一種高介電氧化鋯薄膜的低溫溶液製備方法與流程

2023-06-16 16:15:36 1

本發明屬於新材料及微電子領域，特別涉及一種高介電氧化鋯薄膜的低溫溶液製備方法，氧化鋯薄膜在電晶體、電容器等微電子領域有重要應用前景。

背景技術：

在微電子領域中，集成電路的發展是一直遵循摩爾定律的發展而發展的。隨著矽基集成電路核心器件金屬-氧化物-場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor， MOSFET)特徵尺寸的不斷縮小，其等效氧化物層的厚度減小到納米數量級別，此時作為傳統的柵介質材料二氧化矽已經接近物理極限，這時由於量子效應導致MOS的隧穿漏電流急劇增大，從而影響了器件的可靠性和穩定性。因此，尋找應用於下一代的MOSFET的高介電常數材料替代傳統的氧化矽成為當前微電子領域研究的熱點和重點。鈦酸鍶，氧化鉭，氧化鋁，氧化鋯和氧化鉿等材料由於其獨特的物理特性引起了研究者們廣泛關注。在這些高介電常數材料中，氧化鋯具有較高的介電常數，較大的禁帶寬度，適中的價帶和導帶偏移，以及與矽基底的良好熱穩定性。因此，氧化鋯可以用來作為取代傳統二氧化矽的一種很好的高介電常數材料。

目前製備氧化鋯薄膜的方法多種多樣，主要包括氣相法和液相法兩大類。例如，磁控濺射、電子束蒸發、原子層沉積及化學氣相沉積等方法都被用來製備氧化鋯薄膜。然而，這些氣相方法通常需要真空環境，增加了設備的複雜及成本的提高。近年來，液相方法日益引起了廣泛的關注和迅速的發展，例如溶膠-凝膠法、噴霧熱解法等。近年來發展的液相法合成氧化鋯薄膜的研究報導有許多。例如，公開號為CN104599947A的中國發明專利公開了一種氧化鋯絕緣薄膜及其製備方法：通過將乙醯丙酮鋯溶於二甲基甲醯胺中，並添加乙醇胺、油酸作為穩定劑混合製成前驅體溶液，通過將前驅體溶液塗覆在襯底上經退火處理製成氧化鋯絕緣薄膜。公開號為CN104009093A的中國發明專利公開了一種高k介電層水性氧化銦薄膜電晶體的製備方法：先將乙醯丙酮鋯溶於二甲基甲醯胺中，同時加入與乙醯丙酮鋯等摩爾量的乙醇胺作為穩定劑形成前驅體溶液；再在清洗後的低阻矽襯底上旋塗前驅體溶液得到樣品，將樣品放到高壓汞燈下進行紫外光照處理得到光退火後的樣品；然後將光退火後的樣品進行退火得到薄膜樣品。公開號為CN101476104B的中國發明專利公開了一種高介電係數鋯矽氧薄膜和製備方法：使用合適配比的ZrO2和SiO2燒結後製成陶瓷靶材，然後使用雷射脈衝沉積方法製備高介電係數鋯矽氧薄膜。由上述發明專利可以看出，雖然液相法可以製備較高性能的氧化鋯薄膜，但液相法通常需要高溫（高於400℃）退火，才能促使前驅體薄膜分解並緻密化，形成緻密無針孔的氧化鋯薄膜。因此，尋找一種新的低溫溶液技術製備技術，對於氧化鋯薄膜在各種領域的大規模應用是極為重要和迫切的。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種高介電氧化鋯薄膜的低溫溶液製備方法，實現氧化鋯的簡易高效製備，更易於大規模生產和應用。本發明的創新點主要在於：發展了新的低溫光波方法高效合成高介電性能的氧化鋯薄膜。

本發明的技術方案，具體包括以下步驟：

(1) 製備前驅體溶液：稱取可溶性的鋯鹽，量取溶劑，配置濃度為0.01-0.5摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過0.1-3小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液；

(2) 製備氧化鋯薄膜：將氧化鋯前驅體溶液塗覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，進行50-150 ℃的預熱處理，然後經過一定功率、時間和溫度的光波退火，根據氧化鋯薄膜的厚度要求可多次塗覆氧化鋯前驅體溶液並退火處理，即得到氧化鋯介電薄膜。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述的可溶性的鋯鹽為硝酸鋯、氯化鋯、氯氧化鋯、硫酸鋯或乙酸鋯中的一種或兩種以上。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述的溶劑為乙二醇甲醚、乙醇、水、乙二醇或二甲基甲醯胺中的一種或兩種以上。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述塗覆方法為旋轉塗覆法、滴塗法、浸塗法、噴霧法或噴墨列印法。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述的光波的生成儀器為用作廚具的光波爐或具有滷素燈管的加熱儀器。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述的光波退火的功率為100-900 W。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述的光波退火的時間為5-120分鐘。

本發明所述製備方法的步驟(1)中，所述的光波退火過程中的溫度為150-300 ℃。

本發明的有益效果是：本發明工藝簡單容易操作，原料廉價易得，所製備的氧化鋯薄膜介電性能高，有望在電晶體、電容器等微電子器件中得到應用。通過本發明的工藝可以避免通常的高溫溶液工藝、工藝周期長或昂貴設備等，成本低，適合工業化大規模生產。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

附圖1為實施例之一的氧化鋯薄膜的電容-頻率曲線；

附圖2是實施例之一的氧化鋯薄膜的漏電流密度-偏壓曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。

實施例1：

稱取0.023 g氯化鋯，量取10毫升乙醇溶液，配置濃度為0.01摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過3小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液。將氧化鋯前驅體溶液塗覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，進行50 ℃的預熱處理，然後經過500W、20分鐘和250 ℃的光波退火，即得到氧化鋯介電薄膜。

實施例2：

稱取1.775 g硫酸鋯，量取10毫升乙二醇甲醚溶液，配置濃度為0.5摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過0.1小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液。將氧化鋯前驅體溶液塗覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，進行150 ℃的預熱處理，然後經過100W、120分鐘和150 ℃的光波退火，即得到氧化鋯介電薄膜。

實施例3：

稱取0.215 g硝酸鋯，量取5毫升水溶液，配置濃度為0.1摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過1小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液。將氧化鋯前驅體溶液塗覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，進行90 ℃的預熱處理，然後經過700W、30分鐘和280 ℃的光波退火，即得到氧化鋯介電薄膜。

實施例4：

稱取0.327 g乙酸鋯，量取20毫升乙二醇溶液，配置濃度為0.05摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過2小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液。將氧化鋯前驅體溶液塗覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，進行120 ℃的預熱處理，然後經過300W、60分鐘和200 ℃的光波退火，即得到氧化鋯介電薄膜。

實施例5：

稱取3.218 g硝酸鋯，量取15毫升二甲基甲醯胺溶液，配置濃度為0.5摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過3小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液。將氧化鋯前驅體溶液塗覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，進行70 ℃的預熱處理，然後經過900W、5分鐘和300 ℃的光波退火，即得到氧化鋯介電薄膜。

上述實施例結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制。所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的對本發明的各種修改或變形，仍在本發明的保護範圍以內。