專利名稱：一種致密復合二氧化鈦薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種用于半導體器件的薄膜的制備方法，尤其涉及一種摻雜的二氧化 鈦薄膜的制備方法。
背景技術：
隨著半導體器件的特征尺寸按摩爾定律不斷縮小，所需柵氧化層厚度也按相應比 例降低。當氧化層厚度降低到一定的數量級時，氧化層薄膜會出現體缺陷如多孔形貌和氧 空缺，由此將帶來嚴重的隧穿漏電流問題，從而限制半導體器件的發展，因此柵氧化層表面 形貌的致密性和高介電常數對半導體器件的發展有重要的作用。近年來，TiO2因為可以達 到較高的介電常數(80-100)和較高的電阻率成為倍受關注的材料之一，純二氧化鈦薄膜通 常生成銳鈦礦相，其具有較低的結晶溫度，而銳鈦礦相的介電常數較低(30)，且具有多孔性 的二氧化鈦薄膜的漏電流大，這些現象阻礙了其作為高K材料的實際應用性。因此，研究表面高致密性的平整的二氧化鈦薄膜，可以有效減小其漏電流，對于提 高半導體中二氧化鈦薄膜的電學性能具有非常重要的意義。
發明內容
本發明的發明目的是提供一種以二氧化鈦為主成分的表面平整致密的薄膜的制 備方法。為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是 一種致密復合二氧化鈦薄膜的制備方法，包括下列步驟
提供一真空腔體，該真空腔體內設有氧化釔與二氧化鈦復合靶材、待鍍膜襯底，所述氧 化釔與二氧化鈦復合靶材為將片狀的氧化釔設置在二氧化鈦靶材表面而成；
通入氧氣體積含量在0. 1 20%范圍的氧氣和氬氣的混合氣體，工作氣壓調控在 0. 2 2 Pa之間；
采用磁控濺射方法，在待鍍膜襯底上形成IO3-TW2復合薄膜層。上述技術方案中，通過控制靶材表面TiA與IO3的面積比，可以改變制備的薄膜 中^o3的含量，該面積比根據需要設置，一般，靶材表面TiA與IO3的面積比在2:1 9:1 之間。薄膜的厚度則通過改變濺射時間來控制。上述技術方案中，磁控濺射時，濺射功率密度在3 8 ff/cm2范圍。在具體實施時，可以采用的具體步驟如下 清洗被鍍件(襯底)；
烘干或晾干后裝入濺射鍍膜真空室； 用機械泵抽真空至1-5 Pa ； 改用高真空泵抽至系統能達到的本底真空鍍； 對被鍍件(襯底)加溫或反濺射、進一步清潔襯底表面；
向真空室注入氬氣后，再加進氧氣，調節流量計控制閥，使兩者達到所需的混合比例；調節真空室閥門使真空室氣壓升高至5-20 Pa；
向陰極施加射頻電壓，逐步調節射頻電源的輸出電壓或功率，直至真空室氣體激發起
輝；
調節真空室閥門，使氣壓降至所定的濺射鍍膜的工作壓強； 緩慢增加射頻電源的輸出電壓或功率至所定的值； 對靶材進行5分鐘以上的預濺射、去除靶材表面的附著物或污染物； 預濺射結束后，開始計時，并同時打開襯底與陰極之間的檔板、對襯底鍍膜； 到達所定的時間后，關閉檔板、切斷射頻電源，結束鍍膜。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點
1.本發明的復合薄膜制備方法簡單，薄膜中的氧化釔的摻雜成份可通過氧化釔所占靶 材的面積比和濺射功率來調整。2.復合薄膜中的氧化釔填入主成分二氧化鈦晶粒的周圍，使得薄膜表面平整致密 的同時，還能抑制銳鈦礦晶相的生成、而有利于制備以金紅石為主相的高介電常數薄膜，可 應用于高性能薄膜電容和薄膜電池等新一代高科技產品中。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步描述
實施例一通過磁控濺射法在硅片上，分別采用純二氧化鈦和由氧化釔與二氧化鈦構 成的二氧化鈦復合靶材制備純二氧化鈦薄膜和IO3-T^2復合薄膜，其中，復合靶材是將 99. 99%純度的IO3小片放置在99. 99%的TW2靶表面組合而成的復合靶，且靶材表面TW2 與^O3的面積比大約為5:1。將真空室抽至10-6 的本底真空度。通入的氧氣和氬氣比例 為1 :20，然后調節真空閥使真空室壓強保持在0. 5Pa的濺射工作壓強。在沉積薄膜之前先 對靶材在160W的濺射功率下預濺射25分鐘，除去表面的雜質后，控制濺射功率在160W，通 過控制濺射時間來控制薄膜的厚度在300nm左右。采用原子力顯微鏡的半接觸模式來測試剛沉積IO3-TiA和純TiA薄膜的表面形 貌，測試結果為，以本工藝制備得到的氧化釔摻雜二氧化鈦薄膜高度最大值和均方根粗糙 度(RMS)分別為1.05nm和0. 12nm，而未摻雜的二氧化鈦薄膜的高度最大值和均方根粗糙度 (RMS)分別為 7. 83nm 和 0. 759nm。可見，本實施例的方法大大提高了 二氧化鈦薄膜的致密性和平整度。實施例二通過磁控濺射法在硅片上，采用氧化釔和二氧化鈦復合靶材制備氧化 釔摻雜二氧化鈦薄膜，復合靶材是將99. 99%純度的IO3小片放置在99. 99%的TW2靶表面 組合而成的復合靶，且(TiO2)與( )的面積比大約為5:1.將真空室抽至10_6Pa的本底真 空度。通入的氧氣和氬氣比例為1 :25，然后調節真空閥使真空室壓強保持在0. 5Pa的濺射 工作壓強。在沉積薄膜之前先對靶材在160W的濺射功率下預濺射20分鐘，除去表面的雜 質后，控制濺射功率在160W、140W和125W，通過控制濺射時間來控制薄膜的厚度在300nm左 右。采用原子力顯微鏡的半接觸模式觀測濺射功率為160W、140W和125W的IO3-TW2復合 薄膜表面的形貌圖和相位圖，三個樣品相應的高度最大值和均方根粗糙度分別為1. 05nm, 1. 6nm, 4. 8nm 和 0. 12nm, 0. 175nm, 0. 332nm。發現由這同一組合的 Y2O3-TiO2 靶材所制得 復合薄膜的平整致密程度與濺射功率有明顯的關系，濺射功率越大時、復合薄膜的平整致密度越好。采用相位成像模式對薄膜表面進行了兩種成份分布的觀測比較發現，IO3主要 是均勻地填入了 TW2晶粒間隙，它不僅將TiA的空隙薄膜填平，還抑制了 TiA大顆粒的形 成，就是濺射功率越大、Y2O3的細化作用就越明顯，從而改善薄膜表面平整性。而濺射功率 小的樣品薄膜中IO3含量較少、填隙效果就有限，薄膜的表面平整度就較差。
實施例三通過磁控濺射法在硅片上，采用純二氧化鈦和氧化釔和二氧化鈦復合 靶材靶材制備純二氧化鈦和氧化釔摻雜二氧化鈦薄膜，復合靶材是將99. 99%純度的Y2O3小 片放置在99. 99%的TW2靶表面組合而成的復合靶，且(TiO2)與(Y2O3)的面積比大約為5:1 .將真空室抽至10-6 的本底真空度。通入的氧氣和氬氣比例為1 :25，然后調節真空閥使 真空室壓強保持在0. 5Pa的濺射工作壓強。在沉積薄膜之前先對靶材在160W的濺射功率 下預濺射20分鐘，除去表面的雜質后，控制濺射功率在125W、140W和160W，通過控制濺射時 間來控制薄膜的厚度在300nm左右。樣品經400 V、600 V和760 V在真空度為2. 0 X 10_5 1 條件下熱處理30min后，用XRD衍射儀測定分析結晶的生長情況。結果發現，^O3的存在還 會調節TiO2晶相結構的形成，在本實驗參數范圍內，銳鈦礦相結構的生長被抑制、主要生成 金紅玉相結構，而且濺射功率越大這種作用越明顯，這有利于制備高品質高介電常數薄膜。
權利要求
1.一種致密復合二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，包括下列步驟提供一真空腔體，該真空腔體內設有氧化釔與二氧化鈦復合靶材、待鍍膜襯底，所述氧 化釔與二氧化鈦復合靶材為將片狀的氧化釔設置在二氧化鈦靶材表面而成；通入氧氣體積含量在0. 1 20%范圍的氧氣和氬氣的混合氣體，工作氣壓調控在 0. 2 2 Pa之間；采用磁控濺射方法，在待鍍膜襯底上形成IO3-TW2復合薄膜層。
2.根據權利要求1所述的致密復合二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于磁控濺射 時，濺射功率密度在3 8 ff/cm2范圍。
全文摘要
本發明公開了一種致密復合二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，包括下列步驟提供一真空腔體，該真空腔體內設有氧化釔與二氧化鈦復合靶材、待鍍膜襯底，所述氧化釔與二氧化鈦復合靶材為將片狀的氧化釔設置在二氧化鈦靶材表面而成；通入氧氣體積含量在0.1～20%范圍的氧氣和氬氣的混合氣體，工作氣壓調控在0.2～2Pa之間；采用磁控濺射方法，在待鍍膜襯底上形成Y2O3-TiO2復合薄膜層。本發明的復合薄膜制備方法簡單，通過摻雜氧化釔，使得薄膜表面平整致密的同時，還能抑制銳鈦礦晶相的生成、而有利于制備以金紅石為主相的高介電常數薄膜。
文檔編號H01L21/285GK102140621SQ20111005764
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月10日 優先權日2011年3月10日
發明者曹月華, 狄國慶 申請人:蘇州大學