一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜，钙稳定氧化锆薄膜是晶粒形貌为柱状的单一相结构钙稳定氧化锆

【技术实现步骤摘要】
一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电容器薄膜
，具体涉及一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜及其制备方法
。

技术介绍

[0002]互补金属氧化物半导体场效应晶体管
(Metal
‑
Oxide
‑
Semiconductor Field
‑
Effect Transistor, MOSFET)
是最重要的电子器件
。
随着摩尔定律的发展，集成电路上的晶体管数量呈指数增加
。
晶体管尺寸的下降，要求栅极介质层二氧化硅厚度变薄，进而导致栅极漏电流急剧增加，出现直接隧穿，栅极失去作用
。
随着 MOSFET 尺寸的减小，传统的二氧化硅已不能满足栅极小型化的要求，需要一些具有更高介电常数的电介质材料来替代二氧化硅，如氧化铪，氧化锆，钛酸锶，锆钛酸铅等介质薄膜材料等
。
电容器的发展趋势是高度集成化
、
高频化和高容量密度
。
传统的表面贴装（
Surface Mounted Technology, SMT
）电容很难和芯片贴近安装，引入寄生电感大，造成 SMT 去耦电容器只能使用在 100MHz 以下
。
而高容量密度的薄膜电容器可以直接嵌入在封装，降低寄生电感，在高频下能起到很好降噪作用
。
此外，在动态随机存取存储器（
Dynamic Random Access Memory, DRAM
）中也会应用到高 K 介质层薄膜，并且直接在单晶硅片上沉积薄膜可以实现半导体工艺的兼容
。
因此，高介电常数薄膜材料的研究具有重要意义
。
[0003]钙稳定氧化锆的化学成分是 Ca
0.15
Zr
0.85
O
1.85
(
简写成：
CSZ)
，即立方结构 ZrO2中 15%
的 Zr
4+
被 Ca
2+
取代形成的固溶体，介电常数约
29
，介质损耗角正切小，温度稳定性高，是一种很有实用价值的高介电常数电介质材料
。
目前， CSZ
薄膜制备方法主要有射频磁控溅射
、
脉冲激光沉积
、
电子束蒸发等，但目前所有制备
CSZ 薄膜使用的衬底为有机材料
、
金属材料，或是添加有
Pt、
镍酸镧材等过渡层材料的硅衬底上，并未发现直接在低电阻率
P
型重掺杂硅上制备单一相结构钙稳定氧化锆的情况
。
[0004]脉冲激光沉积法（
Pulsed Laser Deposition, PLD
）是一种真空物理沉积方法，当一束强的脉冲激光照射到靶材上时，靶表面材料就会被激光所加热，熔化，气化直至变成等离子体，最后烧蚀物输运到衬底上并在衬底上凝聚
、
成核形成薄膜
。PLD
作为一种沉积各种材料高质量薄膜的方法，具有清洁沉积和大面积成膜的优点
。
[0005]目前脉冲激光沉积法（
PLD
）在单晶硅衬底上直接沉积的薄膜材料，通常会因界面扩散导致难做出单一相结构的薄膜，同时由于扩散界面的存在使得薄膜材料的击穿电压降低，漏电流增加，限制了薄膜的使用环境
。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜及其制备方法，可以得到一种高介电常数
、
高温度稳定性
、
高偏压稳定性的单一相结构
CSZ 薄膜
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜，所述薄膜是晶粒微观形貌为柱状的单一相结构钙稳定氧化锆，所述钙稳定氧化锆薄膜制备步骤包括：以
P
型重掺杂硅为衬底，以锆酸钙为靶材，采用脉冲激光沉积法在所述
P
型重掺杂硅上沉积钙稳定氧化锆薄膜，所述沉积条件是激光能量密度为
1.4
‑
1.6J/cm2，氧气压强为
18
‑
22mpa
，衬底温度
550
‑
600℃
，所述靶材和所述衬底的距离为
4.5
‑
5.5cm。
可选的，所述
P
型重掺杂硅的电阻率范围为
0.1
‑
0.001
Ω
.cm。
[0008]可选的，所述锆酸钙是通过固相反应法烧结所得，烧结条件是温度为
1200℃
‑
1300℃
，时间为2‑
4h。
[0009]可选的，所述
P
型重掺杂硅在所述沉积前通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干
。
[0010]本专利技术提供的一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜的应用，所述钙稳定氧化锆薄膜直接沉积于
P
型重掺杂硅表面得到的材料，应用于制备半导体器件
。
[0011]可选的，所述钙稳定氧化锆薄膜直接沉积于
P
型重掺杂硅表面得到的材料，应用于制备
MOS
结构电容器
。
[0012]本专利技术的上述技术方案至少包括以下有益效果：本专利技术提供一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜，其有益效果在于，由图3可知，薄膜显示为单一相结构的多晶 CSZ
，经过检测，
CSZ
薄膜表面致密平整，晶粒形貌为柱状，厚度为
400nm
；在
1MH
下的介电常数为
16.8
；在
‑
55℃
～
+125℃
范围内电容量温度系数（
temperature coefficient of capacitance, TCC
）
≤387.4ppm/℃
；在
40V 偏压内电容量变化
≤1.82%
，所以
CSZ
薄膜是一种高介电常数
、
高温度稳定性
、
高偏压稳定性的介质薄膜
。
[0013]本专利技术还提供了一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜的制备方法，其有益效果在于，烧结制备出的锆酸钙瓷靶，具有较好的结晶度
。
以锆酸钙靶为靶材，以
P
型重掺杂硅为衬底，利用
PLD
制备单一相结构的
CSZ
薄膜，具有高介电常数，提供了一种高介电常数薄膜材料
。
[0014]本专利技术还提供了一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜的应用，其有益效果在于，以
P
型重掺杂硅为衬底沉积
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜，其特征在于，所述钙稳定氧化锆薄膜是晶粒微观形貌为柱状的单一相结构钙稳定氧化锆；所述钙稳定氧化锆薄膜制备步骤包括：以
P
型重掺杂硅为衬底，以锆酸钙为靶材，采用脉冲激光沉积法在所述
P
型重掺杂硅上沉积钙稳定氧化锆薄膜，所述沉积条件是激光能量密度为
1.4
‑
1.6J/cm2，氧气压强为
18
‑
22mpa
，衬底温度
550
‑
600℃
，所述靶材和所述衬底的距离为
4.5
‑
5.5cm。2.
根据权利要求1所述的高介电常数钙稳定氧化锆薄膜，其特征在于，所述
P
型重掺杂硅的电阻率范围为
0.1
‑
0.001
Ω
.cm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁明建，卢振亚，吕明，冯毅龙，
申请(专利权)人：广州天极电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：