[发明专利]一种特定非晶态结构钛酸钡薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种特定非晶态结构钛酸钡(BTO)薄膜材料及制备方法。该薄膜沉积在p型Si基板上，薄膜具有较完整的Ba‑Ti‑O网络结构但失去BaTiO3晶相的平移对称性，厚度为40nm以下，是一种优异的高介栅绝缘层薄膜材料。该薄膜通过射频磁控溅射法在自然温度下进行去反溅射沉积。首先获得沉积态非晶薄膜，后经过在空气或氮气中较低温度下二步热处理的方法制得。这种特定非晶态结构BTO/p‑Si单元可有效形成异质结，其结中的内建电场可通过栅绝缘层(BTO)网络结构中的氧空位浓度调控而调制。基于形成这种高效可调的内建电场，这种方法制备的特定非晶态结构钛酸钡薄膜材料在MOS晶体管等领域将有巨大的应用价值，且本发明的薄膜制备工艺较为简单，成本低廉。

技术领域

本发明属于MOS电容栅绝缘层材料技术领域，具体涉及一种特定非晶态结构钛酸钡(BTO)薄膜材料及其制备方法，该材料是以磁控溅射法制备随后在空气或氮气气氛下退火获得的非晶钛酸钡薄膜。

背景技术

MOS(金属-氧化物-半导体)电容是当今集成电路的基础，其“开”和“关”的实现是通过施加在金属栅极上的偏压来控制的。而氧化物和半导体的界面处形成的内建电场对MOS电容的性能产生了决定性的影响，其将决定半导体上沟道的状态，并且决定了能够施加在半导体上的实际电压大小。而实际上，氧化物/半导体异质结处的内建电场是大多数半导体器件实现其功能化的基础，例如太阳能电池、光催化材料、紫外光电探测器等等。因此，从应用的角度，在异质结处获得可调的内建电场是非常关键的。

小型、轻量、薄型、高性能是数字网络时代电子设备的发展趋势。几十年来，在摩尔定律的指导下，集成电路上晶体管的数量每隔18-24个月便增加一倍，性能也提高一倍。然而，随着晶体管的技术节点达到10nm以下，摩尔定律逐渐将传统的SiO₂-Si体系逼近了其物理极限。器件的不断小型化要求MOS晶体管的电容值不断增大，要实现这个目标只有两种方法：降低栅绝缘层的厚度或者提高栅绝缘层的介电常数。由于SiO₂是一种近乎完美的栅绝缘层材料，在与Si接触的界面处形成异质结进而形成内建电场，因此几十年来人们选择通过降低栅绝缘层的厚度来提高晶体管的电容值，时至今日，SiO₂层的厚度只有约1nm。根据量子物理，由于厚度太薄，此时的SiO₂绝缘层已经不能很好地阻挡电流通过，其隧穿电流密度已经达到了不可忽视的地步。然而，器件小型化的需求不降反增，这意味着要追上摩尔定律的步伐仍要继续提高晶体管的电容大小。显然，通过降低SiO₂厚度的方法已经不再可行。人们不得不放弃SiO₂这种近乎完美的绝缘层材料，开始寻找具有更高介电常数的替代材料(高k材料)。在这些材料中，钙钛矿结构的钛酸钡(BaTiO₃，简称BTO)是一种很有竞争力的栅绝缘层候选材料。BTO是一种典型的无铅位移型铁电体，其作为现代工业中最重要的一类铁电材料，具有多种重要的特性：介电性、压电性、热释电性等，能够实现电能与电能、机械能与电能、热能及电能之间的相互转换。有很多学者研究了BTO薄膜沉积在Si基板上的性质，发现这种BTO/Si异质结具有多种性质，包括整流效应、光伏效应、室温发光效应以及抗反射效应等等。

然而，作为栅绝缘层材料，如果能够在BTO/Si异质结处获得可调的内建电场将是十分有价值的。一般来说，在晶态材料/半导体异质结中，可调的内建电场是通过在两者之间形成结并调制材料中载流子密度来实现的。同样，在晶态BTO氧化物中，氧空位能够作为施主缺陷，产生n型载流子。这些材料的载流子密度实际是通过调制氧空位的数量来实现，而氧空位数量的改变又将使材料的功函数可调。然而，我们知道，一般晶态氧化物中，有效氧空位的引入需要通过特定的元素取代掺杂实现，而材料的固溶度是有限的，因而氧空位的浓度也十分有限。同样，对于BTO，若在不掺杂也即不改变材料绝缘性能等的条件下，实现足够的有效载流子产生且浓度可调将是能否实现BTO在MOS晶体管内高效使用的关键。