[发明专利]铁电存储器用柱状掺钕钛酸铋铁电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于属于微电子新材料与器件技术，具体涉及一种铁电存储器用柱状掺钕钛酸铋铁电薄膜的制备方法。

背景技术

铁电随机存储器(FeRAM)与传统的半导体存储器相比有许多突出的优点，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。稀土元素钕Nd掺杂的钛酸铋是一种新型的用于FeRAM的铁电材料，它具有较高的剩余极化强度和较好的抗疲劳特性。已有文献报道了使用溶胶凝胶法对该材料的制备，其中，Lu C.J.等人使用较高摩尔浓度的前躯体溶液，在传统的退火方式(多层涂覆一次性退火，退火时升温速度较慢)下，制得的薄膜晶粒数量多，晶粒尺寸小，同时还有需要氧气气氛、制备温度较高的问题(约为750℃)。这一方面不利于薄膜电容器抗疲劳特性的提高，另一方面也不利于与现有CMOS工艺兼容。[Lu C.J.，Liu X.L.，Chen X.Q.，Nie C.J.，Rhun G.，Senz S.，HesseD.，Anisotropic ferro-and piezoelectric properties of sol-gel-grownBi_3.15Nd_0.85Ti₃O₁₂ films with two different orientations on Pt/Ti/SiO₂/Si，Applied Physics Letters，89，062905]

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种铁电存储器用柱状掺钕钛酸铋铁电薄膜的制备方法，利用该方法制备的铁电薄膜晶粒呈柱状，且尺寸较大，疲劳特性好，结晶温度较低，无需氧气气氛，与现有CMOS工艺兼容。

为实现本发明的目的，本发明提供的铁电存储器用柱状掺钕钛酸铋铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备摩尔浓度为0.04～0.05摩尔/升的Bi_3.15Nd_0.85Ti₃O₁₂的前躯体溶液；

(2)采用具有Pt为底电极的p型(100)Si作为衬底，在衬底上旋转涂覆一层前躯体溶液，匀胶速度为3500～4000转/分，匀胶时间为30～35秒；

(3)烘烤涂覆有前躯体溶液的衬底，烘烤温度为150～200℃，烘烤时间为5～10分钟；

(4)进行热解，热解温度为350～400℃，热解时间为5～10分钟，热解后把薄膜样品从管式炉中直接拿出，置于室温、空气环境中；

(5)待薄膜样品冷却至室温后，将其直接放入已升温至645～655℃的管式炉中，在空气气氛下进行退火，退火时间为5～10分钟；

(6)重复步骤(2)-步骤(5)直至获得所需厚度的薄膜；

(7)将薄膜样品放入管式炉中，在空气气氛下，随炉从室温升温退火，升温速度为2～10℃/分钟，退火温度为645～655℃，退火时间为20～30分钟，得到柱状掺钕钛酸铋铁电薄膜。

所述步骤(1)包括下列各步：

(1.1)将钛酸四正丁酯溶解于乙二醇独甲醚、乙酰丙酮、冰醋酸的混合溶液中，在室温下搅拌至溶液澄清；

(1.2)将五水硝酸铋Bi(NO₃)₃·5H₂O、六水硝酸钕Nd(NO₃)₃·6H₂O按摩尔比3.25∶0.85溶解于乙二醇独甲醚中，在室温下搅拌至溶液澄清；

(1.3)将步骤(1.2)所得溶液加入到步骤(1.1)所得溶液中，在室温下搅拌，得到混合溶液；

(1.4)过滤混合溶液，并加入适量乙二醇独甲醚，得到摩尔浓度为0.04～0.05摩尔/升的前躯体溶液。

所述步骤(1.1)包括下列各步：

(1.1.1)分别量取与所需钛酸四正丁酯等摩尔量的乙酰丙酮和冰醋酸，并加入体积为乙酰丙酮体积8～10倍的乙二醇独甲醚，在室温条件下搅拌至溶液澄清；

(1.1.2)称取所需钛酸四正丁酯，并溶解于步骤(1.1.1)所得溶剂中，在室温条件下搅拌至溶液澄清；

所述步骤(1.2)中所需乙二醇独甲醚的体积为步骤(1.1.1)中所述乙二醇独甲醚的2～2.1倍。

本发明的有益效果是：