一种高介电常数钙稳定氧化锆薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及电容器薄膜技术领域，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。

背景技术

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。

钙稳定氧化锆的化学成分是 Ca

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

为实现上述目的，本发明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/cm

可选的，所述P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。

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。

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。

本发明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。

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。

本发明的上述技术方案至少包括以下有益效果：

本发明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。

本发明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。

本发明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CSZ薄膜得到的材料可以应用于制备MOS结构电容器、半导体器件等，表明CSZ薄膜在MOS器件、集成电路嵌入式电容等方面具有巨大的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例3中 CSZ 薄膜的原子力显微镜图；

图2为本发明实施例3中CSZ薄膜的断面微结构形貌；

图3为本发明实施例3中锆酸钙靶及CSZ薄膜的晶体结构；

图4为本发明实施例3中CSZ薄膜介电常数和频率关系图；

图5为本发明实施例3中电容器的温度特性图；

图6为本发明实施例3中CSZ 薄膜在1MHz 下电容量和介质损耗与偏压的关系图；

图7为本发明实施例1中CSZ薄膜的电流-电压曲线图；

图8为本发明实施例2中CSZ薄膜的电流-电压曲线图；

图9为本发明实施例3中CSZ薄膜的电流-电压曲线图；

图10为本发明实施例4中CSZ薄膜的电流-电压曲线图；

图11为本发明实施例5中CSZ薄膜的电流-电压曲线图；

图12为本发明实施例6中CSZ薄膜的电流-电压曲线图；

附图3中A：CSZ薄膜，B：锆酸钙靶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-7，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

以在1250℃下烧结2h，得到锆酸钙，以锆酸钙为靶材，以P型重掺杂硅为衬底，P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。以锆酸钙为靶材，对P型重掺杂硅通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干，采用脉冲激光沉积法在P型重掺杂硅上沉积CSZ薄膜，沉积条件是激光能量密度为1.4J/cm

实施例二

以在1250℃下烧结2h，得到锆酸钙，以锆酸钙为靶材，以P型重掺杂硅为衬底，P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。以锆酸钙为靶材，对P型重掺杂硅通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干，采用脉冲激光沉积法在P型重掺杂硅上沉积CSZ薄膜，沉积条件是激光能量密度为1.6J/cm

实施例三

以在1250℃下烧结2h，得到锆酸钙，以锆酸钙为靶材，以P型重掺杂硅为衬底，P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。以锆酸钙为靶材，对P型重掺杂硅通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干，采用脉冲激光沉积法在P型重掺杂硅上沉积CSZ薄膜，沉积条件是激光能量密度为1.5J/cm

实施例四

以在1200℃下烧结2h，得到锆酸钙，以锆酸钙为靶材，以P型重掺杂硅为衬底，P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。以锆酸钙为靶材，对P型重掺杂硅通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干，采用脉冲激光沉积法在P型重掺杂硅上沉积CSZ薄膜，沉积条件是激光能量密度为1.5J/cm

实施例五

以在1250℃下烧结2h，得到锆酸钙，以锆酸钙为靶材，以P型重掺杂硅为衬底，P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。以锆酸钙为靶材，对P型重掺杂硅通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干，采用脉冲激光沉积法在P型重掺杂硅上沉积CSZ薄膜，沉积条件是激光能量密度为1.5J/cm

实施例六

以在1300℃下烧结2h，得到锆酸钙，以锆酸钙为靶材，以P型重掺杂硅为衬底，P型重掺杂硅的电阻率范围为0.1-0.001Ω.cm。以锆酸钙为靶材，对P型重掺杂硅通过工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并使用氮气吹干，采用脉冲激光沉积法在P型重掺杂硅上沉积CSZ薄膜，沉积条件是激光能量密度为1.5J/cm

对实施例3制备的CSZ薄膜检测与分析。

钙稳定氧化锆薄膜的结构检测与分析

采用原子力显微镜表征薄膜的表面形貌，得图1。采用场发射扫描电子显微镜表征薄膜断面微观结构，得图2。采用X射线衍射仪（X-Ray Diffractometer, XRD）分别检测实施例三中锆酸钙靶和CSZ 薄膜的晶体结构，得图3。

由图1可知，CSZ薄膜表面形貌一致性较高，表面的粗糙度为11nm。

由图2可知，薄膜的厚度有400nm，晶粒与晶粒间紧密排列，晶粒形貌呈柱状。

由图3可知，从衍射峰强度显示锆酸钙靶有较好的结晶度，从 4 个衍射峰（111）、（200）、（220）及（311）显示CSZ薄膜为单一相结构的多晶 CSZ。

钙稳定氧化锆薄膜的介电性能检测与分析

顶电极采用电子束蒸发制备金属电极，电极半径 50um。使用阻抗分析仪测试介电性能，使用电源及探针台测试薄膜的漏电流、电容随电压的变化和电容量随温度变化情况。

由图4可知，CSZ薄膜介电常数在 1kHz 到 1MHz 内随频率增加基本不变，表明频率稳定性较好。

介质损角正切也比较小，基本都在 0.02 以下，在 1MHz 的值为0.00761，可以满足射频电路中旁路电容器和去耦电容器的使用要求。

由图5可知，在温度-55℃到+125℃范围内，电容量变化较小，这表明 CSZ 薄膜具有较好的温度稳定性。在 1MHz 下的容量温度系数小于 387.4ppm/℃，尤其是在正温方向具有更小的温度系数+123.4ppm/℃。容量和温度的关系证明 CSZ薄膜可以用作温度稳定型电容器。

由图6可知，表明容量和介质损耗在 40V 偏压内具有较好的稳定性。

钙稳定氧化锆薄膜的导电机制分析

对实施例1-6制备的CSZ薄膜进行检测，得图7~图12，由图9可知，在 1.85MV/cm时，具有较小的漏电流密度，为 1.01×10

本发明实施例中通过 PLD 方法在激光能量密度1.5J/cm

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。