專利名稱：非晶氧化鑭薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能陶瓷領(lǐng)域，涉及一種氧化鑭薄膜的制備方法，特別是涉及一種非晶氧化鑭薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成元器件在微電子技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，迫切需要一種室溫條件下介電常數(shù)適中，漏電流小，同時(shí)具有較高的擊穿電壓和較小等效柵氧化層厚度的功能材料，非晶氧化鑭薄膜被認(rèn)為是一種很有希望的候選材料。目前國內(nèi)外開展研究較多的高k柵絕緣介質(zhì)材料主要是金屬氧化物，如TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Al2O3,和稀土氧化物Gd2O3, Y2O3, La2O3等，但是，這些材料在高溫退火會(huì)趨向于變成多晶氧化物，由于晶粒邊界導(dǎo)致高的漏電流，從而使器件失效，不能夠滿足儀器的要求。文獻(xiàn)“Y. H. Wu, M. Y. Yang, A. Chin, et al. Electrical Charactcri sties of HighQualityLa2O3 Gate Dielectric with Equivalent Oxide thickness of5人 IEEE ElectronDevice Letters. 2000, 21 341 343”公開了一種采用傳統(tǒng)的薄膜制爸萬法制備了非晶氧化鑭薄膜，雖然得到了合適的介電特性，但所得的漏電流密度( O. 06A/cm2)和擊穿電壓(13. 5MV/cm)還不理想。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的方法制備的非晶氧化鑭薄膜的漏電流密度大、擊穿電壓低的不足，本發(fā)明提供一種非晶氧化鑭薄膜的制備方法。該方法通過控制非晶氧化鑭薄膜的退火時(shí)間和工藝溫度，使得在室溫條件下，可以獲得漏電流密度小、擊穿電壓高的非晶氧化鑭薄膜。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種非晶氧化鑭薄膜的制備方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟(a)將分析純的La2O3作為蒸發(fā)的膜料，P型Si (100)晶向的硅片作為襯底，蒸發(fā)前襯底要徹底清洗，本底真空度小于3X 10_3Pa，蒸發(fā)過程中使用純度均99. 99%的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3. 8 X KT2Pa ；(b)加熱系統(tǒng)將襯底加熱，并將襯底溫度保持在100 300° C ;沉積過程中薄膜厚度使用XTC-2石英晶振測(cè)量儀進(jìn)行控制，蒸發(fā)速率控制在I. 5 3nm/min ;離子輔助束流為 20 30mA ；(c)沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜在600 900° C快速熱處理lmin、5min、IOmin和15min。所述La2O3的純度是99. 99 %。所述襯底的直徑是75mm。所述P型Si (100)的電阻率是2 10 Ω · cm。本發(fā)明的有益效果是由于通過控制非晶氧化鑭薄膜的退火時(shí)間和工藝溫度，使得在室溫條件下，獲得了漏電流密度小、擊穿電壓高的非晶氧化鑭薄膜。所制備的非晶氧化鑭薄膜的漏電流密度由背景技術(shù)的 O. O6A/Cm2降低到 7. 56X10_6A/cm2 ;同時(shí)擊穿電壓由背景技術(shù)的13. 5MV/cm提高到33MV/cm。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。



圖I是本發(fā)明方法四個(gè)實(shí)施例所制備的非晶氧化鑭薄膜在不同退火時(shí)間的X射線衍射圖譜。圖2是本發(fā)明方法四個(gè)實(shí)施例所制備的非晶氧化鑭薄膜在不同退火時(shí)間下的電流隨電壓變化曲線。圖3是本發(fā)明方法四個(gè)實(shí)施例所制備的非晶氧化鑭薄膜在不同退火時(shí)間下的擊穿電壓變化曲線。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例參照?qǐng)DI 3。實(shí)施例1，稱量La2O3 (純度為99. 99% )，采用直徑為75mm，p型(100)晶向的硅片作為襯底。蒸發(fā)前將Si襯底進(jìn)行徹底清洗。蒸發(fā)前本底真空度小于3 X 10_3Pa，蒸發(fā)過程中使用純度為99. 99%的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3. 8X KT2Pa左右。加熱系統(tǒng)將襯底加熱，并將其溫度保持在100° C。由于所要制備的非晶La2O3薄膜的厚度較小，蒸發(fā)之前用電子槍對(duì)膜料充分預(yù)熔，在此過程中，擋板必須關(guān)閉，以免預(yù)熱過程中有蒸發(fā)的膜料分子沉積在襯底上，從而影響沉積過程中薄膜厚度的控制。另外，為了比較精確控制薄膜厚度，沉積過程中薄膜厚度使用XTC-2石英晶振測(cè)量儀進(jìn)行控制，蒸發(fā)速率為I. 5nm/min。離子輔助束流為20mA。蒸發(fā)制備的La2O3薄膜的厚度為6nm、12nm和28nm。為了研究薄膜在不同退火溫度下的結(jié)構(gòu)和性能，取四個(gè)沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜樣品在600° C分別進(jìn)行l(wèi)min、5min、10min 和 15min 的熱處理。用日本理學(xué)公司的全自動(dòng)X射線衍射儀(D/Max2550VB+/PC)在室溫條件下對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試；采用阻抗分析儀和半導(dǎo)體分析儀測(cè)試平臺(tái)對(duì)薄膜的介電性能和I-V特性進(jìn)行了測(cè)試。從圖I可以看出，所制備的La2O3薄膜保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖2(a)可以看出沉積態(tài)時(shí)漏電流密度為4. 5X10_4A/cm2。從圖3 (a)可以看出，沉積態(tài)(未退火)時(shí)薄膜擊穿電壓20V。實(shí)施例2，稱量La2O3 (純度為99. 99%)，采用直徑為75mm，p型(100)晶向的硅片作為襯底。蒸發(fā)前將Si襯底進(jìn)行徹底清洗。蒸發(fā)前本底真空度小于3 X 10_3Pa，蒸發(fā)過程中使用純度為99. 99%的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3. 8X KT2Pa左右。加熱系統(tǒng)將襯底加熱，并將其溫度保持在200° C。由于所要制備的非晶La2O3薄膜的厚度較小，蒸發(fā)之前用電子槍對(duì)膜料充分預(yù)熔，在此過程中，擋板必須關(guān)閉，以免預(yù)熱過程中有蒸發(fā)的膜料分子沉積在襯底上，從而影響沉積過程中薄膜厚度的控制。另外，為了比較精確控制薄膜厚度，沉積過程中薄膜厚度使用XTC-2石英晶振測(cè)量儀進(jìn)行控制，蒸發(fā)速率為2. Onm/min。離子輔助束流為25mA。蒸發(fā)制備的La2O3薄膜的厚度為6nm、12nm和28nm。為了研究薄膜在不同退火溫度下的結(jié)構(gòu)和性能，取四個(gè)沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜樣品在750° C分別進(jìn)行l(wèi)min、5min、10min 和 15min 的熱處理。用日本理學(xué)公司的全自動(dòng)X射線衍射儀(D/Max2550VB+/PC)在室溫條件下對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試；采用阻抗分析儀和半導(dǎo)體分析儀測(cè)試平臺(tái)對(duì)薄膜的介電性能和I-V特性進(jìn)行了測(cè)試。從圖I (b)可以看出，所制備的La2O3薄膜保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖
2(b)可以看出，Imin時(shí)漏電流密度為2. OX l(T5A/cm2。從圖3 (b)可以看出，退火Imin時(shí)薄膜擊穿電壓為30V。實(shí)施例3，稱量La2O3 (純度為99. 99% )，采用直徑為75mm，p型(100)晶向的硅片作為襯底。蒸發(fā)前將Si襯底進(jìn)行徹底清洗。蒸發(fā)前本底真空度小于3 X 10_3Pa，蒸發(fā)過程中使用純度為99. 99%的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3. 8X KT2Pa左右。加熱系統(tǒng)將襯底加熱，并將其溫度保持在250° C。由于所要制備的非晶La2O3薄膜的厚度較小，蒸發(fā)之前用電子槍對(duì)膜料充分預(yù)熔，在此過程中，擋板必須關(guān)閉，以免預(yù)熱過程中有蒸發(fā)的膜料分子沉積在襯底上，從而影響沉積過程中薄膜厚度的控制。另外，為了比較精確控制薄膜厚度， 沉積過程中薄膜厚度使用XTC-2石英晶振測(cè)量儀進(jìn)行控制，蒸發(fā)速率為2. 5nm/min。離子輔助束流為28mA。蒸發(fā)制備的La2O3薄膜的厚度為6nm、12nm和28nm。為了研究薄膜在不同退火溫度下的結(jié)構(gòu)和性能，取四個(gè)沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜樣品在800° C分別進(jìn)行l(wèi)min、5min、10min 和 15min 的熱處理。用日本理學(xué)公司的全自動(dòng)X射線衍射儀(D/Max2550VB+/PC)在室溫條件下對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試；采用阻抗分析儀和半導(dǎo)體分析儀測(cè)試平臺(tái)對(duì)薄膜的介電性能和I-V特性進(jìn)行了測(cè)試。從圖I (C)可以看出，所制備的La2O3薄膜保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖
2(c)可以看出5min時(shí)漏電流密度為7. 56X l(T6A/cm2。從圖3 (c)可以看出退火5min時(shí)薄膜擊穿電壓為39. 6V。實(shí)施例4，稱量La2O3 (純度為99. 99%)，采用直徑為75mm，p型(100)晶向的硅片作為襯底。蒸發(fā)前將Si襯底進(jìn)行徹底清洗。蒸發(fā)前本底真空度小于3 X 10_3Pa，蒸發(fā)過程中使用純度為99. 99%的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3. 8X KT2Pa左右。加熱系統(tǒng)將襯底加熱，并將其溫度保持在300° C。由于所要制備的非晶La2O3薄膜的厚度較小，蒸發(fā)之前用電子槍對(duì)膜料充分預(yù)熔，在此過程中，擋板必須關(guān)閉，以免預(yù)熱過程中有蒸發(fā)的膜料分子沉積在襯底上，從而影響沉積過程中薄膜厚度的控制。另外，為了比較精確控制薄膜厚度，沉積過程中薄膜厚度使用XTC-2石英晶振測(cè)量儀進(jìn)行控制，蒸發(fā)速率為3. Onm/min。離子輔助束流為30mA。蒸發(fā)制備的La2O3薄膜的厚度為6nm、12nm和28nm。為了研究薄膜在不同退火溫度下的結(jié)構(gòu)和性能，取四個(gè)沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜樣品在900° C分別進(jìn)行l(wèi)min、5min、10min 和 15min 的熱處理。用日本理學(xué)公司的全自動(dòng)X射線衍射儀(D/Max2550VB+/PC)在室溫條件下對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試；采用阻抗分析儀和半導(dǎo)體分析儀測(cè)試平臺(tái)對(duì)薄膜的介電性能和I-V特性進(jìn)行了測(cè)試。從圖1(d)可以看出，所制備的La2O3薄膜保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖2
(d)可以看出15min時(shí)漏電流密度為8. 2X 10_2A/cm2。從圖3 (d)可以看出表示退火IOmin時(shí)薄膜擊穿電壓為10. 4V。本發(fā)明通過傳統(tǒng)的薄膜制備工藝制備了非晶氧化鑭薄膜，經(jīng)過優(yōu)化工藝和合適的溫度控制，薄膜在適當(dāng)?shù)耐嘶饤l件下，保持較低的漏電流密度( 7. 56X 10_6A/cm2)和較高的擊穿場強(qiáng)( 33MV/cm，有薄膜厚度和擊穿電壓關(guān)系可得)。因此本發(fā)明的非晶氧化鑭薄膜滿足了存儲(chǔ)器和集成元件的使用要求，其配方及制備方法適合工業(yè)化推廣和大批量生產(chǎn) 。
權(quán)利要求
1.一種非晶氧化鑭薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟 Ca)將分析純的La2O3作為蒸發(fā)的膜料，P型Si (100)晶向的硅片作為襯底，蒸發(fā)前襯底要徹底清洗，本底真空度小于3X 10_3Pa，蒸發(fā)過程中使用純度均99. 99%的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3. 8 X KT2Pa ； (b)加熱系統(tǒng)將襯底加熱，并將襯底溫度保持在100 300°C ;沉積過程中薄膜厚度使用XTC-2石英晶振測(cè)量儀進(jìn)行控制，蒸發(fā)速率控制在I. 5 3nm/min ;離子輔助束流為20 30mA ； (c)沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜在600 900°C快速熱處理lmin、5min、IOmin和15min。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶氧化鑭薄膜的制備方法，其特征在于所述La2O3的純度是 99. 99%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶氧化鑭薄膜的制備方法，其特征在于所述襯底的直徑是 75mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶氧化鑭薄膜的制備方法，其特征在于所述P型Si(100)的電阻率是2 10Ω · cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非晶氧化鑭薄膜的制備方法，用于解決現(xiàn)有方法制備非晶氧化鑭薄膜的漏電流密度大、擊穿電壓低的技術(shù)問題。技術(shù)方案是將La2O3作為蒸發(fā)的膜料，p型Si(100)作為襯底；襯底清洗后，于真空室中用加熱系統(tǒng)對(duì)襯底進(jìn)行加熱蒸發(fā)，使其溫度保持在100～300°C；蒸發(fā)速率控制在1.5～3nm/min；離子輔助束流為20～30mA；真空室中真空度小于3×10-3Pa，蒸發(fā)過程中，使用純度99.99％的Ar2作為工作氣體、真空度保持在3.8×10-2Pa；沉積態(tài)的非晶La2O3薄膜在600～900°C快速熱處理1min、5min、10min和15min，得到非晶氧化鑭薄膜。由于通過優(yōu)化非晶氧化鑭薄膜的配方和工藝，獲得漏電流密度小、介電常數(shù)高的非晶氧化鑭薄膜。所制備的非晶氧化鑭薄膜的漏電流密度由背景技術(shù)的～10-6A/cm2降低到～6.5×10-7A/cm2。
文檔編號(hào)C23C14/58GK102864412SQ201210318980
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者樊慧慶, 楊陳, 李強(qiáng) 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)