一種基于自燃燒的低溫制備氧化鉿介質(zhì)層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于電子材料和器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自燃燒原理低溫溶液法制備二氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微電子工業(yè)的發(fā)展要求器件朝著高集成、低功耗和低工作電壓方向發(fā)展。而常用的一種解決辦法就是采用高介電常數(shù)的介質(zhì)層材料取代目前常見的二氧化硅介質(zhì)層。氧化鉿作為一種高介電常數(shù)材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微電子產(chǎn)業(yè)中。然而，微電子工業(yè)中氧化鉿多是經(jīng)由真空技術(shù)制備，如射頻磁控、電子束濺射等。這對(duì)設(shè)備有著極高要求，且增加了生產(chǎn)過程中的能耗。近年來，溶液法制備氧化鉿介質(zhì)層成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。常見的溶液為四氯化鉿的乙醇溶液，采用旋涂法成膜，后在500°C左右的高溫下退火處理，即可獲得高質(zhì)量的氧化鉿介質(zhì)膜。然而過高的熱處理溫度可能會(huì)導(dǎo)致基片上其他器件的失效。尤其是，近年來柔性電子學(xué)的發(fā)展，要求器件制備在柔性襯底材料上，如聚酰亞胺和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯等，這就要求熱處理溫度要低于襯底材料的熔點(diǎn)或是軟化溫度，通常認(rèn)為，熱處理溫度小于300°C即可滿足這一要求。本發(fā)明中在四氯化鉿溶液中加入檸檬酸作為燃料，水和硝酸氧化劑，實(shí)現(xiàn)了低于300°C熱處理溫度下的氧化鉿介質(zhì)層薄膜的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種低溫(低于300°C)下制備氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法。
[0004]本發(fā)明提供的制備氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法，是基于自燃燒的，即在四氯化鉿的乙醇溶液中添加檸檬酸作為燃燒劑，同時(shí)添加水和硝酸作為氧化劑，溶液旋涂成膜后，在熱處理溫度高于220°C的條件下，使檸檬酸發(fā)生自燃燒，放出熱量，有效提高介質(zhì)薄膜內(nèi)部溫度，從而在較低(低于300°C)的熱處理溫度下形成氧化鉿介質(zhì)薄膜。
[0005]本發(fā)明提供的基于自燃燒的低溫制備氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法，具體步驟如下:
(1)稱取一定量的四氯化鉿溶于無水乙醇中，四氯化鉿和乙醇的摩爾比介于1:20到1:600之間，可根據(jù)最終需要的氧化鉿介質(zhì)層的厚度選取兩者間不同的摩爾比；充分?jǐn)嚢?，獲得四氯化鉿的澄清溶液；
(2)在四氯化鉿溶液中添加檸檬酸、水和硝酸，四氯化鉿、水、硝酸、檸檬酸的摩爾比為:1:(4-8): (4-6): (4-6)，優(yōu)選摩爾比為:1:5:5:5;充分?jǐn)嚢?，混合均勻?br> (3)采用旋涂法，將混合溶液旋涂在基片(如玻璃、硅片、聚酰亞胺片，等等)上，經(jīng)多次旋涂，獲得不同厚度的薄膜；
(4)大氣環(huán)境下，對(duì)所得薄膜進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間I小時(shí)以上(一般為1-5小時(shí))，退火溫度介于220°C和300°C之間(優(yōu)選為250-270°C)。
[0006]本發(fā)明低溫溶液法制備的氧化鉿介質(zhì)薄膜，其膜厚可經(jīng)由溶液濃度調(diào)控，由于熱處理溫度低于300°C，有效降低了能耗以及對(duì)襯底上其他器件的損傷，同時(shí)與柔性基片兼容，可用于柔性電子器件中。
【附圖說明】
[0007]圖1:溶液滴涂后所獲得粉末的熱重分析結(jié)果。
[0008]圖2:260°C熱處理后氧化鉿薄膜的原子力顯微鏡形貌圖。
[0009]圖3:氧化鉿薄膜的介電常數(shù)-頻率關(guān)系譜圖。
[0010]圖4:氧化鉿薄膜的電流-電壓特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011 ]下面將結(jié)合實(shí)施例，闡述氧化鉿介質(zhì)薄膜的制備過程及性能。
[0012]實(shí)施例1
本實(shí)施例闡述如何選取合適的熱處理溫度，也即:確定檸檬酸發(fā)生自燃燒的溫度。
[0013]按照
【發(fā)明內(nèi)容】
中氧化鉿薄膜的制備工藝配置四氯化鉿的乙醇溶液，其中四氯化鉿:乙醇:水:硝酸:檸檬酸五者之間的摩爾比為1:300:5:5:5。用吸管將溶液直接滴在干凈載玻片上，在50°C下烘干2小時(shí)，以去除乙醇?xì)埩?。收集載玻片上的粉末，做熱重分析。典型結(jié)果如圖1所示。圖中橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為在各個(gè)溫度下粉末重量的減小量。結(jié)果清楚表明，在220°C熱處理溫度時(shí)粉末質(zhì)量開始明顯減小，直至300°C質(zhì)量減小趨勢(shì)放緩。這表明，高于220°C的熱處理溫度既可導(dǎo)致檸檬酸自燃燒，伴隨著放熱過程。質(zhì)量的減少對(duì)應(yīng)于檸檬酸的消耗。
[0014]實(shí)施例2
本實(shí)施例闡述氧化鉿介質(zhì)薄膜的制備過程及其表面均勻性、介電和抗電擊穿性能。
[0015]重?fù)溅切凸杵鳛橐r底材料，硅片經(jīng)氫氟酸漂洗，以去除表面的本征氧化層。
[0016]按照
【發(fā)明內(nèi)容】
中氧化鉿薄膜的制備工藝在重?fù)焦杵喜捎眯抗に嚝@得氧化鉿薄膜，其中溶液配制時(shí)四氯化鉿:乙醇:水:硝酸:檸檬酸五者之間的摩爾比為1:300:5:5:5。熱處理?xiàng)l件為260°C，2小時(shí)。
[0017]為了進(jìn)行電學(xué)測(cè)試，采用真空熱蒸發(fā)的方法，利用掩膜板在氧化鉿薄膜上蒸鍍圓斑電極，電極直徑0.5_，材料為鋁。
[0018]利用原子力顯微鏡表征氧化薄膜的表面形貌和粗糙度;利用探針臺(tái)并結(jié)合電學(xué)測(cè)試設(shè)備，測(cè)試氧化鉿薄膜的電容和漏電特性。
[0019]圖2為原子力顯微鏡的表面形貌圖，可見薄膜表面非常均勻，沒有大的團(tuán)簇凸起，薄膜表面均方根粗糙度為0.48nm。
[0020]圖3所示為薄膜介電譜特性，其相對(duì)介電常數(shù)隨測(cè)試頻率的增加而降低，對(duì)應(yīng)IkHz的測(cè)試頻率，其相對(duì)介電常數(shù)為18.7。
[0021]圖4所示為氧化鉿薄膜的電流-電壓特性曲線，可見隨著所施加電壓的增加，電流緩慢增加；當(dāng)電壓增至38.7V時(shí)，電流有一個(gè)明顯躍變，對(duì)應(yīng)于薄膜的擊穿電壓。所制備薄膜厚度約為60nm，對(duì)應(yīng)于擊穿場(chǎng)強(qiáng)645MV/m。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于自燃燒的低溫制備氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于，在四氯化鉿的乙醇溶液中添加檸檬酸作為燃燒劑，同時(shí)添加水和硝酸作為氧化劑，溶液旋涂成膜;然后在熱處理溫度高于220°C的條件下，使檸檬酸發(fā)生自燃燒，放出熱量，以有效提高介質(zhì)薄膜內(nèi)部溫度，從而在低于300°C的熱處理溫度下形成氧化鉿薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自燃燒的低溫制備氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)稱取一定量的四氯化鉿溶于無水乙醇中，四氯化鉿和乙醇的摩爾比介于1:20到1:600之間；充分?jǐn)嚢?，獲得四氯化鉿的澄清溶液； (2)在上述四氯化鉿溶液中添加檸檬酸、水和硝酸，四氯化鉿、水、硝酸、檸檬酸的摩爾比為:1:(4-8): (4-6): (4-6);充分?jǐn)嚢瑁旌暇鶆颍? (3)采用旋涂法，將上述混合溶液旋涂在基片上，經(jīng)多次旋涂，獲得不同厚度的薄膜； (4)大氣環(huán)境下，對(duì)所得薄膜進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間I小時(shí)以上，退火溫度介于220°C和300°C之間。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子材料和器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于自燃燒的低溫制備氧化鉿介質(zhì)薄膜的方法。本發(fā)明方法是在四氯化鉿的乙醇溶液中添加檸檬酸作為燃燒劑，同時(shí)添加水和硝酸作為氧化劑，溶液旋涂成膜；然后在熱處理溫度高于220℃的條件下，使檸檬酸發(fā)生自燃燒，放出熱量，以有效提高介質(zhì)薄膜內(nèi)部溫度，從而在低于300℃的熱處理溫度下形成氧化鉿薄膜。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在低于300℃的溫度下制備高質(zhì)量氧化鉿介質(zhì)薄膜，從而可與柔性基板兼容，可應(yīng)用于柔性電子器件中。
【IPC分類】H01L21/324, C01G27/02
【公開號(hào)】CN105540662
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610022644
【發(fā)明人】朱國棟, 翁軍輝
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年1月14日