[发明专利]氧化镥薄膜的低成本、高效制备方法

说明书

本发明提供氧化镥薄膜的低成本、高效制备方法，通过合金液滴的滚动及合金气泡的方式制备了超薄的氧化镥薄膜。无高昂的设备、苛刻的条件、及复杂的操作，是一种氧化镥纳米材料的革新性制备方式。氧化镥作为高介电常数的材料的一种，其作为高介电常数栅介质材料的候选材料已进行过研究，与传统的工艺的CMOS工艺的兼容性已得到证实。所制得的超薄的氧化镥薄膜有效的解决了SiO₂等材料等效栅氧化物厚度很难减小到3nm以下的缺点。克服优化了MOS晶体管的尺寸限制，不仅突破了材料方面的瓶颈，也极大地推进了后续氧化镥纳米材料的发展。

技术领域

本发明涉及氧化镥薄膜的快速简易制备方法，特别涉及氧化镥薄膜的低成本制备的方法，属于半导体技术领域。

背景技术

随着CMOS(互补金属氧化物半导体)技术的发展，漏电流问题急需解决，尤其对于手机等日常移动的电子设备来说，漏电流的增大将直接限制其运算的效率及电子设备的使用时间。目前，已经通过在SiO₂中掺入氮的方式，制备了多晶硅栅电极和掺氮SiO₂栅介质集成的栅结构(Poly Si/Si ON/Si)。但是由于MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)要求栅氧化层材料需要具备较好的稳定性、较大的密度和较少的缺陷密度等特点，尤其是栅氧化层的厚度降低至约3nm时，栅结构仍需具有良好的性能及重复性。然而，目前对SiO₂进行了优化调整的方式，其等效栅氧化物厚度也很难再减小到3nm以下，这严重限制MOS晶体管的尺寸微缩和可靠性的提高。

高k材料即具有高介电常数的材料，是一种可以有效替代SiO₂的新型电介质材料，其原因在于：当电容一定时，电介质薄层的厚度与电介质的k值成反比。这也意味着高k材料能够在保持或增大栅极电容的同时，栅极氧化层的厚度不至于过小，从而抵消了隧穿效应的影响，栅极漏电流也因此不会急剧上升。由于氧化镥材料是高k介质材料，并且非晶氧化铬薄膜曾被作为高介电常数栅介质材料的候选材料已进行过研究，与传统的工艺的CMOS工艺的兼容性已得到证实。将其应用在MOS晶体管中将大大改善其性能的可靠性，并且有望得到超薄结构的器件，突破材料方面的瓶颈，成为制备高储能密度静电电容器介质材料的最佳选择。

二维(2D)氧化物在电子和其他技术中有广泛的应用。然而，许多氧化物不容易通过常规的方法合成为2D材料。现有技术中也有关于氧化镥薄膜的制备报道，例如：CN101798509A公开了一种稀土离子掺杂Lu₂O₃发光薄膜的制备方法，采用Pechini溶胶-凝胶法并结合旋涂技术来制备Lu₂O₃薄膜，使用LuCl₃·6H₂O作为原料，使用柠檬酸(C₆H₈O₇)作为螯和剂、聚乙二醇(PEG)作为交联剂；采用一步预热处理的方法来对前驱体溶胶薄膜进行热处理，有效地防止薄膜开裂。经过旋涂-干燥重复了3～30次后，在550～1000℃之间煅烧1小时，可得到均匀、致密的多晶氧化镥发光薄膜，其厚度为120nm～2μm之间，晶粒尺寸在15～50nm之间，发光波长随着掺杂离子组分的变化而变化。CN101643890A公开了阻变氧化物Lu₂O₃薄膜的制备方法和应用，步骤如下：a)Lu₂O₃陶瓷靶材的制备：将氧化镥粉末经研钵研磨后冷压成圆柱形薄片，并在箱式电阻炉中烧结，温度范围为：1400±100℃，得到致密的Lu₂O₃陶瓷靶材；b)将烧结好的Lu₂O₃靶材放在脉冲激光沉积成膜系统生长室中的靶台上，衬底固定在生长室中的衬底台上；真空度8±3×10-5Pa；c)激光沉积Lu₂O₃薄膜的厚度至50±20nm；d)将沉积好的薄膜置于快速热退火炉中，在氩气气氛保护下200℃退火60±30秒；所述衬底为金属薄膜、SiO₂或Si(111)衬底。

然而，上述现有技术，仍然无法制备3nm级的超薄纳米结构薄膜。