CN110295348A - 一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，属于材料制备技术领域。以YSZ为衬底，首先对衬底进行清洗和退火处理，充分除去衬底的内应力和表面有机物；然后以金属铪和掺杂元素为靶材，在超真空状态下，采用脉冲激光分子束外延法在衬底表面生长HfO2基薄膜；之后对生长好的薄膜进行原位退火处理，得到稳定的HfO2基薄膜。本发明采用脉冲激光沉积和分子束外延联用，并结合反射高能电子衍射仪实时监控，通过对氧压、激光能量、衬底温度和退火温度进行优化，实现薄膜原子尺度外延生长的精确控制，具有纯度高、层状结构可控的优点，同时为相应的激光与物质相互作用和成膜过程的基础研究提供思路。

Description

一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2薄膜的方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种采用脉冲激光分子束外延 制备HfO2基薄膜的方法。
背景技术
随着微电子集成电路产品不断向高性能和高密度方向发展，晶体管结构 的特征尺寸不断减小，当特征尺寸进入0.1μm以下范围时，传统的二氧化硅 (SiO2)栅介质层的厚度接近2nm的“物理极限”，电子直接隧穿效应导致栅极漏 电流急剧增大，从而使器件面临严重的稳定性和可靠性问题。近年来，二氧 化铪(HfO2)薄膜以其较高的相对介电常数、较大的禁带宽度(5.8eV)、较好的热 稳定性和化学稳定性、与标准半导体集成工艺兼容等优点，已广泛应用于微 处理器和动态随机存储器(DRAM)的大规模工业化生产。
目前，HfO2薄膜的制备方法主要有磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相 法沉积等。其中，磁控溅射是将具有一定能量的正离子轰击靶材表面，使原 子分子从固体表面飞溅出来成为气体，最终在基片上沉积为膜，因其沉积原 子动能高，具有薄膜与基片结合好，致密性好、成膜均匀性好的优点，但溅 射氧化物绝缘体靶材时，溅射物容易覆盖阳极，导致辉光放电所需电压无法 维持；脉冲激光沉积是将具有一定能量的激光束照射到靶材上，使其局部温 度迅速升高，熔融气化为气态原子，从而在基片上沉积为膜，可以保证膜成 分与靶材成分高度一致，成膜质量和薄膜纯度高，但无法精确控制膜厚，难 以制备原子层尺度的超薄型薄膜；化学气相法沉积是将待成膜物质的挥发性 化合物气化后，在基板上发生分解、还原、氧化、置换等反应，形成所需薄 膜物质，并沉积在基板上，反应副产物以气态形式被导走，沉积速率快，但 难以制备高精度超薄型薄膜，薄膜均匀度和纯度低。
针对上述现有技术存在的问题，急需提供一种高效的HfO2基薄膜的制备 方法，实现高纯度、厚度可控的超薄型薄膜的制备。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采用脉冲激光分子束外 延制备HfO2基薄膜的方法，采用脉冲激光沉积和分子束外延联用，并结合反 射高能电子衍射仪实时监控，可实现薄膜原子尺度外延生长的精确控制，还 适用于HfO2基薄膜的多元素掺杂，复杂层状结构可控，同时还能进行相应的 激光与物质相互作用和成膜过程的基础研究。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，包 括以下步骤：
S1.对YSZ衬底进行清洗和抛光处理，然后将清洗后的YSZ衬底放入管 式炉中在1150-1250℃下退火2-3h。
S2.将步骤S1退火处理后的YSZ衬底放入生长室，在超高真空状态下， 采用脉冲激光束轰击金属铪靶和掺杂剂靶，靶材熔融气化形成气态原子在一 定温度的YSZ衬底上生长，生长过程中通入氧的等离子体；
S3.将生长完成后的样品进行原位退火处理，制得稳定的HfO2基薄膜。
进一步，步骤S1中，所述YSZ衬底是指钇稳定的氧化锆，晶面取向可 为(100)、(110)、(111)三种晶面取向中的一种。
进一步，通过对不同晶面取向衬底上薄膜的生长的监测和研究，为探索 薄膜生长动力学行为的规律提供思路。
进一步，步骤S2中，所述掺杂剂靶材为钇、锆、铝、硅、锗、锶或钕靶 中的一种，所述金属铪靶和掺杂剂靶材纯度大于99.999％，金属铪及掺杂剂摩 尔比为1:0.01-1。
进一步，在步骤S2的生长过程中，采用反射高能电子衍射仪(RHEED) 对生长表面形貌和结晶情况进行实时监控，所述反射高能电子衍射仪还可监 测薄膜厚度。
进一步，步骤S2中，所述生长室中真空度小于1×10-8torr，生长过程中， 生长室气压为2.2×10-6-4.2×10-6torr。
进一步，步骤S2中，步骤S2中，所述衬底温度为400-580℃，所述脉冲 激光束分别轰击金属铪靶和掺杂剂靶，能量为200-320mJ，频率为20-30Hz， 所述氧等离子体源功率为350-400W。
进一步，步骤S2中，所述生长时间为5-40min，当激光能量和频率一定 时，通过控制薄膜生长时间，制备所需的薄膜厚度。
进一步，步骤S3中，所述原位退火温度为600-800℃，退火气氛为氧气， 退火时间为20-40min，在氧气氛围下有助于HfO2的结晶，获得结晶度完整的 高质量薄膜。
进一步，为了提高薄膜生长速率，提高薄膜纯度和稳定性，所述衬底温 度、激光能量、氧等离子体功率、生长时间、退火温度的设定需要满足以下 条件：
a.保证薄膜在衬底的热力学上是浸润的，即满足下列公式：
γsub＞γfilm+Einterface
其中，γsub是衬底的表面能，γfilm是薄膜的表面能，Einterface是薄膜和衬底 的界面能；
b.***温度要足够高，以便原子能跨过能垒到达衬底；
c.氧化物膜的化学势要足够高，以形成需要的相，通常需要较高的氧分压 和较大的氧活性，如使用氧等离子体或臭氧；
d.衬底温度要适宜，以保证HfO2薄膜的生长，并抑制其解吸附。
进一步，本发明制备的HfO2基薄膜的厚度为1-30nm。
本发明提供的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的原理为： 以钇稳定的氧化锆为衬底，对衬底进行清洗、抛光和退火处理，得到清洁、 有序、平整的衬底，在超真空状态下，以高能量脉冲激光轰击金属铪和掺杂 剂靶材，并通入氧的等离子体，靶材原子在蒸气压下熔融气化为气态原子， 气态原子在活性氧压下，沉积在一定温度的衬底表面外延生长为氧化铪薄膜， 生长过程中，通过反射高能电子衍射仪对生长薄膜表面形貌、结晶情况及厚 度进行实时监控，当达到所需厚度时，停止脉冲激光的轰击，然后在一定退 火温度下退火，获得结晶度完整、纯度高、稳定性好的HfO2基薄膜，整个薄 膜生长及退火过程的制备条件依据脉冲激光分子束外延生长HfO2基薄膜必备 的热力学和动力学条件设定，可靠性更高。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用脉冲激光沉积薄膜和分子束外延联用，并结合反射高能 电子衍射仪实时监控，实现薄膜原子尺度外延生长的精确控制，具有纯度高、 层状结构可控的优点，可制备超薄HfO2基薄膜，同时为相应的激光与物质相 互作用和成膜过程的基础研究提高思路；
(3)本发明以高纯度金属铪为靶材，同时选用高纯度掺杂剂，通过严格 控制氧压，可制备得到高纯度掺杂HfO2基薄膜，同时可通过调节金属铪及掺 杂剂的生长过程，制备得到各种复杂层状结构可控的元素掺杂HfO2基薄膜。
(3)本发明通过确定脉冲激光分子束外延生长HfO2基薄膜必备的热力 学和动力学条件，对氧压、激光能量、衬底温度和退火温度进行优化，实现 在最佳薄膜生长条件下制备HfO2基薄膜，可显著提高薄膜生长速率，提高薄 膜纯度及稳定性；
(4)本发明HfO2基薄膜外延生长条件设定合理，可提高外延生长效率， 提高薄膜纯度、均匀性及稳定性。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，所 述脉冲激光分子束外延生长HfO2基薄膜的必备条件为：
a.保证薄膜在衬底的热力学上是浸润的，即满足下列公式：
γsub＞γfilm+Einterface
其中，γsub是衬底的表面能，γfilm是薄膜的表面能，Einterface是薄膜和衬底 的界面能；
b.***温度要足够高，以便原子能跨过能垒到达衬底；
c.氧化物膜的化学势要足够高，以形成需要的相，通常需要较高的氧分压 和较大的氧活性，如使用氧等离子体或臭氧；
d.衬底温度要适宜，以保证HfO2薄膜的生长，并抑制其解吸附。
在满足上述必备条件下，本发明采用脉冲激光分子束外延法，在YSZ衬 底上生长HfO2基薄膜。
要得到优质的外延膜，首先需要得到清洁、有序、平整的衬底表面。为 此，本发明用化学方法对YSZ衬底进行多次腐蚀，清除在YSZ表面的各种轻 重杂质离子，同时对YSZ表面进行化学抛光，最后进行退火处理，具体步骤 如下：
1.在温度为80℃，H2SO4:H2O2＝3:1的溶液中保温5分钟，然后用HF(10％) 漂洗10秒；
2.在温度为80℃，未经稀释的HNO3中保温3-5分钟，然后用HF(10％) 漂洗10秒；
3.在温度为80℃，NH4OH:H2O2:H2O＝1:1.5:4的溶液中保温3-5分钟，然 后用HF(10％)漂洗10秒；
4.在温度为80℃，HCI:H2O2:H2O＝3:1:1的溶液中保温5分钟，然后用 HF(10％)漂洗10秒；
5.将清洗后的YSZ衬底放入管式炉中在1150-1250℃下退火2-3h。
经过化学清洗和退火处理的衬底装入进样室，由涡轮分子泵从大气抽至 10-6Torr附近，再由离子泵将进样室抽至10-7Torr左右。这样在保证生长室的 超高真空不被破坏的条件下，能够快速进样及进行衬底的预处理。然后在进 样室将衬底加热至300℃并保持3分钟，使表面吸附的各种杂质气体脱附，然 后由磁力传样杆送入生长室，这时真空度应小于1×10-8Torr。
实施例1
一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，选用晶面取向为 (100)，钇稳定的氧化锆(YSZ)为衬底，选用纯度大于99.999％的金属铪 和金属锆为对象靶材，金属铪及金属锆摩尔比为1:0.5，制备锆掺杂HfO2基薄 膜，具体包括以下步骤：
S1.对YSZ衬底进行清洗、抛光和退火处理，具体包括如下步骤：
S11.在温度为80℃，H2SO4:H2O2＝3:1的溶液中保温5分钟，然后用HF(10％) 漂洗10秒；
S12.在温度为80℃，未经稀释的HNO3中保温5分钟，然后用HF(10％) 漂洗10秒；
S13.在温度为80℃，NH4OH:H2O2:H2O＝1:1.5:4的溶液中保温5分钟，然 后用HF(10％)漂洗10秒；
S14.在温度为80℃，HCI:H2O2:H2O＝3:1:1的溶液中保温5分钟，然后用 HF(10％)漂洗10秒；
S15.将清洗后的YSZ衬底放入管式炉中在1150-1250℃下退火2-3h。
S2.将步骤S1退火处理后的YSZ衬底放入生长室，在超高真空环境中， 采用脉冲激光束轰击金属铪靶和掺杂剂靶，靶材熔融气化形成气态原子在一 定温度的YSZ衬底上生长，生长时通入氧的等离子体，具体包括如下步骤：
S21.根据以下条件选定薄膜生长条件:
a.计算衬底YSZ表面能γsub、掺杂HfO2基薄膜表面能γfilm及薄膜和衬底的 界面能Einterface，保证薄膜在衬底的热力学上是浸润的，即满足下列公式：
γsub＞γfilm+Einterface
b.激光能量要足够高，保证***温度达到靶材原子蒸发温度，以便原子能 跨过能垒到达衬底；
c.保证足够的氧分压和氧活性，以便氧化物膜的化学势足够形成需要的 相；
d.衬底温度要适宜，以保证HfO2薄膜的生长，并抑制其解吸附；
S22.将衬底装入进样室，由涡轮分子泵从大气抽至10-6Torr附近，再由离 子泵将进样室抽至10-7Torr左右；
S23.在进样室将YSZ衬底加热至300℃并保持3分钟，使表面吸附的各 种杂质气体脱附，然后由磁力传样杆送入生长室，这时真空度应小于 1×10-8Torr；
S24.将YSZ衬底温度升至500℃，打开脉冲激光轰击金属铪靶和掺杂剂 靶，进行HfO2基薄膜的生长，其中，轰击金属铪的脉冲激光能量为280mJ， 轰击金属锆的脉冲激光能量为260mJ；生长过程中，氧等离子体源工作功率 为400W，生长气压为3.4×10-6torr，生长时间为30min，期间根据掺杂量及所 需要的层状结构，控制两种靶材轰击时间及轰击频率；生长过程中，通过原 位RHEED监测表面形貌和结晶情况；
S3.将生长完成后的样品在一个大气压氧气氛围下进行原位退火处理，退 火温度为700℃，退火时间为30min，制得稳定的锆掺杂HfO2基薄膜，退火 过程中，通过RHEED监测表面形貌和结晶情况。
经检测，制备得到的锆掺杂HfO2基薄膜的厚度为20nm。
实施例2
一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，选用晶面取向为 (100)，钇稳定的氧化锆(YSZ)为衬底，选用纯度大于99.999％的金属铪 和金属钇为对象靶材，金属铪及金属钇摩尔比为1:0.3，制备钇掺杂HfO2基薄 膜。薄膜制备方法与实施例1相比，不同之处在于，步骤S24为：将YSZ衬 底温度升至450℃，打开脉冲激光轰击金属铪靶和掺杂剂靶，进行HfO2基薄 膜的生长，其中，轰击金属铪的脉冲激光能量为280mJ，轰击金属锆的脉冲 激光能量为230mJ；生长过程中，氧等离子体源工作功率为380W，生长气压 为3.0×10- 6torr，生长时间为30min，期间根据掺杂量及所需要的层状结构，控 制两种靶材轰击时间及轰击频率；生长过程中，通过原位RHEED监测表面形 貌和结晶情况；
步骤S3为：将生长完成后的样品在一个大气压氧气氛围下进行原位退火 处理，退火温度为650℃，退火时间为20min，制得稳定的钇掺杂HfO2基薄 膜，退火过程中，通过RHEED监测表面形貌和结晶情况。
经检测，制备得到的钇掺杂HfO2基薄膜的厚度为12nm。
实施例3
一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，选用晶面取向为 (110)，钇稳定的氧化锆(YSZ)为衬底，选用纯度大于99.999％的金属铪 和金属镨为对象靶材，金属铪及金属镨摩尔比为1:0.02，制备镨掺杂HfO2基 薄膜.薄膜制备方法与实施例1相比，不同之处在于，步骤S24为：将YSZ衬 底温度升至480℃，打开脉冲激光轰击金属铪靶和掺杂剂靶，进行HfO2基薄 膜的生长，其中，轰击金属铪的脉冲激光能量为280mJ，轰击金属锆的脉冲 激光能量为250mJ；生长过程中，氧等离子体源工作功率为380W，生长气压 为3.0×10- 6torr，生长时间为25min，期间根据掺杂量及所需要的层状结构，控 制两种靶材轰击时间及轰击频率；生长过程中，通过原位RHEED监测表面形 貌和结晶情况；
步骤S3为：将生长完成后的样品在一个大气压氧气氛围下进行原位退火 处理，退火温度为600℃，退火时间为20min，制得稳定的镨掺杂HfO2基薄 膜，退火过程中，通过RHEED监测表面形貌和结晶情况。
经检测，制备得到的镨掺杂HfO2基薄膜的厚度为10nm。
实施例4
本实施例与实施例1相比，不同之处在于，所用钇稳定的氧化锆(YSZ) 衬底晶面取向为(111)，其他与实施例1均相同，制备得到的锆掺杂HfO2基 薄膜的厚度为20nm。
实施例5-11
与实施例1相比，实施例5-11的不同之处在于，步骤S24和步骤S3的制 备条件如表1所示，其他与实施例1均相同。
表1实施例5-10薄膜制备条件
实施例5-11制备得到的HfO2基薄膜厚度如表2所示，可以发现，通过控 制激光能量及生长时间，可以制备厚度低至1nm的HfO2基薄膜。
表2实施例5-10制备的薄膜厚度
实施例 5 6 7 8 9 10 11
厚度(nm) 20 25 30 15 10 5 1
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根 据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对YSZ衬底进行清洗和抛光处理，然后将清洗后的YSZ衬底放入管式炉中在1150-1250℃下退火2-3h；
S2.将步骤S1退火处理后的YSZ衬底放入生长室，在超高真空状态下，采用脉冲激光束轰击金属铪靶和掺杂剂靶，靶材熔融气化形成气态原子在一定温度的YSZ衬底表面生长，生长过程中通入氧的等离子体；
S3.将生长完成后的样品进行原位退火处理，制得稳定的HfO2基薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，步骤S1中，所述YSZ衬底是指钇稳定的二氧化锆，晶面取向可为(100)、(110)、(111)三种晶面取向中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，步骤S2中，所述掺杂剂靶材为钇、锆、镨、硅、锗、锶或钕靶中的一种，所述金属铪靶和掺杂剂靶材纯度大于99.999％，金属铪及掺杂剂摩尔比为1:0.01-1。
4.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，在步骤S2的生长过程中，采用反射高能电子衍射仪对生长表面形貌和结晶情况进行实时监控，所述反射高能电子衍射仪还可监测薄膜厚度。
5.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，步骤S2中，所述超真空生长室中真空度小于1×10-8torr，生长过程中，生长室气压为2.2×10-6-4.2×10-6torr。
6.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，步骤S2中，所述衬底温度为400-580℃，所述脉冲激光束分别轰击金属铪靶和掺杂剂靶，能量为200-320mJ，频率为20-30Hz，所述氧等离子体源功率为350-400W。
7.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，步骤S2中，所述薄膜生长时间为5-40min，当激光能量和频率一定时，通过控制薄膜生长时间，制备所需的薄膜厚度。
8.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，步骤S3中，所述原位退火温度为600-800℃，退火气氛为氧气，退火时间为20-40min。
9.根据权利要求5至8任一项所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，所述衬底温度、激光能量、氧等离子体功率、生长时间、退火温度的设定需要满足以下条件：
a.保证薄膜在衬底的热力学上是浸润的，即满足下列公式：
γsub＞γfilm+Einterface
其中，γsub是衬底的表面能，γfilm是薄膜的表面能，Einterface是薄膜和衬底的界面能；
b.***温度要足够高，以便原子能跨过能垒到达衬底；
c.氧化物膜的化学势要足够高，以形成需要的相，通常需要较高的氧分压和较大的氧活性，如使用氧等离子体或臭氧；
d.衬底温度要适宜，以保证HfO2薄膜的生长，并抑制其解吸附。
10.根据权利要求1至8任一项所述的一种采用脉冲激光分子束外延制备HfO2基薄膜的方法，其特征在于，制备的HfO2基薄膜的厚度为1-30nm。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110904411A (zh) * 2019-12-13 2020-03-24 河北环亚线缆有限公司 一种制造超导电缆导体薄膜的方法
CN111500987A (zh) * 2019-12-17 2020-08-07 西南技术物理研究所 一种基于金属铪沉积二氧化铪薄膜的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102456725A (zh) * 2010-10-28 2012-05-16 北京有色金属研究总院 一种单晶高k栅介质材料及其制备方法
CN108538920A (zh) * 2018-03-21 2018-09-14 湘潭大学 一种柔性铁电薄膜晶体管及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102456725A (zh) * 2010-10-28 2012-05-16 北京有色金属研究总院 一种单晶高k栅介质材料及其制备方法
CN108538920A (zh) * 2018-03-21 2018-09-14 湘潭大学 一种柔性铁电薄膜晶体管及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAKAO SHIMIZU等: "The demonstration of significant ferroelectricity in epitaxial Y-doped HfO2 film", 《SCIENTIFIC REPORTS》 *
彭建国等编: "《中国经济技术发展优秀文集》", 30 June 2003 *
徐东然等: "激光分子束外延制备薄膜技术", 《聊城大学学报（自然科学版）》 *
武德起等: "高介电栅介质材料HfO2掺杂后的物理电学特性", 《功能材料与器件学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110904411A (zh) * 2019-12-13 2020-03-24 河北环亚线缆有限公司 一种制造超导电缆导体薄膜的方法
CN111500987A (zh) * 2019-12-17 2020-08-07 西南技术物理研究所 一种基于金属铪沉积二氧化铪薄膜的方法
CN111500987B (zh) * 2019-12-17 2022-06-10 西南技术物理研究所 一种基于金属铪沉积二氧化铪薄膜的方法

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