一种钽酸锶铋－钛酸锶钡异质介电材料及其合成方法和应用

                          技术领域

本发明涉及一种钽酸锶铋-钛酸锶钡异质介电材料及其合成方法和应用，即涉及一种SBT-BST异质介电材料及其合成方法和应用，属微电子的技术领域。

                          背景技术

作为集成电路技术的核心元件-MOS管，已遵循摩尔定律持续发展了四十多年。使用二氧化硅作为MOS管栅极介电层的技术已经历了七个逻辑制程世代。然而，随着MOS管的体积缩小，栅极介电层也变得越来越薄，其厚度已经逐渐达到整个源-漏通道长度的1/45，仅仅只有几个纳米，即几个原子层厚度。这种纳米技术的水准是对栅极设计提出的挑战：将栅极介电层的厚度向下延伸至原子层厚度的量级。栅极介电层变薄，其绝缘品质会降低，漏电流会增大，导致作为开关的MOS管不能完全关断。为了改善这种情况，寻求合适的材料以减少漏电，将成为集成电路技术进化史上最令人关注的技术研发方向。

二氧化硅的缺点在于持续变薄使控制MOS管的漏电流指标变得困难。对一种材料而言，k是介电常数，是衡量该材料储存电荷能力大小的度量。高k指高介电常数。不同材料有不同的储存电荷的能力，好比海绵能吸收很多水分，毛巾吸收得少些，而玻璃则几乎不吸收。空气是此常数的一个参考点，其k值为1。二氧化硅的k值为3.9。高k材料，如HfO₂，ZrO₂，TiO₂及强介电材料的k值大于3.9，这是一种较厚的、在未来几年内极有可能取代现今的二氧化硅的材料。栅极介电层的k值与MOS管的效能有直接关系：k值越高，MOS管的栅极电容也越大，使得作为开关的MOS管能正确地在“开”与“关”两种状态之间互相转换，同时在“关”状态时流过MOS管的电流微小，而在“开”状态时流过MOS管的电流巨大；k值越小，漏电流越大，芯片功耗越大，MOS管和芯片的温度越高，使MOS管和芯片的性能受到影响。一种降低MOS管温度的方法是使用高k栅极介电层来控制MOS管的栅极漏电流。由于高k栅极介电层的厚度可以数倍于二氧化硅栅极介电层的厚度，能降低栅极漏电流达100倍，从而达到降低MOS管温度的效果。

强介电质材料的一个特性是高k介电常数，k值高达几千。强介电质材料是真正意义上的高k材料。用它来取代SiO₂，是增大MOS管栅极电容量、减小MOS管的宽长比的有效途径。在诸多强介电材料中，钛酸锶钡(BST)被视为最适合取代SiO₂的材料。BST材料的缺点是BST材料容易疲劳，即老化，用BST材料作栅极介电层，会极大地影响MOS管和芯片的性能。

                          发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提出一种SBT-BST异质介电材料。为解决以上技术问题，本发明采用以下的技术方案。所述的材料以Si片作衬底，其特征在于，该材料由多层衬底电极和沉积在其上的多层膜组成，多层衬底电极由Si片和依次沉积在Si片的表面上的SiO₂、Ti和Pt薄膜组成，多层膜由N个周期的SBT和BST的薄膜交替叠合而成，其中N为3～100。

本发明要解决的第二个技术问题是推出一种合成SBT-BST异质介电材料的方法。利用结构与BST相似的、不会疲劳的钽酸锶铋(SBT)与BST相结合，构成SBT-BST异质介电材料。为使上述的技术问题得到解决，本发明采用以下的技术方案。在较低的温度下，用辉光放电等离子体辅助激光蒸发(PLD)技术合成SBT-BST异质介电材料，并将该合成的材料沉积在Pt/Ti/SiO₂/Si多层衬底电极上。该方法的优点是能在较低的温度下合成强介电材料，SBT-BST异质介电材料，使该介电材料能与IC工艺兼容和适于作MOS管的栅极介电层。

现详细说明本发明的技术方案。

一种合成SBT-BST异质介电材料的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：

第一步 制备Pt/Ti/SiO₂/Si多层衬底电极

先在Si衬底上用集成电路工艺热氧化一层SiO₂层，经半导体清洗工艺后送入超高真空电子束蒸发仪预真空室，在真空度和温度分别为2×10^-6Pa和室温下，用电子束蒸发Ti靶，Ti的纯度为99.9％，在SiO₂层上生长Ti层，Ti层的厚度为5～25nm，再用电子束蒸发Pt靶，Pt的纯度为99.99％，在Ti层上生长Pt电极，Pt电极的厚度为50～100nm，在制备过程中，膜层的厚度由石英晶体振荡监测控制，并利用RHEED进行实时观察，膜层沉积速率1～3/sec，得Pt/Ti/SiO₂/Si多层衬底电极；

第二步 制备SBT靶和BST靶

分别取原料SrCO₃、Bi₂O₃、Ta₂O₅和BaCO₃、SrCO₃、TiO₂粉末，按化学剂量比混合，原料的颗粒度＜2μm，湿法球磨搅拌至混合充分均匀，烘干、研碎，900～1000℃下预烧，压模成直径为3cm的圆盘，1200～1400℃下烧结，得SrBi₂Ta₂O₉靶和Ba_xSr_1-xTiO₃靶，其中，0.1≤x≤0.9；

第三步 制备N周期的SBT/BST异质介电材料多层膜

本步骤在辉光放电等离子体辅助激光蒸发系统中施行，第二步制备的SBT靶和BST靶分别安装在高真空靶室内的两个靶子位上，由转速可调的电机驱动旋转，把第一步制备Pt/Ti/SiO₂/Si多层衬底电极安装在高真空靶室内的可加热的衬底位上，该衬底电极在由计算机控制的电机的驱动下在二维平面内扫描，该衬底电极与靶子之间的距离为2～15cm可调，该衬底电极和靶子之间靠近该衬底电极处有直径为3～15cm的辉光放电环，沉积SBT或BST前，将该衬底电极加热至25～300℃，在该辉光放电环上加上100～700V的电压，沉积SBT或BST时，机械泵和分子泵两级抽气先把该高真空靶室内的真空度提高至10^-9Torr，再向该高真空靶室通入纯氧保护气体，其流量由流量监测器控制，工作气体压力为5～100Pa，激光器输出的激光束经聚焦后轮流按时入射在可旋转的该靶子上，该靶子受激光照射的时间为5～300s，SBT和BST依次沉积在Pt/Ti/SiO₂/Si多层衬底电极的表面上，SBT和BST依次沉积的过程继续进行N-1次，其中N为3～100，得SBT-BST异质介电材料多层膜；

第四步 退火，得成品

将第三步制得的多层膜，在400～650℃温度和氧气环境下，退火10～150min，得成品，SBT-BST异质介电材料。

本发明要解决的第三个技术问题是推出一种用SBT-BST异质介电材料作以MOS管为有源器件的IC的籿底的方法。为解决所述的技术问题，本发明采用以下的技术方案：该方法其特征在于，以SBT-BST异质介电材料作籿底，用标准的IC工艺在籿底的SBT-BST异质介电材料多层膜上制备IC的有源器件MOS管。该方法有制备工艺与标准的IC工艺兼容，设备投资低，制成的IC产品品质高、性能好等优点。

本发明的积极效果：

1、本发明的异质介电材料的特性随结构参数可调。由于该异质介电材料具有铁电性、介电性等独特性能，特别适于作高频电容、高容量存储器、高性能声学器件等的原材料。通过改变异质介电材料的厚度，成份，周期数等来实现其性能的改变，用以满足各种不同类型器件对材料的要求。

2、本发明利用辉光放电等离子体辅助激光沉积SBT-BST异质介电材料，合成温度低，能与标准的IC工艺兼容，使该材料成为一种制备集成电路的新材料。

3、用SBT-BST异质介电材料作籿底和以MOS管为有源器件的IC品质高、性能好：所述的IC中的每一个MOS管，其栅极介电层均为高k值的SBT-BST异质介电材料，高k栅极介电层的厚度厚，栅极漏电流小，功耗低，工作温度低。

                       附图说明

图1是本发明的SBT-BST异质介电材料之一的剖面结构示意图，其中1是Si片，2是SiO₂薄膜，3是Pt薄膜，4是Pt电极，5是SBT薄膜，6是BST薄膜，N＝3。