[发明专利]基于氧化铝材料内嵌纳米晶结构的铁电薄膜制备方法

说明书

本发明公开了一种基于氧化铝材料内嵌纳米晶结构的铁电薄膜制备方法，主要解决现有技术多晶的铁电薄膜在厚度低于10nm时，其铁电性能变差的问题。其实现方案为：1)对衬底进行标准清洗；2)将清洗后的衬底放置在升温后的原子层沉积设备ALD主工艺腔的反应腔中；3)向反应腔通入三甲基铝气体，沉积氧化铝原子层，并使用氩气对反应腔进行净化；5)在净化后的反应腔中通入四(二甲氨基)锆，在氧化铝中内嵌氧化锆纳米晶，并使用氩气对反应腔进行二次净化；6)重复4)多次，直到将氧化铝沉积到2‑10nm的预定厚度，完成铁电薄膜制备。本发明提高了铁电薄膜厚度在低于10nm时的铁电性能，可用于制作铁电场效应晶体管。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及一种铁电薄膜制备方法，可用于制作铁电场效应晶体管。

背景技术

随着IT技术的不断发展，对于非易失性存储器的需求越来越大，读写速度要求越来越快，集成度要求越来越高。以氧化物铁电薄膜为基础的铁电存储器由于其具有本征挥发性、读写速度快、抗辐射能力强、功耗低、密度高等优良性能而受到人们的广泛关注。目前，广泛使用的铁电薄膜是钛酸铅、锆钛酸铅等含铅类铁电薄膜，但是这类材料在制备和使用的过程中会给环境和人类健康带来危害。而不含铅的传统钙钛矿类的铁电氧化物薄膜因其厚度较厚，受现在高集成密度的集成工艺的制约，无法得到应用。因此，进一步开发不含铅的、与环境友好的、与现有集成工艺兼容的铁电薄膜新材料，已成为当前新材料研究的热点之一。

2011年德国科学家T.S.等人发现非中心对称的正交相氧化铪或其掺杂系列材料具有铁电性，后续也有大量的工作报道了这种氧化铪掺杂的铁电薄膜特性及其铁电场效应晶体管，但是由于氧化铪基铁电薄膜的形成需要经历结晶的过程，导致铁电薄膜两侧出现较大漏电，而且多晶的铁电栅介质层在厚度低于10nm时，其铁电性能变差，从而导致氧化铪基铁电场效应晶体管难以正常稳定的工作。

原子层沉积设备ALD因其精确的厚度控制、优异的三维贴合性和均匀的大面积成膜特性，成为制备栅介质薄膜的首先方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已存在的铁电氧化物薄膜材料存在的不足，提供一种基于氧化铝材料内嵌纳米晶结构的铁电薄膜制备方法，以提高铁电材料的性能，保证当铁电栅介质层厚度低于10nm时铁电场效应晶体管仍能正常稳定工作，提升器件的整体性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)对衬底进行标准清洗；

(2)将原子层沉积设备ALD的主工艺腔中的反应腔升温至300℃，将主工艺腔源瓶中的四(二甲氨基)锆源升至70-80℃；

(3)将清洗后的衬底放置在原子层沉积设备ALD主工艺腔的反应腔中；

(4)向原子层沉积设备ALD的主工艺腔的反应腔通入流量范围为40-70sccm的三甲基铝气体，沉积氧化铝原子层，并使用氩气对该主工艺腔的反应腔进行净化；

(5)在净化后的主工艺腔的反应腔中再通入流量范围为40-70sccm的四(二甲氨基)锆，在氧化铝中内嵌氧化锆纳米晶，并使用氩气对该主工艺腔的反应腔进行二次净化；

(6)重复(4)多次，直到将氧化铝沉积到2-10nm的预定厚度，完成氧化铝材料内嵌纳米晶铁电薄膜制备。

作为优选，所述衬底，采用硅(100)单晶或锗(001)单晶或硅锗合金。

作为优选，所述向主工艺腔通入的氩气，其流量为60sccm。

作为优选，所述向主工艺腔中的反应腔通入的四(二甲氨基)锆，其含量低于0.1％。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：