[發明專利]一種金剛石基稀土摻雜單層或多層功能薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 202210420722.7
• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114921773B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 李成明;操淑琴;黃亞博;馬金彪;陳良賢;劉金龍;魏俊俊;鄭宇亭
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C23C16/511
• 分類號: C23C16/511;C23C16/40
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種金剛石基稀土摻雜單層或多層功能薄膜的制備方法。本發明在金剛石表面鍍制鑭(La)摻雜單層或多層稀土氧化膜(X₂O₃，X代表稀土元素)，形成金剛石膜表面帶有La摻雜單層或多層稀土氧化功能薄膜材料。首先對采用微波等離子體化學氣相沉積(CVD)制備的金剛石膜進行激光平整化、拋光、酸洗以及丙酮和酒精清洗后獲得熱導率≥2000w/(m·K)金剛石膜；再通過磁控濺射方法在雙面拋光金剛石膜單面沉積La摻雜稀土氧化單層或多層功能薄膜，進而獲得金剛石基La摻雜稀土氧化單層或多層功能薄膜材料。本發明金剛石基La摻雜稀土氧化單層或多層功能薄膜具有較好的光學透過率、高介電常數、寬禁帶寬度和優異熱穩定性，適用于MOSFET器件介質層和紅外窗口應用需求。

技術領域

本發明涉及半導體材料技術領域，具體涉及一種金剛石基稀土摻雜單層或多層功能薄膜的制備方法。

背景技術

稀土元素摻雜能夠為多組分稀土氧化物及稀土-過渡金屬化合物材料帶來優異的發光、催化和磁性能。稀土化合物因其優越的物理化學特性(例如高量子產率，寬激發帶，高化學穩定性和熱穩定性以及調節其在NIR區域中帶隙可能性)而受到廣泛關注。另外，稀土化合物具有良好的光學透過性能、抗氧化性能、力學性能以及較高的介電常數。如稀土氧化物Y₂O₃、Nd₂O₃等與紅外窗口材料折射率匹配并且具有良好的抗氧化性能，既能實現長波紅外波段增透又能做保護膜。同時，稀土氧化膜Er₂O₃和La₂O₃介電常數在15～30之間，禁帶寬度相對較高(～7.6eV)，可用于制備MOSFET器件的高k柵介質層，可以將器件制備更厚的介質層，極大地減小柵極漏電，并具有等效的電容條件。

金剛石具高硬度、高熱導率、良好的耐磨性、耐腐蝕性和化學穩定性，以及在紅外光區具有很好的透過性。但金剛石理論透過率僅為71％，嚴重制約了金剛石在光學領域的應用。在金剛石表面鍍制增透膜不但能夠實現金剛石高透過率，還能對其起到抗氧化作用。此外，金剛石具有極高的擊穿電場(10MV/cm)，超高熱導率(22W/cm·K)，高載流子遷移率等優異電學性能，使其被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有潛力的寬禁帶半導體材料。

對于高k材料作為介質層而言，需要必備有對載流子有足夠大的勢壘、高溫下熱穩定性好、界面質量和界面特性優異以及不能退化載流子的遷移率等條件。其中稀土氧化膜Er₂O₃和La₂O₃雖然介電常數較高，但熱穩定性較差。由此可見，對于單一高k柵介質膜呈現出k值、禁帶寬度及熱穩定性不能兼得，因此，采用摻雜手段有助于改善高k介質膜熱穩定性又能實現高介電常數和寬禁帶寬度，進而提升電子器件的綜合性能。另外，摻雜也能改善薄膜光學性能和機械性跟。

目前，Smimova等研究不同La元素摻入量對HfO₂薄膜晶體結構轉變的影響，具有良好的失效析出強化和固溶強化效果，被作為摻雜元素加入到光學保護膜中，可提高基體薄膜的強度和光學透過率(Journal of the Chinese Rare Earth Society,33(8),857-862(2015))。徐報道稱采用射頻反應濺射方法制備N摻雜的氮氧化物柵介質材料(SiOxNy)，進而提高熱穩定性和介質膜(k：4.3～6.7)的結晶溫度(Chinese Physics Letters,24(9),2681-2684(2007))。專利CN202011420469.2提出一種高損傷閾值的多層介質膜矩形衍射光柵制備方法，提高介質多層膜衍射光柵的激光損傷閾值。專利CN202111413654.3提出一種低損耗含氟聚合物多層介質膜、其制備方法及應用，降低了多層電介質膜損耗，提升保持較好的儲能目的和充放電效率。專利CN202011592523.1提出一種基于金剛石襯底的MOSFET器件的結構及其制備方法，其中柵介質層采用3-10nm厚的Al₂O₃材料，進而大幅度提升金剛石器件的截止頻率。