高介电常数薄膜-氧化铝叠层结构绝缘薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种高介电常数薄膜-氧化铝叠层结构绝缘薄膜及其溶胶凝胶制备方法。
【背景技术】
[0002]对于薄膜晶体管的绝缘层，传统意义上其均选用S12或者S1N，但是随着器件小尺寸化发展，当S12绝缘层减薄到一定厚度时，如当S12小于2nm时，其在IV栅压下由于电子直接隧穿效应导致的栅极漏电流高达lA/cm2，且电路的功率损耗也会增大至不能接受的量级。从二十世纪九十年代开始，S12绝缘层材料的应用极限就已经达到，研究者开始存找可以用来替代的高介电常数材料。选用高介电常数材料作为薄膜晶体管的绝缘层，在满足等效厚度的前提下，通过增大绝缘层的物理厚度能够更有效的控制漏电流。
[0003]再者，绝缘层的制备行业内均是采用真空的方法，如磁控溅射(sputtering)技术，原子层沉积(ALD)技术，化学气相沉积(CVD)等，对于高介电常数材料的研究也是以真空法为主。由于真空制备方法需昂贵的真空设备与严苛的生产条件，因而存在成本高、原材料利用率低、成分固定等很多缺点。而新型的溶胶凝胶法设备工艺简单，从而生产成本低且可以实现大面积成膜，是十分具有前景的薄膜生产方法。
[0004]因此，结合溶胶凝胶法对现有的高介电常数绝缘薄膜制备工艺进行改进，从而提高其稳定性，避免漏电流增加，是具有重要意义的。
【发明内容】
[0005]为了克服以上问题，本发明旨在提供一种高介电常数薄膜-氧化铝叠层结构绝缘薄膜及其制备方法，提高绝缘薄膜的热稳定性，并且减少漏电流，通过采用溶胶凝胶法来制备高介电常数薄膜-氧化铝叠层结构，可以实现低成本和大规模生产。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供了一种高介电常数薄膜-氧化铝叠层结构绝缘薄膜，所述高介电常数薄膜和氧化铝薄膜相间设置，并且叠层结构的最顶层和最底层均为高介电常数薄膜。
[0007]优选地，所述叠层结构中的所述高介电常数薄膜的材料为Ti02、ZrOjP HfO 2。
[0008]优选地，所述叠层结构为高介电常数薄膜-氧化铝-高介电常数薄膜-氧化铝-高介电常数薄膜构成的五层叠层结构。
[0009]为了实现上述目的，本发明还提供了一种高介电常数薄膜-氧化铝叠层结构绝缘薄膜的制备方法，其包括:
[0010]a.高介电常数材料前驱体溶胶凝胶的制备:将含有高介电常数元素的溶液溶解于乙二醇甲醚溶液中形成含有高介电常数元素的前驱体溶液，所述高介电常数元素的摩尔浓度不超过0.3M ;待含有高介电常数元素的溶液与乙二醇甲醚溶液混合均匀后，加入去离子水，去离子水与高介电常数元素离子的摩尔浓度比不大于5:1 ;然后，静置；待去离子水与含有高介电常数元素的前驱体溶液混合均匀后，逐滴加入单乙醇胺，单乙醇胺与所述高介电常数元素离子的摩尔浓度比为1:1至3:1，从而得到稳定的含有高介电常数元素的前驱体溶液；对稳定的含有高介电常数元素的前驱体溶液进行搅拌并且置于60?80°C水浴中，保温2?4小时，以形成高介电常数材料前驱体溶胶；经时效处理得到高介电常数材料前驱体凝胶；
[0011]b.Al2O3前驱体溶胶凝胶的制备:将仲丁醇铝溶解于乙二醇甲醚溶液中，仲丁醇铝的摩尔浓度为0.3M，搅拌并置于40?50°C水浴中，使仲丁醇铝和乙二醇甲醚溶液均匀混合；然后，逐滴加入单乙醇胺，使单乙醇胺与铝离子的摩尔浓度比为1:1至3: 1，从而得到Al的前驱体溶液；对Al的前驱体溶液继续搅拌并置于60-80°C水浴中，保温2?4小时，以形成Al2O3前驱体溶胶；经时效处理得到Al 203前驱体凝胶；
[0012]c.提供一基底，采用旋涂工艺将所述高介电常数材料前驱体凝胶旋涂在该基底表面；接着，烘烤旋涂在基底上的高介电常数材料前驱体凝胶，然后，经退火工艺，使基底上的高介电常数材料前驱体凝胶形成高介电常数薄膜；
[0013]d.采用旋涂工艺将Al2O3前驱体凝胶旋涂在所述高介电常数薄膜表面；接着，烘烤旋涂在高介电常数薄膜表面的Al2O3前驱体凝胶，然后，经退火工艺，使高介电常数薄膜表面的Al2O3前驱体凝胶形成Al 203薄膜；
[0014]e.重复c?d，从而在基底上获得高介电常数薄膜-Al2O3薄膜构成的叠层结构绝缘薄膜。
[0015]优选地，所述高介电常数材料为T12，所述a过程中，所述高介电常数材料前驱体溶胶凝胶的制备为1102前驱体溶胶凝胶的制备，其包括:将TiCl 4溶解于乙二醇甲醚溶液中形成Ti的前驱体溶液，TiCl4的摩尔浓度不超过0.3M ;待TiCl 4与乙二醇甲醚溶液混合均匀后，加入去离子水，去离子水与钛离子的摩尔浓度比不大于5:1 ;然后，静置；待去离子水与Ti的前驱体溶液混合均匀后，逐滴加入单乙醇胺，单乙醇胺与钛离子的摩尔浓度比为1:1至3:1，从而得到稳定的Ti的前驱体溶液；对稳定的Ti的前驱体溶液进行搅拌并且置于60?80°C水浴中，保温2?4小时，以形成T12前驱体溶胶；经陈化得到T1 2前驱体凝胶。
[0016]优选地，所述高介电常数材料为ZrO2，所述a过程中，所述高介电常数材料前驱体溶胶凝胶的制备为Zr02前驱体溶胶凝胶的制备，其包括:将ZrCl 4溶解于乙二醇甲醚溶液中形成Zr的前驱体溶液，ZrCl4的摩尔浓度不超过0.3M ;待ZrCl 4与乙二醇甲醚溶液混合均匀后，加入去离子水，去离子水与Zr离子的摩尔浓度比不大于5:1 ;然后，静置；待去离子水与Zr的前驱体溶液混合均匀后，逐滴加入单乙醇胺，单乙醇胺与Zr离子的摩尔浓度比为1:1至3:1，从而得到稳定的Zr的前驱体溶液；对稳定的Zr的前驱体溶液进行搅拌并且置于60?80°C水浴中，保温2?4小时，以形成ZrO2前驱体溶胶；经陈化得到ZrO 2前驱体凝胶。
[0017]优选地，所述高介电常数材料为HfO2，所述a过程中，所述高介电常数材料前驱体溶胶凝胶的制备为HfO2前驱体溶胶凝胶的制备，其包括:将HfCl 4溶解于乙二醇甲醚溶液中形成Zr的前驱体溶液，HfCl4的摩尔浓度不超过0.3M ;待HfCl 4与乙二醇甲醚溶液混合均匀后，加入去离子水，去离子水与Hf离子的摩尔浓度比不大于5:1 ;然后，静置；待去离子水与Hf的前驱体溶液混合均匀后，逐滴加入单乙醇胺，单乙醇胺与Hf离子的摩尔浓度比为1:1至3:1，从而得到稳定的Hf的前驱体溶液；对稳定的Hf的前驱体溶液进行搅拌并且置于60?80°C水浴中，保温2?4小时，以形成HfO2前驱体溶胶；经陈化得到HfO 2前驱体凝胶。
[0018]优选地，所述a过程中，所述高介电常数材料前驱体溶胶的时效处理时间不小于24小时；所述b过程中，Al前驱体溶胶陈化时间不小于24小时。
[0019]优选地，所述叠层结构中，最底层和最顶层均为高介电常数薄膜；所述步骤e中，重复c-d-c这一循环过程，从而在基底上获得最底层和最顶层均为高介电常数薄膜的所述高介电常数薄膜-Al2O3薄膜构成的叠层结构绝缘薄膜。
[0020]优选地，所述c过程中，包括:将基底通过真空吸附在匀胶机上，设定匀胶机转速为400?500r/min时，旋涂时间为7?13s,设定匀胶机转速为2000?3000r/min时，旋涂时间为25?35s ;然后，将基底置于150°C的热板上烘烤15min，然后，将基底放入退火炉中，随炉升温至300°C并于300 °C下退火30min ；
[0021]所述d过程中，包括:将基底通过真空吸附在匀胶机上，设定匀胶机转速为400?500r/min时，旋涂时间为7?13s，设定匀胶机转速为2000?3000r/min时，