[發(fā)明專利]鐵酸鉍/鈦酸鉍疊層結(jié)構(gòu)電容及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710175793.0
• 申請日: 2007-10-12
• 公開（公告）號: CN101136404A
• 公開（公告）日: 2008-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝丹;任天令;臧永圓;劉理天
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H01L27/04
• 分類號: H01L27/04;H01L27/115;H01L21/02;H01L21/822;H01L21/8247
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 廖元秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子新材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及適用于新型高密度存儲器以及集成鐵電器件的鐵酸鉍(BiFeO₃，簡寫為BFO)/鈦酸鉍(Bi_4-xX_xTi₃O₁₂，簡寫為BXT)疊層結(jié)構(gòu)電容的制備方法。

背景技術(shù)

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對存儲器提出了更高的要求，例如：高速度、低功耗、高安全性以及不揮發(fā)等。傳統(tǒng)的SRAM、DRAM、E²PROM、FLASH等存儲器都是以硅為存儲介質(zhì)，由于物理和工藝上的極限，已經(jīng)不能滿足信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步高速發(fā)展。因此，必須尋求和開發(fā)新的存儲介質(zhì)。鐵電材料是一類具有自發(fā)極化特性，并且自發(fā)極化可隨電場進(jìn)行反轉(zhuǎn)并在斷電時(shí)仍可保持的介質(zhì)材料。鐵電存儲器(FeRAM)就是利用這種特性，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非揮發(fā)存儲。目前，國際上用于FeRAM的鐵電材料主要是鋯鈦酸鉛(PZT)，但是PZT的剩余極化強(qiáng)度不是特別高，因此，不利于高密度存儲器的應(yīng)用。隨著集成電路(IC)工藝集成度的不斷提高，存儲單元面積的減小，對極化的要求越來越高，因此，PZT的技術(shù)局限在130納米節(jié)點(diǎn)就反映出來了。

日本東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種鐵酸鉍(BiFeO₃，簡寫為BFO)材料的電容，試驗(yàn)證明其在低溫下具有極高的剩余極化強(qiáng)度，但在室溫下，這種BFO材料具有較大的漏電，從而極大地影響電容性能。因此，研究人員隨后又對其進(jìn)行了摻雜，并開發(fā)出一種摻入錳的BFO材料，并在室溫下獲得了高的剩余極化強(qiáng)度，但現(xiàn)有的BFO材料的電容在室溫下的特性較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種新型的鐵酸鉍/鈦酸鉍疊層結(jié)構(gòu)電容及其制備方法，利用該方法制備出來的鐵電電容具有優(yōu)異的抗疲勞特性、較高的剩余極化強(qiáng)度(Pr)，較低的操作電壓(Vc)，較好的介電特性，并能與CMOS工藝技術(shù)相兼容的特點(diǎn)，且在室溫下能夠正常工作，適用于新型高密度存儲器以及集成鐵電器件。

本發(fā)明的鐵酸鉍/鈦酸鉍疊層結(jié)構(gòu)電容，該電容包括：以硅為襯底，在該襯底上依次結(jié)合有氧化層、下電極金屬層、鐵酸鉍薄膜，以及上電極金屬層；其特征在于，在所述下電極金屬層與鐵酸鉍薄膜之間還結(jié)合有鈦酸鉍誘導(dǎo)層薄膜。

所述的鐵酸鉍的組成為BiFeO₃；所述鈦酸鉍的組成為Bi_4-xX_xTi₃O₁₂，其中的X為稀土元素Nd，La，Sm，Pr，Gd等中的任意一種，所述鈦酸鉍中的X占(X+Bi)總量的摩爾百分?jǐn)?shù)，在0.1<x<1.0的范圍內(nèi)；所述鈦酸鉍中的Bi，相對于所述組成式：Bi_4-xX_xTi₃O₁₂要過量添加，該Bi元素的過剩含量，占Bi、X和Ti元素總量的摩爾百分?jǐn)?shù)為5％<Bi<20％范圍。

所述鈦酸鉍薄膜厚度可為10nm～200nm，所述鐵酸鉍薄膜厚度可為20nm～500nm。

本發(fā)明提出的上述鐵酸鉍/鈦酸鉍疊層電容結(jié)構(gòu)的制備方法，是由鐵酸鉍BFO和鈦酸鉍BXT前驅(qū)體溶膠的制備，以及鐵酸鉍BFO/鈦酸鉍BXT疊層結(jié)構(gòu)電容的制備三部分組成，包括以下步驟：

3)制備所述BXT前驅(qū)體溶膠：

11)將稀土元素的醋酸鹽(市售產(chǎn)品)或硝酸鹽(市售產(chǎn)品)(0.3～5g)溶于乙酸(市售產(chǎn)品)或乙醇胺(市售產(chǎn)品)或乙二醇甲醚(市售產(chǎn)品)中，使其完全溶解成稀土元素的鹽溶液；

12)將己酸鉍(市售產(chǎn)品)或醋酸鉍(市售產(chǎn)品)或硝酸鉍(市售產(chǎn)品)(3～40g)溶于己酸(市售產(chǎn)品)或乙酸(市售產(chǎn)品)使其完全溶解成己酸鉍溶液或乙酸鉍溶液；

13)將稀土元素的醋酸鹽溶液加入己酸鉍溶液或乙酸鉍溶液中，在25～100℃條件下充分?jǐn)嚢?～30分鐘，以形成澄清均勻的稀土元素與鉍的混合溶液；

14)量取異丙醇鈦(市售產(chǎn)品)(1～10g)，徐徐加入上述混合溶液中，在25～100℃條件下充分?jǐn)嚢?0～30分鐘，以形成澄清均勻的BXT溶液；

15)將丙醇或乙醇(市售產(chǎn)品，既可作為溶劑也可作為稀釋劑)加入上述BXT溶液中進(jìn)行稀釋，使BXT溶液的濃度范圍為0.01～0.5mol/l，在25～100℃條件下攪拌10～60分鐘，直至形成均勻、濃度適中的BXT溶液；