[發(fā)明專利]一種采用脈沖激光分子束外延制備HfO2薄膜的方法

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• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110295348A
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發(fā)明（設計）人: 李濤
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: C23C14/28
• 分類號: C23C14/28;C23C14/08;C23C14/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種采用脈沖激光分子束外延制備HfO₂基薄膜的方法，屬于材料制備技術領域。以YSZ為襯底，首先對襯底進行清洗和退火處理，充分除去襯底的內應力和表面有機物；然后以金屬鉿和摻雜元素為靶材，在超真空狀態(tài)下，采用脈沖激光分子束外延法在襯底表面生長HfO₂基薄膜；之后對生長好的薄膜進行原位退火處理，得到穩(wěn)定的HfO₂基薄膜。本發(fā)明采用脈沖激光沉積和分子束外延聯(lián)用，并結合反射高能電子衍射儀實時監(jiān)控，通過對氧壓、激光能量、襯底溫度和退火溫度進行優(yōu)化，實現(xiàn)薄膜原子尺度外延生長的精確控制，具有純度高、層狀結構可控的優(yōu)點，同時為相應的激光與物質相互作用和成膜過程的基礎研究提供思路。

技術領域

本發(fā)明屬于材料制備技術領域，尤其涉及一種采用脈沖激光分子束外延 制備HfO₂基薄膜的方法。

背景技術

隨著微電子集成電路產品不斷向高性能和高密度方向發(fā)展，晶體管結構 的特征尺寸不斷減小，當特征尺寸進入0.1μm以下范圍時，傳統(tǒng)的二氧化硅 (SiO₂)柵介質層的厚度接近2nm的“物理極限”，電子直接隧穿效應導致柵極漏 電流急劇增大，從而使器件面臨嚴重的穩(wěn)定性和可靠性問題。近年來，二氧 化鉿(HfO₂)薄膜以其較高的相對介電常數(shù)、較大的禁帶寬度(5.8eV)、較好的熱 穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、與標準半導體集成工藝兼容等優(yōu)點，已廣泛應用于微 處理器和動態(tài)隨機存儲器(DRAM)的大規(guī)模工業(yè)化生產。

目前，HfO₂薄膜的制備方法主要有磁控濺射、脈沖激光沉積、化學氣相 法沉積等。其中，磁控濺射是將具有一定能量的正離子轟擊靶材表面，使原 子分子從固體表面飛濺出來成為氣體，最終在基片上沉積為膜，因其沉積原 子動能高，具有薄膜與基片結合好，致密性好、成膜均勻性好的優(yōu)點，但濺 射氧化物絕緣體靶材時，濺射物容易覆蓋陽極，導致輝光放電所需電壓無法 維持；脈沖激光沉積是將具有一定能量的激光束照射到靶材上，使其局部溫 度迅速升高，熔融氣化為氣態(tài)原子，從而在基片上沉積為膜，可以保證膜成 分與靶材成分高度一致，成膜質量和薄膜純度高，但無法精確控制膜厚，難 以制備原子層尺度的超薄型薄膜；化學氣相法沉積是將待成膜物質的揮發(fā)性 化合物氣化后，在基板上發(fā)生分解、還原、氧化、置換等反應，形成所需薄 膜物質，并沉積在基板上，反應副產物以氣態(tài)形式被導走，沉積速率快，但 難以制備高精度超薄型薄膜，薄膜均勻度和純度低。

針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，急需提供一種高效的HfO₂基薄膜的制備 方法，實現(xiàn)高純度、厚度可控的超薄型薄膜的制備。

發(fā)明內容

針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種采用脈沖激光分子束外 延制備HfO₂基薄膜的方法，采用脈沖激光沉積和分子束外延聯(lián)用，并結合反 射高能電子衍射儀實時監(jiān)控，可實現(xiàn)薄膜原子尺度外延生長的精確控制，還 適用于HfO₂基薄膜的多元素摻雜，復雜層狀結構可控，同時還能進行相應的 激光與物質相互作用和成膜過程的基礎研究。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案實現(xiàn)：

一種采用脈沖激光分子束外延制備HfO₂基薄膜的方法，其特征在于，包 括以下步驟：

S1.對YSZ襯底進行清洗和拋光處理，然后將清洗后的YSZ襯底放入管 式爐中在1150-1250℃下退火2-3h。

S2.將步驟S1退火處理后的YSZ襯底放入生長室，在超高真空狀態(tài)下， 采用脈沖激光束轟擊金屬鉿靶和摻雜劑靶，靶材熔融氣化形成氣態(tài)原子在一 定溫度的YSZ襯底上生長，生長過程中通入氧的等離子體；

S3.將生長完成后的樣品進行原位退火處理，制得穩(wěn)定的HfO₂基薄膜。