一种铁电薄膜的退火方法及装置

技术领域

本发明涉及铁电薄膜退火领域，尤其涉及一种铁电薄膜的退火方法及装置。

背景技术

铁电存储器作为一种新型非易失存储器，具有低功耗、高密度、高速度、抗辐射和非挥发性等优点，尤其符合航天领域对电子设备抗辐射、小型化、低功耗、长寿命等要求，因此被认为具有很大的空间应用潜力。

铁电存储器的两种主要类型为铁电电容型存储器和铁电场效应晶体管型存储器。目前商用的铁电存储器为铁电电容型存储器，但其存在破坏性读取、单元结构复杂等不足。相对铁电电容型存储器而言，铁电场效应晶体管型存储器还具有单元结构简单、存储密度更高和符合超大规模集成电路的按比例缩小定律等更多优点，成为了铁电研究者们关注的焦点。但是，铁电场效应晶体管由于保持性能较差，仍没有得到实用化。理论研究表明，在合适的条件下，铁电场效应晶体管的保持性能达到商用的十年是没有任何问题的。铁电场效应晶体管的保持性能达不到商用要求的原因可能有单元结构的设计不合理、单元结构中各部分所用材料不合适、制备工艺不完善等。

现有技术中，铁电存储器的制备工艺是铁电薄膜制备工艺和CMOS集成电路制备工艺的结合，当前的CMOS集成电路制备工艺是非常成熟的，主要问题在于铁电薄膜制备工艺本身及其与CMOS集成电路制备工艺的兼容性，现有技术中的制备工艺得到的铁电存储器普遍存在电极化的保持性能不佳，导致其实用性差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种铁电薄膜的退火装置，所述退火装置旨在解决铁电场效应晶体管存储器制备工艺中存在的问题，即解决铁电薄膜的制备工艺及其与CMOS集成电路制备工艺的兼容性等问题，以期实现铁电场效应晶体管存储器的实用化。

本发明的第二目的在于提供一种铁电薄膜的退火方法，该方法操作简单，操作条件可控，通过采用本发明的退火方法后可提高与CMOS集成电路制备工艺的兼容性，电极化的保持效果好，实用性能优异。

本发明提供了一种铁电薄膜的退火装置，包括退火腔、电场产生与控制系统、激光产生与控制系统和激光光路系统；

其中，所述电场产生与控制系统用于产生直流电场或交流电场，且控制所述电场的大小和周期；所述激光产生与控制系统用于产生波长可调的激光，并控制激光输出的功率和频率；所述激光光路系统将激光从所述激光产生与控制系统引出，输入进所述退火腔，并投射到置于所述退火腔中的铁电薄膜上，利用激光的热效应，对铁电薄膜进行退火处理；所述退火腔用于为铁电薄膜的退火提供合适的环境；所述电场产生与控制系统从内部引出两组导线，并与所述退火腔内部部件相连接。

优选地，作为进一步可实施的方案，所述退火腔为具有可闭合退火腔门的密闭腔体，所述退火腔的腔体壁上设置有电场线进孔、光路系统进孔、进气阀门和出气阀门，所述退火腔的顶部设置有光路系统固定机构，所述退火腔的底部设置有固定柱、绝缘衬垫、导电衬垫、光学透明电极片以及退火掩模板。

优选地，作为进一步可实施的方案，所述电场线进孔用于布置所述电场产生与控制系统与所述退火腔之间相连接的两组导线，且所述电场线进孔是密闭的；

所述光路系统进孔用于设置所述光路系统从所述退火腔的腔外进入腔内，且所述光路系统进孔是密闭的；

所述光路系统固定机构用于调节并固定所述光路系统位于所述退火腔中部分的空间位置。

优选地，作为进一步可实施的方案，所述进气阀门用于控制退火气氛所用气体的进入；所述出气阀门用于控制所述退火腔腔体内气体的排除；所述固定柱用于固定所述绝缘衬垫、所述导电衬垫、所述光学透明电极片、所述退火掩模板，所述固定柱上设置有旋钮，调节所述旋钮实现所述绝缘衬垫、所述导电衬垫、所述光学透明电极片、所述退火掩模板相对所述固定柱的移动；所述绝缘衬垫用于所述导电衬垫与退火腔底之间的电绝缘，且所述绝缘衬垫上设置有与所述固定柱相适应的固定孔。

优选地，作为进一步可实施的方案，所述导电衬垫置于所述绝缘衬垫之上，所述导电衬垫上设置有与所述固定柱相适应的第一绝缘固定孔，所述第一绝缘固定孔用于使所述固定柱与所述导电衬垫之间的电绝缘，且所述导电衬垫与从所述电场产生与控制系统引出的一组导线实现电连接；

优选地，作为进一步可实施的方案，所述光学透明电极片置于所述导电衬垫之上，所述光学透明电极片用对所述激光产生与控制系统所产生激光透明的导电材料制作，所述光学透明电极片上设置有与所述固定柱相适应的第二绝缘固定孔，所述第二绝缘固定孔用于使所述固定柱与所述光学透明电极片之间的电绝缘，且所述光学透明电极片与从所述电场产生与控制系统引出的另一组导线实现电连接。

优选地，作为进一步可实施的方案，所述退火掩模板用于铁电薄膜的退火掩模，所述退火掩模板用绝缘材料制作，或对所述退火掩模板与所述光学透明电极片相接触的一面进行绝缘处理。

本发明还提供了采用上述退火装置进行的退火方法，包括如下步骤：

将铁电薄膜置于退火腔中，利用激光反复照射铁电薄膜，同时给铁电薄膜施加方向垂直于铁电薄膜平面的电场，所述电场为恒定电场或交变电场、或为所述恒定电场与所述交变电场的组合。

与现有技术相比，本发明的退火方法以及退火装置的有益效果在于：

通过采用本发明提供的退火方法和装置对铁电薄膜进行退火处理之后，提高了铁电薄膜的电极化及其保持性能、以及铁电薄膜制备工艺与CMOS集成电路制备工艺的兼容性，从而提高了其实用性，有助于铁电场效应晶体管存储器的实用化。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的铁电薄膜退火方法的工艺操作图；

图2为本发明实施例提供的铁电薄膜退火装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的退火腔结构示意图；

图4为本发明实施例提供的退火腔内部结构示意图；

图5为本发明实施例提供的绝缘垫片示意图；

图6为本发明实施例提供的导电衬垫示意图；

图7为本发明实施例提供的光学透明电极片示意图；

图8为本发明实施例提供的退火掩模板示意图。

附图标记：

1-退火腔；2-激光光路系统；3-激光产生与控制系统；4-电场产生与控制系统；101-绝缘衬垫；102-导电衬垫；103-光学透明电极片；104-退火掩模板；105-固定柱；106-进气阀门；107-出气阀门；108-退火腔门；109-光路系统进孔；110-电场线进孔；111-光路系统固定机构。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，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。

为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例

本发明实施例提供了一种对铁电薄膜退火的装置，具体结构如图2所示，所述装置包括：退火腔1、电场产生与控制系统4、激光产生与控制系统3和激光光路系统2。

所述电场产生与控制系统4用于产生直流电场或交流电场，且控制所述电场的大小和周期，并从所述电场产生与控制系统4内部引出两组导线，并与所述退火腔1内部部件相连接。

所述激光产生与控制系统3用于产生波长可调的激光，并控制激光输出的功率和频率。所述激光产生与控制系统3通过所述激光光路系统2将激光输出，并输入进所述退火腔1，并投射到置于所述退火腔中的铁电薄膜上，利用激光的热效应，对铁电薄膜进行退火处理。

所述退火腔1用于为铁电薄膜的退火提供合适的环境。

该退火腔1具有可闭合退火腔门108的结构，具体如图3和图4所示。所述退火腔1包括：设置于所述退火腔的腔体壁上的电场线进孔110、光路系统进孔109、进气阀门106和出气阀门107，设置于所述退火腔顶部的光路系统固定机构111，设置于所述退火腔底部的固定柱105、绝缘衬垫101(如图5所示)、导电衬垫102(如图6所示)、光学透明电极片103(如图7所示)、退火掩模板104(如图8所示)。

所述电场线进孔110用于布置所述电场产生与控制系统4与所述退火腔1之间相连接的两组导线，且所述电场线进孔110是密闭的。

所述光路系统进孔109用于设置所述光路系统2从所述退火腔1的腔外进入腔内，且所述光路系统进孔109是密闭的。

所述光路系统固定机构111用于调节并固定所述光路系统2位于所述退火腔1中部分的空间位置。

所述进气阀门106用于控制退火气氛所用气体的进入。

所述出气阀门107用于控制所述退火腔腔体内气体的排除

所述固定柱105用于固定所述绝缘衬垫101、所述导电衬垫102、所述光学透明电极片103、所述退火掩模板104，所述固定柱105上设置有旋钮，调节所述旋钮可实现所述绝缘衬垫101、所述导电衬垫102、所述光学透明电极片103、所述退火掩模板104相对所述固定柱105的移动。

所述绝缘衬垫101用于所述导电衬垫102与退火腔1的底部之间的电绝缘，且所述绝缘衬垫101上设置有与所述固定柱105相适应的固定孔。

所述导电衬垫102置于所述绝缘衬垫101之上，所述导电衬垫102上设置有与所述固定柱105相适应的绝缘固定孔，所述绝缘固定孔用于使所述导电衬垫102与所述固定柱105之间的电绝缘，且所述导电衬垫102与从所述电场产生与控制系统4引出的一组导线实现电连接。

所述光学透明电极片103置于所述导电衬垫之102上，所述光学透明电极片103用对所述激光产生与控制系统所产生激光透明的导电材料制作，所述光学透明电极片103上设置有与所述固定柱105相适应的绝缘固定孔，所述绝缘固定孔用于使所述光学透明电极片103与所述固定柱105之间的电绝缘，且所述光学透明电极片103与从所述电场产生与控制系统4引出的另一组导线实现电连接。

所述退火掩模板104用于铁电薄膜的退火掩模，所述退火掩模板104用绝缘材料制作，或者对所述退火掩模板104与所述光学透明电极片103相接触的一面进行绝缘处理，所述退火掩模板104的具体结构依据所要退火的铁电薄膜而定。

用所述激光产生与控制系统3产生的激光为铁电薄膜退火时，将铁电薄膜置于所述导电衬垫102与所述光学透明电极片103之间，激光通过所述退火掩模板104和所述光学透明电极片103后，照射到铁电薄膜上，利用激光的热效应对铁电薄膜进行退火处理。同时，所述电场产生与控制系统4通过与所述退火腔1中的所述导电衬垫102和所述的光学透明电极片103的电连接，将其产生的电场施加于正在进行退火处理的铁电薄膜之上。

通过采用上述退火装置进行退火操作的过程具体包括：将铁电薄膜置于退火腔的密闭环境中，利用激光以反复照射铁电薄膜，同时给铁电薄膜施加方向垂直于铁电薄膜平面的电场，电场为恒定电场或交变电场、或为所述恒定电场与所述交变电场的组合，具体操作过程可参见图1所示。

利用本发明专利提供的退火方法和装置，在对铁电薄膜进行退火处理时，铁电薄膜处于相对独立的高温状态，避免了炉式退火的高温对基于铁电薄膜的电子功能器件的其它结构部分的影响；同时，退火时通过电场的加入，有助于改善铁电薄膜的性能，如提高铁电薄膜的矫顽场，这将进一步提高铁电极化的保持性能，以期实现铁电场效应晶体管存储器的实用化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。