一种高介电材料锂磷氧氮
阅读：165发布：2023-03-06
专利汇可以提供一种高介电材料锂磷氧氮专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种新的高介电材料氮化的Li3PO4 薄膜 ，简称锂磷 氧 氮(LiPON)，它具有介电性能，其 介电常数 在14～26之间。本发明对Al/Liipon/Si电容器的电容－ 电压 (C－V)和电容－ 电流 (I－V)的特性进行了测量。结果表明：Lipon薄膜是一个高的介电材料， 漏电流 在 电场 强度为107V/m时低于～10－6A/cm2，慢界面态 密度 在～1012cm－2，在 硅 禁代中央处的界面态密度估计为～1011eV－1cm－2。Al/Lipon/Al结构的等温瞬态离子流测量的结果显示了Lipon薄膜有很明显的极化。，下面是一种高介电材料锂磷氧氮专利的具体信息内容。
技术领域
本发明属半导体材料技术领域，具体为一种新的高介电材料锂磷氧氮。
背景技术
随着电子技术向高密度与高速度方向发展，集成电路必须更微型化。目前，主要问题 之一是如何增加集成电容器中单位面积的电容。诸如，在动态随机存取存储器(DRAM)中的 电容元件的集成电容，传统的SiO2/Si3N4介电层的介电常数小(小于4)。使用高介电常数的 材料代替它们，能够增加集成电容器中单位面积的电容，使集成电路更微型化与集成化。 目前，许多研究主要集中在一些金属氧化物，如Ta2O5，TiO2，HfO2，ZrO2等。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的高介电材料，以增加集成电容器中单位面积的电容， 使集成电路更微型化和集成化。
本发明提出的高电介质材料，是一种玻璃态锂磷氧氮Li3PO4Nx( Lithium Phosphorous Oxy nitride，简记为LIPON)，其中x表示N的含量，N的含量为7-18％，介电常数16.8-18。 是一种稳定的无机电解质，具有离子导电率高，热力学、稳定性好和宽的电化学窗口等优 点，是一个比较理想的固体电解质材料。
本发明中，锂磷氧氮薄膜可采用射频磁控溅射制备。即通过射频磁控溅射Li3PO4靶， 在N2或He+N2环境下通过反应性沉积锂磷氧氮薄膜。也可以采用热蒸发与离子束辅助 (IBDA)结合的方法制备锂磷氧氮薄膜。此外，还可以采用脉冲激光沉积法制备锂磷氧氮薄 膜。
但关于锂磷氧氮的介电性能的研究还未见报道。
本发明中制备的薄膜结构由X-射线衍射仪(Rigata/Max-C)确定。X-射线衍射图谱表明 得到的薄膜均为无定形的非晶结构。
本发明中薄膜的组成由X射线光电子能谱(XPS)与电子损失谱(EDX)进行表征。光电 子能谱和红外傅立叶光谱(FTIR，Bruker IFS 113V，德国)薄膜等用于表征薄膜的化学 组成和薄膜结构。
由上述方法制备的锂磷氧氮薄膜(LiPON)，经XPS与EDX测定表明Li，P，O和N元素的存在，N的含量在7％～18％之间。Nls XPS显示至少有三种N键插入方式。
薄膜的厚度采用椭圆偏振分析仪与台界仪来测量。
结合热蒸发的方法，组装金属Al/LIPON/Si的金属氧化物半导体结构(MOS)。与 Al/Lipon/Al的金属氧化物金属(MIM)。
由HP 4275A型阻抗分析仪测定了在1MHz下Al/Lipon/Si电容器的电容-电压(C-V) 曲线(见图1所示)。测量时，电压从积累区扫向深耗尽区，然后再返回。能够得到一个 典型的C-V曲线。根据C-V曲线上积累区的电容值，薄膜的厚度，以及MOS电容器的 电极面积，计算出MOS电容器的平均相对介电常数为14.9~26。根据回弛量，慢界面态密 度为～1012cm-2。利用Terman方法在硅禁代中央处的界面态密度估计为～1011eV-1cm-2。
由电化学工作站Chi660a测量了Al/Lipon/Al的等温瞬态离子流曲线(ITIC)(见图2 所示)与Al/Lipon/Si电容器的电容-电流(I-V)的曲线(见图3所示)。ITIC曲线上开始 有一个由于极化产生的强信号。这证实了Lipon具有介电特性。Al/Lipon/Si电容器的I-V 曲线显示了电容器在2V的漏电流小于10-6A/cm2
这些结果表明了Lipon薄膜是一个非常好的介电材料。
附图说明
图1为Al/Lipon/Si的C-V曲线。
图2为Al/Lipon/Al与Al/Li3PO4/Al的ITIC曲线，插图为方程的拟合。
图3为Al/Lipon/Si与Al/Li3PO4/Si的I-V曲线。
本发明提出的高电介质材料，是一种玻璃态锂磷氧氮Li3PO4Nx( Lithium Phosphorous Oxy nitride，简记为LIPON)，其中x表示N的含量，N的含量为7-18％，介电常数16.8-18。 是一种稳定的无机电解质，具有离子导电率高，热力学、稳定性好和宽的电化学窗口等优 点，是一个比较理想的固体电解质材料。
本发明中，锂磷氧氮薄膜可采用射频磁控溅射制备。即通过射频磁控溅射Li3PO4靶， 在N2或He+N2环境下通过反应性沉积锂磷氧氮薄膜。也可以采用热蒸发与离子束辅助 (IBDA)结合的方法制备锂磷氧氮薄膜。此外，还可以采用脉冲激光沉积法制备锂磷氧氮薄 膜。
但关于锂磷氧氮的介电性能的研究还未见报道。
本发明中制备的薄膜结构由X-射线衍射仪(Rigata/Max-C)确定。X-射线衍射图谱表明 得到的薄膜均为无定形的非晶结构。
本发明中薄膜的组成由X射线光电子能谱(XPS)与电子损失谱(EDX)进行表征。光电 子能谱和红外傅立叶光谱(FTIR，Bruker IFS 113V，德国)薄膜等用于表征薄膜的化学 组成和薄膜结构。
由上述方法制备的锂磷氧氮薄膜(LiPON)，经XPS与EDX测定表明Li，P，O和N元素的存在，N的含量在7％～18％之间。Nls XPS显示至少有三种N键插入方式。
薄膜的厚度采用椭圆偏振分析仪与台界仪来测量。
结合热蒸发的方法，组装金属Al/LIPON/Si的金属氧化物半导体结构(MOS)。与 Al/Lipon/Al的金属氧化物金属(MIM)。
由HP 4275A型阻抗分析仪测定了在1MHz下Al/Lipon/Si电容器的电容-电压(C-V) 曲线(见图1所示)。测量时，电压从积累区扫向深耗尽区，然后再返回。能够得到一个 典型的C-V曲线。根据C-V曲线上积累区的电容值，薄膜的厚度，以及MOS电容器的 电极面积，计算出MOS电容器的平均相对介电常数为14.9~26。根据回弛量，慢界面态密 度为～1012cm-2。利用Terman方法在硅禁代中央处的界面态密度估计为～1011eV-1cm-2。
由电化学工作站Chi660a测量了Al/Lipon/Al的等温瞬态离子流曲线(ITIC)(见图2 所示)与Al/Lipon/Si电容器的电容-电流(I-V)的曲线(见图3所示)。ITIC曲线上开始 有一个由于极化产生的强信号。这证实了Lipon具有介电特性。Al/Lipon/Si电容器的I-V 曲线显示了电容器在2V的漏电流小于10-6A/cm2
这些结果表明了Lipon薄膜是一个非常好的介电材料。
附图说明
图1为Al/Lipon/Si的C-V曲线。
图2为Al/Lipon/Al与Al/Li3PO4/Al的ITIC曲线，插图为方程的拟合。
图3为Al/Lipon/Si与Al/Li3PO4/Si的I-V曲线。
具体实施方式
实施例1
采用电子束加热方法与氮离子源发生器相结合的方法制备Lipon薄膜。首先用分子泵 将真空室的气压抽到1.0×10-3Pa。该真空系统同时配有一个离子偶合等离子(ICP)的装置。 离子偶合等离子器的工作功率在250瓦。由一针阀控制通入离子偶合等离子腔的高纯氮气 体流量(99.99％)，产生的氮等离子体自由扩散到蒸发真空室，扩散口的方向正对沉积基 片上。调节氮气流量使真空反应室的气压保持在2×10-2Pa。蒸发时，电子枪输出的功率 300瓦。基片与LiPO3靶距离为40厘米。基片的温度为常温。N-(100)Si(电阻为1~10Ωcm) 与覆盖有金属Al的玻璃片作为基片。LiPO3靶由进口Li3PO4(99.99％)粉末压成圆片，经 600℃退火2h制成。
由X-射线衍射测定表明沉积的薄膜为无定形的非晶结构。
薄膜的厚度采用椭圆偏振分析仪与台界仪来测量。
XPS与EDX结果表明了Li，P，O和N元素的存在，N的含量大致在12％。Nls XPS 显示至少有三种N键插入方式。
结合热蒸发的方法，组装金属Al/LIPON/Si的金属氧化物半导体结构(MOS)与 Al/Lipon/Al的金属氧化物金属(MIM)。
由HP 4275A型阻抗分析仪测定了在1MHz下Al/Lipon/Si电容器的电容-电压(C-V) 曲线。测量时，电压从积累区扫向深耗尽区，然后再返回。能够得到一个典型的C-V曲 线。根据C-V曲线上积累区的电容值1161.5pF，薄膜的厚度(200nm)，以及MOS电容 器的电极面积(0.0176cm2)，计算出MOS电容器的平均相对介电常数为14.9。根据回弛 量(0.12)，估计慢界面态密度～8.7×1012cm-2。利用Terman方法在硅禁代中央处的界面态 密度估计为～3.4×1011eV-1cm-2。
平带电压为-0.42V，在Si表面与Lipon薄膜中总的电荷数目估计为9.1×1010/cm3.
由电化学工作站Chi660a测量了Al/Lipon/Al的等温瞬态离子流曲线(ITIC)与 Al/Lipon/Si电容器的电容-电流(I-V)的曲线。ITIC曲线上开始有一个由于极化产生的 强信号。这证实了Lipon具有介电特性。Al/Lipon/Si电容器的I-V曲线显示了电容器在 2V的漏电流小于10-6A/cm2
这些结果表明了由电子束蒸发与离子束辅助相结合制备的Lipon薄膜是一个具有广阔 应用前景的介电材料。
采用电子束加热方法与氮离子源发生器相结合的方法制备Lipon薄膜。首先用分子泵 将真空室的气压抽到1.0×10-3Pa。该真空系统同时配有一个离子偶合等离子(ICP)的装置。 离子偶合等离子器的工作功率在250瓦。由一针阀控制通入离子偶合等离子腔的高纯氮气 体流量(99.99％)，产生的氮等离子体自由扩散到蒸发真空室，扩散口的方向正对沉积基 片上。调节氮气流量使真空反应室的气压保持在2×10-2Pa。蒸发时，电子枪输出的功率 300瓦。基片与LiPO3靶距离为40厘米。基片的温度为常温。N-(100)Si(电阻为1~10Ωcm) 与覆盖有金属Al的玻璃片作为基片。LiPO3靶由进口Li3PO4(99.99％)粉末压成圆片，经 600℃退火2h制成。
由X-射线衍射测定表明沉积的薄膜为无定形的非晶结构。
薄膜的厚度采用椭圆偏振分析仪与台界仪来测量。
XPS与EDX结果表明了Li，P，O和N元素的存在，N的含量大致在12％。Nls XPS 显示至少有三种N键插入方式。
结合热蒸发的方法，组装金属Al/LIPON/Si的金属氧化物半导体结构(MOS)与 Al/Lipon/Al的金属氧化物金属(MIM)。
由HP 4275A型阻抗分析仪测定了在1MHz下Al/Lipon/Si电容器的电容-电压(C-V) 曲线。测量时，电压从积累区扫向深耗尽区，然后再返回。能够得到一个典型的C-V曲 线。根据C-V曲线上积累区的电容值1161.5pF，薄膜的厚度(200nm)，以及MOS电容 器的电极面积(0.0176cm2)，计算出MOS电容器的平均相对介电常数为14.9。根据回弛 量(0.12)，估计慢界面态密度～8.7×1012cm-2。利用Terman方法在硅禁代中央处的界面态 密度估计为～3.4×1011eV-1cm-2。
平带电压为-0.42V，在Si表面与Lipon薄膜中总的电荷数目估计为9.1×1010/cm3.
由电化学工作站Chi660a测量了Al/Lipon/Al的等温瞬态离子流曲线(ITIC)与 Al/Lipon/Si电容器的电容-电流(I-V)的曲线。ITIC曲线上开始有一个由于极化产生的 强信号。这证实了Lipon具有介电特性。Al/Lipon/Si电容器的I-V曲线显示了电容器在 2V的漏电流小于10-6A/cm2
这些结果表明了由电子束蒸发与离子束辅助相结合制备的Lipon薄膜是一个具有广阔 应用前景的介电材料。
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