1.本发明属于电子信息材料与元器件领域，具体涉及一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法。
背景技术：2.场效应晶体管集成度的提高，使其特征尺寸成倍缩小，由此带来了栅极泄漏电流增大、器件可靠性降低等问题。为此，研究者近年来积极研究高性能高k氧化物介质材料，以替代传统的二氧化硅(sio2)，用作场效应晶体管中的栅介质。其中，二氧化铪(hfo2)因其较高的介电常数(k＝25)和它与硅衬底之间较大的导带差(1.4ev)成为最有希望替代传统sio2的新型高k材料。但是，hfo2薄膜的缺陷密度较高，并具有较强的载流子散射，容易带来迁移率降低以及阈值电压漂移等器件性能的恶化。
3.有研究发现，将稀土元素掺入hfo2形成铪基二元氧化物薄膜，有助于减少材料中的氧空位，降低缺陷密度，并抑制费米钉扎效应，从而进一步改善器件性能。然而，稀土元素普遍具有吸湿性，因此掺入过量的稀土元素会使氧化物薄膜易于潮解，从而增加薄膜的表面粗糙度，引入更多的界面缺陷，最终反而会恶化器件性能。因此，如何精确调控稀土元素与hf之间的元素比例，对于高性能铪基二元氧化物薄膜的制备则显得尤为重要。
4.现有技术在制备铪基二元氧化物薄膜(例如，hfsio4、hftao、hfalo和hfgdo)时，常常采用双靶磁控溅射共沉积法，即通过控制不同靶位的溅射功率(射频模式)或者电流(直流模式)来调控所述二元氧化物薄膜中稀土元素与hf之间的元素比例。其常规的操作是选用两个金属靶或者两个金属氧化物陶瓷靶，或者一个是金属氧化物陶瓷靶与一个是金属靶。由于靶材自身的元素含量固定，要制备不同稀土元素/hf元素比例的二元氧化物薄膜，通常需要如上所述的双靶协同，其工艺繁琐、控制精度有限、成本高，且多靶之间存在交叉污染的风险。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，简化二元氧化物薄膜制备工艺的同时，实现该薄膜内稀土元素与hf之间的元素比例的高效、精确调控。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法,以单晶硅片为衬底，包括衬底清洗和薄膜沉积两个步骤，其中，衬底的清洗为本领域技术人员所熟知的常规操作，在此不作赘述，所述薄膜沉积的步骤为：基于单靶射频磁控溅射技术，采用含有稀土元素与铪(hf)的二元合金靶，通过控制溅射气氛中氩气与氧气的流量比(ar：o2)，来调控所述二元氧化物薄膜中稀土元素与hf之间的元素比例，从而满足高性能栅介质应用需求。
8.进一步的，溅射入射功率为80w～120w，室温下溅射时长为3h。
9.进一步的，溅射过程中，所述二元合金单靶的靶面法线方向应与单晶硅片的法线
方向平行。
10.进一步的，射频磁控溅射时，溅射真空室的气压低于10-5
pa。
11.进一步的，所述衬底为p型，晶相为100的单晶硅片。
12.进一步的，所述稀土元素为镧、钆、镥、钬等中的任意一种。
13.进一步的，溅射过程中，所述氩气流量固定为24sccm，氧气流量在3sccm～10sccm范围内改变，从而实现所述铪基二元氧化物薄膜中la/hf元素比例在2:1～3:1范围内任意调控。
14.本发明还提供了上述技术方案制备得到的hflao薄膜在石墨烯场效应晶体管中的应用。
15.本发明提供的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，利用稀土元素具有更强氧结合能力这一特点，达到如下效果：当通入氧气较少时，优先形成富含稀土元素的氧化物；当通入氧气充足时，薄膜中hf的含量上升。该方法基于单靶射频磁控溅射技术，采用含有稀土元素与铪(hf)的二元合金靶，通过控制溅射气氛中氩气与氧气的流量比，来精准调控所述二元氧化物薄膜中稀土元素与hf之间的元素比例，而无需额外配备其他靶材，其制备工艺简单、控制精度高、成本低，且避免了多靶交叉污染的风险。此外，将本发明制备得到的铪基二元氧化物薄膜可应用于石墨烯场效应晶体管中，能够提升器件性能。
附图说明
16.图1为实施例4件铪镧二元氧化物薄膜样品的eds图；
17.图2为实施例4件铪镧二元氧化物薄膜样品的afm图；
18.图3为实施例铪镧二元氧化物薄膜石墨烯场效应晶体管的结构示意图；
19.图4为实施例铪镧二元氧化物薄膜石墨烯场效应晶体管的制备流程图；
20.图5为采用实施例a组样品中的hflao薄膜作为介质的全背栅石墨烯场效应晶体管和300nm sio2全背栅石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线图；
21.附图标记：
22.1.衬底层；2.介质层；3.石墨烯有源区；4.源电极；5.漏电极。
具体实施方式
23.下面结合实施例及附图对本发明技术方案作进一步描述。
24.本发明提供一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，在实施例中该稀土元素具体为镧元素，采用hf/la合金单靶进行溅射，通过控制溅射过程中氩气和氧气流量比(ar：o2)来调控所得二元氧化物薄膜中的la/hf元素比例，在实验设备条件有限的条件下(只有单靶位)也可以成功制备多元氧化物薄膜。具体的：
25.一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，选用p型重掺杂的单晶硅片为衬底，单晶硅片晶相为(100)，实验包括衬底清洗和薄膜沉积的步骤，衬底的清洗为本领域技术人员所熟知的常规操作，在此不作赘述，所述薄膜沉积的步骤是采用射频磁控溅射技术，采用hf/la(40％hf)合金单靶作为靶材。溅射时hf/la合金单靶的靶面法线方向应与单晶硅片的法线方向平行，其溅射真空室的真空度高于10-5
pa。溅射入射功率范围为80w～120w，本实施例固定为120w。以氩气和氧气的混合气氛作为反应气氛，其中通入氩气流量
固定为24sccm，通入氧气的流量为3sccm～10sccm；室温下溅射沉积3h，通过控制通入气氛氩氧比(ar：o2)得到hf/la元素比例符合应用需求的hflao薄膜。
26.按照上述步骤，本实施例控制通入气氛氩氧比，将通入氧气的流量分别设置为3sccm、4sccm、6sccm、10sccm，制备出4组样品，依次编号为abcd，4组样品中代表性样品的eds扫描图如图1所示，各自对应的表面形貌图如图2所示。根据测试结果，将实验条件和薄膜特性总结比较，如表1所示。
[0027][0028]
表1 4件样品的元素比例
[0029]
根据表1展示的内容可知，随着氧气流量的增大，沉积薄膜中la与hf的元素比例逐渐从3：1降低到2：1，说明氧气流量可以直接影响到沉积薄膜的化学计量比。产生这种比例变化的主要原因有两点：一是在金属蒸镀中存在一个“饱和蒸气压”的概念，该定义是将固体或液体放于密闭容器内，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的蒸气形成蒸气压，在一定温度下，当单位时间内蒸发出来的分子数同凝结在器壁和回到蒸发物质的分子数相等时的蒸气压。蒸气压会直接影响蒸发速率，不同物质的蒸气压随物理化学性质的差异而不同。本实施例中使用的hf/la合金靶，虽然采用的是溅射镀膜的方式，但是溅射过程中会使靶材升温，也就是说，蒸发过程在本实施例中是仍然存在的，其中金属hf和金属la不同的饱和蒸气压造成了元素hf与元素la沉积速率的差异，导致薄膜中元素比例与靶材中元素比例不同。二是由于溅射出来的hf粒子和la粒子的“亲氧力”不同，反应溅射沉积到衬底上的hf和la的氧化物含量不同。la元素具有吸氧吸湿易潮解的特性，吸附氧气的能力大于hf元素，当氧气流量较小时，被电离的氧原子会优先被溅射出来la原子吸附，使得沉积的薄膜中la元素的比例远远高于hf元素；随着氧气流量逐渐增大，溅射出来的la原子数量却不会增加，多余的氧都会与hf原子结合，因此沉积的薄膜中la与hf的比例逐渐下降。
[0030]
基于上述实施例制备得到的hflao薄膜，本实施例还提供该hflao薄膜在石墨烯场效应晶体管中的应用。图3为实施例铪镧二元氧化物薄膜石墨烯场效应晶体管的剖面示意图；如图3所示，该晶体管包括衬底层1、介质层2、石墨烯有源层3、源电极4和漏电极5；衬底层1上设有介质层2，介质层2被划分为源电极区、有源区和漏电极区组成；石墨烯有源层3制作在介质层2的有源区，介质层2的源电极区与石墨烯有源层3之间设有源电极4，介质层2的漏电极区与石墨烯有源层3之间设有漏电极5。其整个制作工艺流程如图4所示，与常规石墨烯场效应晶体管不同的是：衬底层1材料为p型重掺杂的(100)单晶硅，既是衬底材料又作为栅电极；选用了上述制备方法得到的hflao薄膜作为介质层2。
[0031]
图5为采用实施例a组中的hflao薄膜样品作为介质的全背栅石墨烯场效晶体管和采用300nm sio2作为介质的全背栅石墨烯场效晶体管的转移特性曲线图。从图5中可以看出，选用hflao薄膜作为介质层后，石墨烯场效应晶体管的狄拉克点(曲线中的转折点)从
46v变为1.8v，已经很接近石墨烯的本征狄拉克点(0v)。相较于300nm sio2介质的全背栅石墨烯场效应晶体管，性能得到大幅提升。由此可见，本发明制备的稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜应用于石墨烯场效应晶体管中，且当其应用于石墨烯场效应晶体管中后，一方面避免了石墨烯上难以沉积高k介质的问题，另一方面为石墨烯场效晶体管提供了新的高k栅介质材料选择，对比传统sio2栅介质的石墨烯场效应管性能明显提升。
[0032]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，主要包括衬底清洗和薄膜沉积两个步骤，其特征在于：所述薄膜沉积步骤是基于单靶射频磁控溅射技术，采用含有稀土元素与铪的二元合金靶，通过控制溅射气氛中氩气与氧气的流量比，来调控所述二元氧化物薄膜中稀土元素与hf之间的元素比例，从而满足高性能栅介质应用需求。2.根据权利要求1所述的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：溅射功率为80w～120w，室温下溅射时长为3h。3.根据权利要求1所述的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：溅射时，所述二元合金靶的靶面法线方向与衬底法线方向平行。4.根据权利要求1所述的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：溅射时，真空腔室的气压低于10-5
pa。5.根据权利要求1所述的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述衬底为p型，晶相为100的单晶硅片。6.根据权利要求1所述的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述稀土元素为镧、钆、镥、钬等中的任意一种。7.根据权利要求6所述的一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：所述氩气流量固定为24sccm，所述氧气流量在3sccm～10sccm范围内变化，从而实现所述二元氧化物薄膜中la/hf元素比例在2:1～3:1范围内任意调控。8.根据权利要求1～7任一项所述的稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法所制备的二元氧化物薄膜在石墨烯场效应晶体管中的应用。
技术总结本发明属于电子信息材料与元器件领域，具体涉及一种稀土元素掺入的铪基二元氧化物薄膜的制备方法及其应用。利用稀土元素具有更强氧结合能力这一特点，达到如下效果：当通入氧气较少时，优先形成富含稀土元素的氧化物；当通入氧气充足时，薄膜中Hf的含量上升。该方法基于单靶射频磁控溅射技术，采用含有稀土元素与铪(Hf)元素的二元合金靶，通过控制溅射气氛中氩气与氧气的流量比，来精准调控所述二元氧化物薄膜中稀土元素与Hf之间的元素比例，而无需额外配备其他靶材，其制备工艺简单、控制精度高、成本低，且避免了多靶交叉污染的风险。此外，将本发明制备得到的铪基二元氧化物薄膜应用于石墨烯场效应晶体管中。用于石墨烯场效应晶体管中。用于石墨烯场效应晶体管中。
技术研发人员：钱凌轩 谭欣月
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/7/5
