前驱体空间分隔式制备铝酸铋薄膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种祕基氧化物薄膜材料，具体地说是一种BiAl〇3铁电薄膜材料及其 制备方法。
【背景技术】 阳00引近来人们发现祕基铁电材料如铁酸祕（BiFe〇3)、铁酸祕（BiJisO。)、侣酸祕 度iAl化）等巧铁矿或歴巧铁矿结构的铁电氧化物具有漏电小、抗疲劳特性强、介电常数大 W及对环境友好等特点而备受关注。近年来，人们对铁酸祕度iFe〇3)和铁酸祕度iJisOiz) 的设计、制备、物理化学性质及在生产和生活中的应用有了普遍的认识和理解，2005年 Baettig等人从理论上预言了侣酸祕度iAl〇3)同样具有优异的铁电性能，然而目前人们对 侣酸祕度iAl〇3)材料的制备技术还极为缺乏，仅有报导采用高溫高压固相反应法（压强在 GPa量级、溫度为一千多摄氏度）制备得到侣酸祕度iAl〇3)的块体材料，而运样高溫、高压 生产条件，显然不适合运用于微电子行业进行器件、集成电路的生产，其块体材料也无法应 用于越来越微型化、集成度越来越高的微电子领域，而适用于微电子领域的侣酸祕薄膜的 制备工艺尚未有报导。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种可精确控制薄膜厚度的空间 分离式自限制性表面吸附反应制备的BiAl化薄膜材料的方法。实现本发明目的具体技术 方案是：
[0004] 一种BiAl〇3薄膜材料的制备方法，所述BiAlO3薄膜材料的空间群为R3C，晶格常 数为a=7.6llA, c=7.942A， 阳0化]包括但不限于W下具体步骤：
[0006] A)将清洗洁净的衬底材料用惰性气体吹干，放置入衬底托盘中；
[0007] B)托盘连同衬底移入真空反应腔，开启真空累对真空反应腔进行抽真空；
[0008] C)对真空腔进行加热，使真空腔中的托盘和衬底的溫度在整个薄膜生长过程中维 持在一个恒定的溫度值，该溫度值处于一个合适的溫度窗口；
[0009] 所选择的合适的溫度窗口是指：在合适的溫度范围内，即衬底的溫度高于一个溫 度下限而低于一个溫度上限，且前驱体气体供应的流速大于最低限值的情况下，薄膜的生 长速率为一个基本恒定的值，薄膜的生长速率与前驱体气体供应的流速、载气即惰性气体 的流速、前驱体的溫度、衬底的溫度、真空腔的分隔空间的真空度基本无关，运里所述的"基 本无关"是指：即使薄膜的生长速率在此溫度窗口中有波动，也是轻微波动，当生长溫度超 出此溫度窗口即低于溫度下限或高于溫度上限，薄膜的生长速率会显著地增加或减小；
[0010] 在溫度窗口内，沉积速率不随溫度变化；当溫度不够高时，前驱体冷凝引起多层吸 附导致过高的沉积速率，或导致吸附不完全，反应活性差；溫度过高时前驱体分解导致额外 的CVD式生长，或由于过高的热动能，前驱体解吸附；
[0011] 真空反应腔中包括有多个分隔空间，分别用于通入祕前驱体气体、侣前驱体气体、 氧前驱体气体、惰性气体；
[0012] D)当真空腔溫度恒定一段时间后，设定托盘连同衬底转动的圈数，真空反应腔的 不同分隔空间分别通入惰性气体、Ξ(2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酬酸）祕（III)或其他 祕前驱体气体、氧前驱体气体W及Ξ甲基侣气体或其他侣前驱体气体；所有前驱体气体均 分别采用惰性气体进行输运；
[0013] 巧衬底托盘带动衬底材料一起运动，在通入Ξ(2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酬 酸）祕（III)或其他祕前驱体气体的分隔空间、通入惰性气体的分隔空间、通入Ξ甲基侣气 体或其他侣前驱体气体的分隔空间、通入氧前驱体气体的分隔空间等四种分隔空间之间通 过；
[0014] 巧当托盘和衬底转动达到设定的圈数时，停止转动，薄膜厚度达到所需值，得到一 定厚度的BiAl〇3薄膜材料，停止通入祕前驱体、侣前驱体、氧前驱体，继续通入惰性气体，停 止托盘和衬底，停止真空腔的加热进行自然冷却；
[0015] G)真空腔达到或接近室溫时，关闭真空累，对真空反应腔进行充气使其气压达到 一个大气压，取出已沉积得到BiAl〇3薄膜材料的衬底；
[0016] H)将步骤G中得到的附着有BiAl〇3薄膜材料的衬底，放入快速退火炉中，进行快 速热退火处理，自然冷却后取出。
[0017] 经X射线衍射狂畑）测试及结构精修证实，经过步骤H)所得到的BiAl〇3薄膜材 料的空间群为R3c，晶格常数为a=7.61U，c=7.942A-,
[0018] 由于本发明的方法可实现薄膜生长时厚度精确可控，但每次生长最多仅得到一个 原子层的材料，生长速度较低，因此，通常用于生长数个纳米至几十纳米的厚度的BiAl化薄 膜材料，最多几百纳米，小于500纳米，否则其过低的生长速度将会变得无法接受。
[0019] 在本发明中，各个分隔空间均为半开放式半封闭式的容器，运些容器均为一段敞 口，另一端封闭并设置有气体管路，气体管路用于通入前驱体和/或惰性气体；
[0020] 托盘为圆盘状，并均匀地分布有多个浅槽W容纳衬底，浅槽的深度与衬底的厚度 基本相同，W保证衬底在运动过程中不与其他部件发生磕碰为原则。
[0021] 在薄膜生长过程中，托盘带着衬底一起在各个半开放式半封闭式的容器的敞口端 运动，并且托盘离其容器口具有一定的距离或称缝隙，该距离在毫米级，W使得通入其中的 气体得W从该缝隙排出，并确保托盘带着衬底运动时不会与容器口发生碰撞；
[0022] 前述运些分隔空间的排布规律如下：
[0023] 分别WB、A、0、N分别代表祕前驱体气体、侣前驱体气体、氧前驱体气体、惰性气 体，则：
[0024] 在任意一个通入Ξ(2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酬酸）祕（ΠΙ)气体或氧前驱 体气体或Ξ甲基侣气体的分隔空间的最邻近的一侧或两侧，都还具有一个或多个通入惰 性气体的分隔空间，通常为一个或两个分隔空间，即，例如：BN……，或AN……，或ON……， 或......NBN......，或......NAN......，或......NON......，此处省略号"......"表示其他可能的排列 序列；且在满足上述条件的情况下， 阳0巧]在任意一个通入Ξ(2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酬酸）祕（ΠΙ)气体或Ξ甲基 侣气体的分隔空间的次邻近侧，都还具有一个或多个通入氧前驱体气体的分隔空间，通常 为一个分隔空间，即，例如：......NONBN......，或......NONAN......，或......NBNON......，或...... ΝΑΝΟΝ……，此处省略号"……"表示其他可能的排列序列；且在满足上述条件的情况下，
[0026] 通入S化2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酬酸）祕（III)的分隔空间、通入氧前 驱体气体的分隔空间、通入Ξ甲基侣气体的分隔空间、通入惰性气体的分隔空间可 任意次序排列，可W是多组通入Ξ(2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酬酸）祕（III)的分 隔空间或通入氧前驱体气体的分隔空间或通入Ξ甲基侣气体的分隔空间和通入惰性 气体的分隔空间依次连续分布，再邻接一组或多组通入其余前驱体气体的分隔空间； 换言之，一个或多个通入Ξ甲基侣气体的分隔空间、一个或多个通入Ξ化2, 6, 6-四 甲基-3, 5-庚二酬酸）祕（III)的分隔空间、一个或多个通入氧前驱体气体的分隔 空间可任意次序排列，举例而言，通入祕前驱体气体、氧前驱体气体、侣前驱体气 体、惰性气体的几种分隔空间的排序可W是......ΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΑΝ0ΝΒΝ0ΝΑΝ0Ν......， 也可W是......ΒΝ0ΝΑΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΑΝ0Ν......，还可W是...... ΑΝ0ΝΑΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0Ν......，或......ΑΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΒΝ0ΝΑΝ0ΝΒΝ0Ν......等等； 此处省略号"……"表示其他可能的排列序列；
[0027] 在真空反应腔中的各分隔空间的数量为4的倍数且不小于8,例如：8,12,16， 20……等等；各分隔空间依次相邻并首尾衔接形成闭合环，托盘和衬底在运些分隔空间形 成的气体氛围中运动；，各个分隔空间用于通入祕前驱体气体、氧前驱体气体、侣前驱体气 体、惰性气