[发明专利]一种TiO2/ZrO2两层堆栈结构高介电常数栅介质薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种具有高介电常数的TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构薄膜及其制备方法，属于微电子领域、电介质材料科学领域和纳米科学技术领域。

技术背景

ZrO₂由于其适合的介电常数(18--25)、禁带宽度(～7.8eV)，良好的化学稳定性，被公认为是最适合替代传统SiO₂的高介电常数栅介质材料。使用高介电常数(k)ZrO₂材料来替代SiO₂，使得在相同的等效厚度下，不仅可以消除隧穿漏电流，而且可以使功耗降低10000倍。然而由于ZrO₂的结晶温度较低，大约为350℃左右，限制了其应用。为了提高结晶温度，抑制薄膜的晶化，国际上开展了大量的研究，大部分都是关于ZrO₂/SiO₂、ZrO₂/Al₂O₃两层堆栈结构。在这些结构中，Si、Al的引入虽都能在一定程度上抑制薄膜的晶化，但是由于容易与Si衬底发生反应，生成一层低介电常数的界面层，从而使得介电常数降低，所以效果并不太理想。寻找新的两层堆栈结构替代传统SiO₂栅介质材料，对提高微电子产品的性能极为重要。

发明内容

本发明的目的是提出一种同时具有高介电常数和较高结晶温度的TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构的栅介质薄膜及其制备方法。

本发明是这样实现的。它以硅片为基片，用磁控溅射技术在其上先沉积一层ZrO₂薄膜，再在其上沉积一层TiO₂薄膜，这样就得到TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构薄膜。将薄膜在O₂中进行退火处理，退火温度为300--500℃，退火30min，其中400±20℃效果最好。

本发明的制备方法是：

1、选用纯度为99.99％的ZrO₂靶和TiO₂靶为溅射靶材，将其分别放置在溅射室内的两个旋转靶台上，分别调节两者的靶基距为4--8cm，将清洗干净的Si片(P型、电阻率为8--13Ω·cm)放在溅射室内的基片台上。

2、将溅射室本底真空抽至2.0--2.5×10^-4Pa，然后通入高纯氩气，通过质量流量计控制氩气的流量为30--70sccm，调节溅射室主阀使溅射室工作气压稳定在0.3--1Pa。

3、采用磁控溅射技术在Si基片上沉积一层ZrO₂薄膜，调节溅射电压与溅射电流，使得溅射功率约为100--150W，溅射时间为3--5min。

4、采用磁控溅射技术在ZrO₂薄膜上面再沉积一层TiO₂薄膜，调节溅射电压与溅射电流，使得溅射功率约为100--150W，溅射时间为3--5min。

5、薄膜沉积全部完成后，将薄膜取出在O₂中进行退火处理，退火温度为300--500℃，退火30min。

本发明与现有技术相比，具有明显的优点，TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构薄膜中，由于Ti的引入，可以在一定程度上抑制薄膜的晶化，如图2和图3所示，当退火温度为500℃时，也看不到明显的衍射峰。同时由于TiO₂的介电常数较大，大约为80左右，从而使得这种结构的薄膜在退火前后都具有较高的介电常数。

附图及说明

图1为用本发明制备的TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构MOS电容器结构示意图；

图2为实施例1制备的TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构薄膜的X射线衍射图谱；

图3为实施例2制备的TiO₂/ZrO₂两层堆栈结构薄膜的X射线衍射图谱；

图4为实施例1的电容测试结果，其中a为未退火时测试曲线，b为在O₂中300℃退火时测试曲线，c为在O₂中400℃退火时测试曲线，d为在O₂中500℃退火时测试曲线；