的制備方法，其特征在于利用高真空磁控濺射鍍膜系統，采用純度為4N的金屬鋯作為靶材，固定如下制備條件室溫，固定金屬Zr靶的濺射功率為150 F，背景真空氣壓為6.0X10_6 mbar，工作氣體為高純氬與高純氧，工作氣壓為4.OX 10_3 mbar，通過控制反應氣體氧氣與工作氣體氬氣的流量比，來改變制備ZrOx薄膜中氧元素的含量，即控制氧気流量比為O2:Ar = (4 8) :35 sccm,當氧気流量比為O2:Ar...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李晶，朱煥鋒，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：