CN100580953C - 一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料及其合成方法和应用 - Google Patents
一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料及其合成方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
一种SBT-BST异质介电材料及其合成方法和应用。该材料以Si片作衬底，由多层衬底电极和沉积在其上的多层膜组成，多层衬底电极由Si片和依次沉积在Si片的表面上的SiO2、Ti和Pt薄膜组成，多层膜由N个周期的SBT和BST的薄膜交替叠合而成，其中N为3～99。该材料的合成方法：在较低的温度下，用辉光放电等离子体辅助激光蒸发(PLD)技术将SBT和BST的薄膜交替沉积在Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极上。该材料的应用：以该材料作衬底，用标准的IC工艺在衬底的SBT-BST异质介电材料多层膜上制备IC的有源器件MOS管。本发明具有合成温度低，能与标准的IC工艺兼容，用该材料作衬底和以MOS管为有源器件的IC品质高、性能好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料及其合成方法和应用，即涉及一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料及其合成方法和应用，属微电子的技术领域。
背景技术
作为集成电路技术的核心元件-MOS管，已遵循摩尔定律持续发展了四十多年。使用二氧化硅作为MOS管栅极介电层的技术已经历了七个逻辑制程世代。然而，随着MOS管的体积缩小，栅极介电层也变得越来越薄，其厚度已经逐渐达到整个源-漏通道长度的1/45，仅仅只有几个纳米，即几个原子层厚度。这种纳米技术的水准是对栅极设计提出的挑战：将栅极介电层的厚度向下延伸至原子层厚度的量级。栅极介电层变薄，其绝缘品质会降低，漏电流会增大，导致作为开关的MOS管不能完全关断。为了改善这种情况，寻求合适的材料以减少漏电，将成为集成电路技术进化史上最令人关注的技术研发方向。
二氧化硅的缺点在于持续变薄使控制MOS管的漏电流指标变得困难。对一种材料而言，k是介电常数，是衡量该材料储存电荷能力大小的度量。高k指高介电常数。不同材料有不同的储存电荷的能力，好比海绵能吸收很多水分，毛巾吸收得少些，而玻璃则几乎不吸收。空气是此常数的一个参考点，其k值为1。二氧化硅的k值为3.9。高k材料，如HfO2，ZrO2，TiO2及强介电材料的k值大于3.9，这是一种较厚的、在未来几年内极有可能取代现今的二氧化硅的材料。栅极介电层的k值与MOS管的效能有直接关系：k值越高，MOS管的栅极电容也越大，使得作为开关的MOS管能正确地在“开”与“关”两种状态之间互相转换，同时在“关”状态时流过MOS管的电流微小，而在“开”状态时流过MOS管的电流巨大；k值越小，漏电流越大，芯片功耗越大，MOS管和芯片的温度越高，使MOS管和芯片的性能受到影响。一种降低MOS管温度的方法是使用高k栅极介电层来控制MOS管的栅极漏电流。由于高k栅极介电层的厚度可以数倍于二氧化硅栅极介电层的厚度，能降低栅极漏电流达100倍，从而达到降低MOS管温度的效果。
强介电质材料的一个特性是高k介电常数，k值高达几千。强介电质材料是真正意义上的高k材料。用它来取代SiO2，是增大MOS管栅极电容量、减小MOS管的宽长比的有效途径。在诸多强介电材料中，钛酸锶钡被视为最适合取代SiO2的材料。钛酸锶钡材料的缺点是钛酸锶钡材料容易疲劳，即老化，用钛酸锶钡材料作栅极介电层，会极大地影响MOS管和芯片的性能。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提出一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料。为解决以上技术问题，本发明采用以下的技术方案。所述的材料以Si片作衬底，其特征在于，该材料由多层衬底电极和沉积在其上的多层膜组成，多层衬底电极由Si片和依次沉积在Si片的表面上的SiO2、Ti和Pt薄膜组成，多层膜由N个周期的钽酸锶铋和钛酸锶钡的薄膜交替叠合而成，其中N为3～100。
本发明要解决的第二个技术问题是推出一种合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的方法。利用结构与钛酸锶钡相似的、不会疲劳的钽酸锶铋与钛酸锶钡相结合，构成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料。为使上述的技术问题得到解决，本发明采用以下的技术方案。在较低的温度下，用辉光放电等离子体辅助激光蒸发(PLD)技术合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料，并将该合成的材料沉积在Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极上。该方法的优点是能在较低的温度下合成强介电材料，钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料，使该介电材料能与IC工艺兼容和适于作MOS管的栅极介电层。
现详细说明本发明的技术方案。
一种合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：
第一步制备Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极
先在Si衬底上用集成电路工艺热氧化一层SiO2层，经半导体清洗工艺后送入超高真空电子束蒸发仪预真空室，在真空度和温度分别为2×10-6Pa和室温下，用电子束蒸发Ti靶，Ti的纯度为99.9％，在SiO2层上生长Ti层，Ti层的厚度为5～25nm，再用电子束蒸发Pt靶，Pt的纯度为99.99％，在Ti层上生长Pt电极，Pt电极的厚度为50～100nm，在制备过程中，Ti层或Pt电极的厚度由石英晶体振荡监测控制，并利用反射高能电子衍射仪进行实时观察，Ti层或Pt电极沉积速率1～3
/sec，得Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极；
第二步制备钽酸锶铋靶和钛酸锶钡靶
分别取原料SrCO3、Bi2O3、Ta2O5和BaCO3、SrCO3、TiO2粉末，按化学剂量比混合，原料的颗粒度＜2μm，湿法球磨搅拌至混合均匀，烘干、研碎，900～1000℃下预烧，压模成直径为3cm的圆盘，1200～1400℃下烧结，得SrBi2Ta2O9靶和BaxSr1-xTiO3靶，其中，0.1≤x≤0.9；
第三步制备N周期的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料多层膜
本步骤在辉光放电等离子体辅助激光蒸发系统中施行，第二步制备的钽酸锶铋靶和钛酸锶钡靶分别安装在高真空靶室内的两个靶子位上，由转速可调的电机驱动旋转，把第一步制备Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极安装在高真空靶室内的可加热的衬底位上，该衬底电极在由计算机控制的电机的驱动下在二维平面内扫描，该衬底电极与靶子之间的距离为2～15cm可调，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为3～15cm的辉光放电环，沉积钽酸锶铋或钛酸锶钡前，将该衬底电极加热至25～300℃，在该辉光放电环上加上100～700V的电压，沉积钽酸锶铋或钛酸锶钡时，机械泵和分子泵两级抽气先把该高真空靶室内的真空度提高至10-9Torr，再向该高真空靶室通入纯氧保护气体，其流量由流量监测器控制，工作气体压力为5～100Pa，激光器输出的激光束经聚焦后轮流按时入射在可旋转的该靶子上，该靶子受激光照射的时间为5～300s，钽酸锶铋和钛酸锶钡依次沉积在Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极的表面上，钽酸锶铋和钛酸锶钡依次沉积的过程继续进行N-1次，其中N为3～100，得钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料多层膜；
第四步退火，得成品
将第三步制得的多层膜，在400～650℃温度和氧气环境下，退火10～150min，得成品，钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料。
本发明要解决的第三个技术问题是推出一种用钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料作以MOS管为有源器件的IC的衬底的方法。为解决所述的技术问题，本发明采用以下的技术方案：该方法其特征在于，以钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料作衬底，用标准的IC工艺在衬底的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料多层膜上制备IC的有源器件MOS管。该方法有制备工艺与标准的MOS工艺兼容，设备投资低，制成的IC产品品质高、性能好等优点。
本发明的积极效果：
1、本发明的异质介电材料的特性随结构参数可调。由于该异质介电材料具有铁电性、介电性等独特性能，特别适于作高频电容、高容量存储器、高性能声学器件等的原材料。通过改变异质介电材料的厚度，成份，周期数等来实现其性能的改变，用以满足各种不同类型器件对材料的要求。
2、本发明利用辉光放电等离子体辅助激光沉积钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料，合成温度低，能与标准的MOS工艺兼容，使该材料成为一种制备集成电路的新材料。
3、用钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料作籿底和以MOS管为有源器件的IC品质高、性能好：所述的IC中的每一个MOS管，其栅极介电层均为高k值的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料，高k栅极介电层的厚度厚，栅极漏电流小，功耗低，工作温度低。
附图说明
图1是本发明的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料之一的剖面结构示意图，其中1是Si片，2是SiO2薄膜，3是Ti薄膜，4是Pt电极，5是钽酸锶铋薄膜，6是钛酸锶钡薄膜，N＝3。
具体实施方式
所有的实施例都按照发明内容中的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的合成方法的具体操作步骤进行操作。
实施例1：
除了以下不同外，其余均与发明内容中的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的合成方法的具体操作步骤相同。
在第一步中，Ti层的厚度为5nm，Pt电极的厚度为50nm，Ti层或Pt电极沉积速率1
/sec；在第二步中，900℃下预烧，1200℃下烧结，x＝0.1；在第三步中，激光器的型号为Lambda Physik LPX220icc，脉冲频率为5Hz，通过一焦距为45cm的透镜将入射激光按时分别聚焦到钽酸锶铋或钛酸锶钡靶上，该衬底电极与靶子之间的距离为2cm，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为3cm的辉光放电环，将该衬底电极在25℃，在该辉光放电环上加上100V的电压，工作气体压力为5Pa，该靶子受激光照射的时间为5s，钽酸锶铋和钛酸锶钡薄膜依次沉积的过程继续进行2次，其中N为3；在第四步中，在400℃温度下，退火10min。
实施例2：
除了以下不同外，其余均与发明内容中的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的合成方法的操作步骤相同。
在第一步中，Ti层的厚度为15nm，Pt电极的厚度为75nm，Ti层或Pt电极沉积速率2
/sec；在第二步中，950℃下预烧，1300℃下烧结，x＝0.5；在第三步中，激光器的型号为Lambda Physik LPX220icc，脉冲频率为10Hz，通过一焦距为45cm的透镜将入射激光按时分别聚焦到钽酸锶铋或钛酸锶钡靶上，该衬底电极与靶子之间的距离为10cm，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为9cm的辉光放电环，将该衬底电极加热至160℃，在该辉光放电环上加上400V的电压，工作气体压力为55Pa，该靶子受激光照射的时间为155s，钽酸锶铋和钛酸锶钡薄膜依次沉积的过程继续进行49次，其中N为50；在第四步中，在525℃温度下，退火80min。
实施例3：
除了以下不同外，其余均与发明内容中的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的合成方法的操作步骤相同。
在第一步中，Ti层的厚度为25nm，Pt电极的厚度为100nm，Ti层或Pt电极沉积速率3
/sec；在第二步中，1000℃下预烧，1400℃下烧结，x＝0.9；在第三步中，激光器的型号为Lambda Physik LPX220icc，脉冲频率为15Hz，通过一焦距为45cm的透镜将入射激光按时分别聚焦到钽酸锶铋或钛酸锶钡靶上，该衬底电极与靶子之间的距离为15cm，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为15cm的辉光放电环，将该衬底电极加热至300℃，在该辉光放电环上加上700V的电压，工作气体压力为100Pa，该靶子受激光照射的时间为300s，钽酸锶铋和钛酸锶钡薄膜依次沉积的过程继续进行99次，其中N为100；在第四步中，在650℃温度下，退火150min。
Claims (6)
1、一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料，以Si片作衬底，其特征在于，该材料由多层衬底电极和沉积在其上的多层膜组成，多层衬底电极由Si片和依次沉积在Si片的表面上的SiO2、Ti和Pt薄膜组成，多层膜由N个周期的钽酸锶铋和钛酸锶钡交替沉积的薄膜叠合而成，其中N为3～100。
2、一种合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：
第一步制备Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极
先在Si衬底上用集成电路工艺热氧化一层SiO2层，经半导体清洗工艺后送入超高真空电子束蒸发仪预真空室，在真空度和温度分别为2×10-6Pa和室温下，用电子束蒸发Ti靶，Ti的纯度为99.9％，在SiO2层上生长Ti层，Ti层的厚度为5～25nm，再用电子束蒸发Pt靶，Pt的纯度为99.99％，在Ti层上生长Pt电极，Pt电极的厚度为50～100nm，在制备过程中，Ti层或Pt电极的厚度由石英晶体振荡监测控制，并利用反射高能电子衍射仪进行实时观察，Ti层或Pt电极沉积速率1～3
/sec，得Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极；
第二步制备钽酸锶铋靶和钛酸锶钡靶
分别取原料SrCO3、Bi2O3、Ta2O5和BaCO3、SrCO3、TiO2粉末，按化学剂量比混合，原料的颗粒度＜2μm，湿法球磨搅拌至混合均匀，烘干、研碎，900～1000℃下预烧，压模成直径为3cm的圆盘，1200～1400℃下烧结，得SrBi2Ta2O9靶和BaxSr1-xTiO3靶，其中，0.1≤x≤0.9；
第三步制备N周期的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料多层膜
本步骤在辉光放电等离子体辅助激光蒸发系统中施行，第二步制备的钽酸锶铋靶和钛酸锶钡靶分别安装在高真空靶室内的两个靶子位上，由转速可调的电机驱动旋转，把第一步制备Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极安装在高真空靶室内的可加热的衬底位上，该衬底电极在由计算机控制的电机的驱动下在二维平面内扫描，该衬底电极与靶子之间的距离为2～15cm可调，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为3～15cm的辉光放电环，沉积钽酸锶铋或钛酸锶钡前，将该衬底电极加热至25～300℃，在该辉光放电环上加上100～700V的电压，沉积钽酸锶铋或钛酸锶钡时，机械泵和分子泵两级抽气先把该高真空靶室内的真空度提高至10-9Torr，再向该高真空靶室通入纯氧保护气体，其流量由流量监测器控制，工作气体压力为5～100Pa，激光器输出的激光束经聚焦后轮流按时入射在可旋转的该靶子上，该靶子受激光照射的时间为5～300s，钽酸锶铋和钛酸锶钡依次沉积在Pt/Ti/SiO2/Si多层衬底电极的表面上，钽酸锶铋和钛酸锶钡依次沉积的过程继续进行N-1次，其中N为3～100，得钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料多层膜；
第四步退火，得成品
将第三步制得的多层膜，在400～650℃温度和氧气环境下，退火10～150min，得成品，钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料。
3、根据权利要求2所述的合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的方法，其特征在于，在第一步中，Ti层的厚度为5nm，Pt电极的厚度为50nm，Ti层或Pt电极沉积速率1
/sec；在第二步中，900℃下预烧，1200℃下烧结，x＝0.1；在第三步中，激光器的型号为LambdaPhysik LPX220icc，脉冲频率为5Hz，通过一焦距为45cm的透镜将入射激光按时分别聚焦到钽酸锶铋或钛酸锶钡靶上，该衬底电极与靶子之间的距离为2cm，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为3cm的辉光放电环，将该衬底电极在25℃，在该辉光放电环上加上100V的电压，工作气体压力为5Pa，该靶子受激光照射的时间为5s，钽酸锶铋和钛酸锶钡薄膜依次沉积的过程继续进行2次，其中N为3；在第四步中，在400℃温度下，退火10min。
4、根据权利要求2所述的合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的方法，其特征在于，在第一步中，Ti层的厚度为15nm，Pt电极的厚度为75nm，Ti层或Pt电极沉积速率2
/sec；在第二步中，950℃下预烧，1300℃下烧结，x＝0.5；在第三步中，激光器的型号为LambdaPhysik LPX220icc，脉冲频率为10Hz，通过一焦距为45cm的透镜将入射激光按时分别聚焦到钽酸锶铋或钛酸锶钡靶上，该衬底电极处有直径为9cm的辉光放电环，将该衬底电极加热至160℃，在该辉光放电环上加上400V的电压，工作气体压力为55Pa，该靶子受激光照射的时间为155s，钽酸锶铋和钛酸锶钡薄膜依次沉积的过程继续进行49次，其中N为50；在第四步中，在525℃温度下，退火80min。
5、根据权利要求2所述的合成钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料的方法，其特征在于，在第一步中，Ti层的厚度为25nm，Pt电极的厚度为100nm，Ti层或Pt电极沉积速率3/sec；在第二步中，1000℃下预烧，1400℃下烧结，x＝0.9；在第三步中，激光器的型号为Lambda Physik LPX220icc，脉冲频率为15Hz，通过一焦距为45cm的透镜将入射激光按时分别聚焦到钽酸锶铋或钛酸锶钡靶上，该衬底电极与靶子之间的距离为15cm，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为15cm的辉光放电环，将该衬底电极加热至300℃，在该辉光放电环上加上700V的电压，工作气体压力为100Pa，该靶子受激光照射的时间为300s，钽酸锶铋和钛酸锶钡薄膜依次沉积的过程继续进行99次，其中N为100；在第四步中，在650℃温度下，退火150min。
6、一种用权利要求1所述的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料作以MOS管为有源器件的IC的衬底的方法，其特征在于，以钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料作衬底，用标准的IC工艺在衬底的钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料多层膜上制备IC的有源器件MOS管。
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