[发明专利]铁酸铋/钛酸铋叠层结构电容及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子新材料与器件技术领域，特别涉及适用于新型高密度存储器以及集成铁电器件的铁酸铋(BiFeO₃，简写为BFO)/钛酸铋(Bi_4-xX_xTi₃O₁₂，简写为BXT)叠层结构电容的制备方法。

背景技术

随着微电子产业的发展，对存储器提出了更高的要求，例如：高速度、低功耗、高安全性以及不挥发等。传统的SRAM、DRAM、E²PROM、FLASH等存储器都是以硅为存储介质，由于物理和工艺上的极限，已经不能满足信息产业的进一步高速发展。因此，必须寻求和开发新的存储介质。铁电材料是一类具有自发极化特性，并且自发极化可随电场进行反转并在断电时仍可保持的介质材料。铁电存储器(FeRAM)就是利用这种特性，可以实现数据的非挥发存储。目前，国际上用于FeRAM的铁电材料主要是锆钛酸铅(PZT)，但是PZT的剩余极化强度不是特别高，因此，不利于高密度存储器的应用。随着集成电路(IC)工艺集成度的不断提高，存储单元面积的减小，对极化的要求越来越高，因此，PZT的技术局限在130纳米节点就反映出来了。

日本东京工业大学开发了一种铁酸铋(BiFeO₃，简写为BFO)材料的电容，试验证明其在低温下具有极高的剩余极化强度，但在室温下，这种BFO材料具有较大的漏电，从而极大地影响电容性能。因此，研究人员随后又对其进行了掺杂，并开发出一种掺入锰的BFO材料，并在室温下获得了高的剩余极化强度，但现有的BFO材料的电容在室温下的特性较差。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新型的铁酸铋/钛酸铋叠层结构电容及其制备方法，利用该方法制备出来的铁电电容具有优异的抗疲劳特性、较高的剩余极化强度(Pr)，较低的操作电压(Vc)，较好的介电特性，并能与CMOS工艺技术相兼容的特点，且在室温下能够正常工作，适用于新型高密度存储器以及集成铁电器件。

本发明的铁酸铋/钛酸铋叠层结构电容，该电容包括：以硅为衬底，在该衬底上依次结合有氧化层、下电极金属层、铁酸铋薄膜，以及上电极金属层；其特征在于，在所述下电极金属层与铁酸铋薄膜之间还结合有钛酸铋诱导层薄膜。

所述的铁酸铋的组成为BiFeO₃；所述钛酸铋的组成为Bi_4-xX_xTi₃O₁₂，其中的X为稀土元素Nd，La，Sm，Pr，Gd等中的任意一种，所述钛酸铋中的X占(X+Bi)总量的摩尔百分数，在0.1<x<1.0的范围内；所述钛酸铋中的Bi，相对于所述组成式：Bi_4-xX_xTi₃O₁₂要过量添加，该Bi元素的过剩含量，占Bi、X和Ti元素总量的摩尔百分数为5％<Bi<20％范围。

所述钛酸铋薄膜厚度可为10nm～200nm，所述铁酸铋薄膜厚度可为20nm～500nm。

本发明提出的上述铁酸铋/钛酸铋叠层电容结构的制备方法，是由铁酸铋BFO和钛酸铋BXT前驱体溶胶的制备，以及铁酸铋BFO/钛酸铋BXT叠层结构电容的制备三部分组成，包括以下步骤：

3)制备所述BXT前驱体溶胶：

11)将稀土元素的醋酸盐(市售产品)或硝酸盐(市售产品)(0.3～5g)溶于乙酸(市售产品)或乙醇胺(市售产品)或乙二醇甲醚(市售产品)中，使其完全溶解成稀土元素的盐溶液；

12)将己酸铋(市售产品)或醋酸铋(市售产品)或硝酸铋(市售产品)(3～40g)溶于己酸(市售产品)或乙酸(市售产品)使其完全溶解成己酸铋溶液或乙酸铋溶液；

13)将稀土元素的醋酸盐溶液加入己酸铋溶液或乙酸铋溶液中，在25～100℃条件下充分搅拌5～30分钟，以形成澄清均匀的稀土元素与铋的混合溶液；

14)量取异丙醇钛(市售产品)(1～10g)，徐徐加入上述混合溶液中，在25～100℃条件下充分搅拌10～30分钟，以形成澄清均匀的BXT溶液；

15)将丙醇或乙醇(市售产品，既可作为溶剂也可作为稀释剂)加入上述BXT溶液中进行稀释，使BXT溶液的浓度范围为0.01～0.5mol/l，在25～100℃条件下搅拌10～60分钟，直至形成均匀、浓度适中的BXT溶液；