[发明专利]一种高介电系数锆硅氧薄膜和制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于微电子材料领域，具体涉及应用于基于纳米晶可快速读写的高密度非挥发性存储器的(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x薄膜及其制备方法。

背景技术

当前计算机使用的存储系统包括易失性存储器和非易失性存储器。前者多用于计算机系统的内部存储器，在没有电源支持的时候，不能保存数据。而后者在没有电源支持的时候，能够完整保存原来的数据，所以广泛用于电子系统的数据保存，如计算机、数码设备、工控设备等。当前使用的非易失性存储器磁性介质存储器，由于读写过程中磁头与记录介质要发生机械相对移动，因而无法实现快速读写。Flash等电子存储技术无需机械部件，但由于采用较厚的隧穿层，导致其有操作电压高、读写速度相对较慢等缺点。此外还有正在研究中的铁电存储器(FeRAM)、基于自旋电子材料的M-RAM等，它们也因为各自的某些弱点而尚未大量使用。

近半个世纪以来，集成电路的发展基本遵循了G..E.Moore提出的预言：“单个芯片上集成的元件数每十八个月增加一倍”，亦即摩尔定律。当硅基CMOS器件的尺寸逐渐缩小到纳米量级，传统器件越来越走近物理和技术的极限。所以，发展新型的存储技术，设计新型的存储器件，已经成为当前数字技术发展中一个重要的方面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高介电系数锆硅氧薄膜和制备方法，及其在非挥发存储器记忆元件中的应用。

一种高介电系数锆硅氧薄膜，其特征在于该薄膜的化学式为(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x，其中0.2≤x≤0.9，该薄膜在室温下为非晶态，经过高温快速热退火，当0.6＜x≤0.9时，薄膜部分结晶析出ZrO₂纳米晶，当0.2≤x≤0.6时，薄膜保持非晶。

采用脉冲激光沉积方法制备锆硅氧薄膜，简称薄膜，其制备步骤如下：

a)(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4是用ZrO₂、SiO₂粉末混合固相烧结制备的；在将ZrO₂、SiO₂粉末均匀混合后，球磨，然后烧结，冷却后制成(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4，式中X值的范围为0.2≤X≤0.9；

b)将(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4固定在脉冲激光沉积制膜系统的靶台5上，衬底1固定在衬底台8上，他们都放置在脉冲激光沉积制膜系统的生长室6中；

c)用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀7将生长室6抽真空到1.0×10^-4Pa以下；

d)启动准分子激光器2，使激光束通过聚焦透镜3聚焦在(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4上；

e)根据沉积速率以及所需薄膜厚度，确定沉积时间，在衬底1上沉积厚度为15-20nm厚的高介电系数锆硅氧薄膜。

上述步骤a)中ZrO₂、SiO₂粉末以摩尔比x∶1-x均匀混合，球磨12-24小时，在1200-1500℃烧结3-6小时。

上述步骤b)中所述的衬底(1)为硅片。

上述步骤d)中所述的分子激光器(2)为KrF准分子激光器，波长248nm，脉宽度30ns，单脉冲能量300mJ，能量密度为2.0J/cm³。

上述步骤e)中所述的沉积速率为2nm/分钟。

所述的高介电系数锆硅氧薄膜在制备非挥发存储器记忆元件中的应用。

使用高介电系数(ZrO₂)_x(SiO₂)_1-x薄膜制备非挥发存储器记忆元的方法，其制备步骤如下