[发明专利]通过脉冲激光沉积制备的透明且高k的薄膜

说明书

本发明涉及通过脉冲激光沉积法形成具有高介电常数和在可见光范围内具有高光学透射率的薄膜(Ga 0.5％，Cu 8％)共掺杂ZnO。该方法的步骤包括将安装在样品架上的基于蓝宝石的衬底安置到脉冲激光沉积室中；并在所述室内安置含有经设计的Ga和Cu浓度的ZnO陶瓷靶。然后将所述室抽真空，直到压力达到5e‑4Pa，此时将衬底加热到约600摄氏度。接下来将氧气引入到所述室中并调整到约5Pa的压力。将衬底支架和靶支架的旋转速度调整为约10r/min。最后，将激光束施加到所述靶上以对其进行充分烧蚀，以产生离子化原子的等离子体，该等离子体沉积在基板上以形成与靶具有相同组成的膜。

技术领域

本发明总体上涉及透明且高k的薄膜，并且更具体地涉及可以替代半导体集成电路中的SiO₂的薄膜。

技术背景

自1980年代以来，Si基集成电路得到了极大的改进。由于Si基集成电路的晶体管的尺寸已经缩小以在芯片上包括更多晶体管并提高其速度，所以它们的介电层的厚度也已经被减小。这导致电容的增加。然而，根据D.A.Muller(Nature，1999)、S.Tang(AppliedSurface Science,1999)、J.B.Neaton(Physical Review Letters,2000)，为了保持SiO₂的物理性质和完整的带结构，SiO₂的下限约为但是，已确定对于的SiO₂介电层，泄漏电流为1-10A/cm²。随着厚度每减小泄漏电流将增加5倍。此外，如果厚度小于则会在制造过程中出现一些其他问题，例如孔洞和元素扩散穿过栅极层。解决这些问题的最佳方法是用高k材料代替SiO₂材料，其中介电常数k是介电材料的相对电容率。这样，增加了介电层的厚度。

当前，在工业上，用于代替场效应晶体管中的SiO₂的常见高k电介质是HfO₂，其介电常数约为25，不是很高。此外，铪(Hf)昂贵且稀有。其他可能的选择是Ta₂O₃、Al₂O₃、La₂O₃、ZrO₂、TiO₂。下表列出了它们的介电常数和带隙：

Hu等人报道了一种新的供体-受体共掺杂方法用于制造巨介电陶瓷金红石材料结构(A³⁺_{((4-5n)/3)-δ}B⁵⁺_n)_xTi_1-xO₂，其中A³⁺是三价阳离子，B⁵⁺是五价阳离子。x在0到1之间。参见：CA专利2,842,963。在室温，这种材料的介电常数k大于10,000，并且在约100Hz至约1MHz的频率范围内的损耗小于0.3。

发明内容

本发明人在回顾Hu等人的工作时假设用电子钉扎缺陷偶极子(electron-pinneddefect-dipole)机制来解释Hu等人的介电陶瓷金红石材料结构的大介电常数。在这种机制下，跳跃电子被指定的晶格缺陷态捕获并定位(“钉扎效应”(pinning effect))，从而产生巨大的缺陷偶极子，从而导致高性能的超大电容率材料。但应注意的是，在Hu的发明中，该材料基于陶瓷颗粒(直径：10mm，厚度：1mm)，而不是透明的薄膜。并且如Hu等人所指出的，样品是不透明的，具有灰色或深黄色。

相反，本发明人应用了供体和受体共掺杂方法来生产透明的高k的薄介电膜。ZnO由于在可见光下的高光学透射率而被用作基质，而Ga和Cu分别被选作供体和受体。