一种金属-铁电体-绝缘体-半导体结构的制备方法，它是一种MFIS结构中Bi2SiO5绝缘层的原位生长技术，其特征在于：利用氧化铋易挥发性，通过Bi盐前驱体溶胶在热处理过程中生成Bi2O3，在铁电层BiFeO3生长温度下一方面与Si衬底上的非晶SiO2反应生成绝缘层，同时另一方面补充铁电层生长过程中所缺失的Bi；该方法有七大步骤。本发明专利技术构思科学，工艺简单，在微电子新材料技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，尤其涉及一种原位生长绝缘层的金属-铁电体-绝缘体-半导体(MFIS)结构的制备方法，它是一种薄膜原位生长技术以及利用该技术制备一种用于非易失铁电储存器的铁电金属-铁电体-绝缘体-半导体结构，属于微电子新材料
技术介绍
铁电材料具有自发极化、存在两种极化状态，因此可用于信息存储领域。作为一种非易失存储器，其存储的信息不会因为断电而丢失，铁电存储器(FerroelectricRandomAccess Memory, FeRAM)有着很好的应用前景。目前商用FeRAM主要由一个晶体管和一个铁电电容器构成(1T-1C)，多用于智能卡、移动通信和个人用数据存储器，如U盘、personal digital assistant (PDA)等。但是FeRAM数据存储密度低,数据的读出操做具 有破坏性，为改进这些缺点，在FeRAM基础上发展了场效应晶体管FeRAM(FETFeRAM)。改进后的FETFeRAM具有存储单元小、低能耗、非破坏性读数据操纵等优点，但是这种结构中存在铁电薄膜与Si基片在界面处有互扩散、两者的热应力不匹配(Si的热膨胀系数一般小于常见氧化物)等不利因素，降低了 FETFeRAM的性能。为克服以上缺点，在铁电层与半导体Si层之间插入一层绝缘材料，构成金属-铁电体-绝缘体-半导体结构(Metal FerroelectricInsulator Semiconductor,MFIS)0 MFIS结构中绝缘层作用为隔离铁电层与Si衬底,避免二者在界面处反应。因此要求绝缘材料具有好的热稳定性、低漏电流、较高的介电常数、以及能与Si形成良好的界面。常用于MFIS结构的绝缘材料有Y203，HfO2, Zr02，Al2O3, SrTiO3等。构成MFIS结构的铁电材料有(Bi，La) Ji3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2Nb2O9等Bi层状钙钛矿结构，因为它们具有良好的铁电性能、且耐疲劳性好、保持力长，在FETFeRAM领域十分有潜力。BiFeOJt为近几年兴起的一种具有优良铁电性能的无铅铁电材料，其薄膜的剩余极化强度(P,)高达 100 μ C/cm2,有望替代传统铁电材料Pb (ZixTih) 03。目前，将BiFeO3应用到FETFeRAM领域的研究还比较少，已有报道的结构有BiFe03/SrTi03/GaN，BiFe03/Zr02/Si和BiFe03/Bi2Ti207/Si。电容-电压(C-V)曲线是MFIS结构重要的电性能表征，由于MFIS结构中铁电材料的极化翻转引起C-V曲线出现明显的滞回特征，常用“记忆窗口”(memorywindow, Vm)来评价MFIS结构的性能；Vm的大小为来回两条C-V曲线在不重合处的宽度，理论上记忆窗口等于2V。(V。铁电薄膜矫顽电压)。但目前报导的这些MFIS记忆窗口值离理论值差距较大，最主要的原因来自于半导体Si或是金属电极中的电荷注入。为此提高铁电体/绝缘层和绝缘层/Si两个界面结合是降低Si电荷注入提高MFIS性能的有效途径。寻找合适的中间绝缘层材料是实现MFIS结构良好性能的关键。考虑到Bi2SiO5为Bi-O和Si-O层状结构，介电常数在30左右，具有好的热稳定性，漏电流小。更重要的是，Bi2SiO5 (100)面与Si (100)面失配度为 0. 5%，可与Si形成良好的界面；且研究表明，在Bi2Si05/Si界面处电荷的注入和捕获很少，因此选用Bi2SiO5作为基于BiFeO3铁电薄膜的MFIS结构的绝缘层，构建Pt/BiFe03/Bi2Si05/Si铁电存储器。
技术实现思路
本专利技术提供了，它是一种MFIS结构中Bi2SiO5绝缘层的原位生长技术，其特征在于利用氧化铋易挥发性，通过Bi盐前驱体溶胶在热处理过程中生成Bi2O3，在铁电层BiFeO3生长温度下一方面与Si衬底上的非晶SiO2反应生成绝缘层，同时另一方面补充铁电层生长过程中所缺失的Bi。本专利技术另一方面是构建了一种·基于BiFeO3铁电薄膜的MFIS结构,其特征为生长在单晶Si上的Pt/BiFe03/Bi2Si05多层膜，具有较优异的性能，记忆窗口可达3. 5伏。本专利技术，该方法具体步骤如下步骤一 Bi氧化物前驱体溶胶由硝酸铋(Bi (NO3)3 ·6Η20)与柠檬酸按摩尔比I :1· 5溶于乙二醇独甲醚中，所得溶液浓度为O. 15mol/L。步骤二 =BiFeO3溶胶前驱体溶液由硝酸铋(Bi (NO3)3 · 6H20),硝酸铁((FeNO3)3 · 6H20)与柠檬酸按阳离子摩尔比I :I. 5溶于乙二醇独甲醚中，所得溶液浓度为O. 2mol/L，搅拌均匀后静置24小时。步骤三Si基片依次采用去离子水、无水乙醇和去离子水在超声环境中清洗10分钟，之后置于快速热处理炉中迅速升温至500° C保温5分钟后冷却至室温。步骤四将处理后的Si基片置于匀胶机上，旋涂一层Bi氧化物前驱体溶胶，转速3000rpm,旋涂时间30秒，成膜后将所成膜在80° C下烘干半小时，放入快速热处理炉，迅速升温至200° C保温5分钟，然后再快速升温至400° C保温5分钟，降温后得到由一层薄Bi2O3覆盖的Si基片。步骤五在Bi2O3覆盖的基片上旋涂BiFeO3溶胶，转速4000rpm，旋涂时间30秒，成膜，将所成湿膜在80° C下烘干半小时，放入快速热处理炉进行有机物分解排焦热处理迅速升温至200° C保温5分钟，然后再快速升温至400° C保温5分钟，降温后重复以上工艺，通过控制旋涂次数，得到预定厚度的无定形薄膜。步骤六最后一次旋涂的BiFeO3薄膜在400° C保温5分钟后迅速升温至结晶温度625° C保温5分钟，使得BiFeO3薄膜结晶的同时，Bi2O3与Si表面自然氧化形成的无定型SiO2反应原位生成Bi2SiO5，得到BiFe03/Bi2Si05/Si结构。步骤七溅射电极材料一金属钼电极104，即构成基于BiFeO3铁电薄膜的如图I所示的MFIS结构。优点及功效本专利技术与现有技术比较，其主要优点是工艺步骤简便，充分利用Bi系化合物特点，同时生成MFIS结构中的绝缘层和铁电层，所得MFIS结构性能优异，主要技术指标记忆窗口值在电场强度35kV/_时可达3. 5V。附图说明图I :本专利技术MFIS结构示意图101—半导体Si衬底，102—原位生长的中间绝缘层，103—多铁性薄膜，104—金属钼电极图2 :本专利技术MFIS结构中多铁性(BFO)/绝缘体(BSO)/半导体Si界面处高分辨透射电子显微镜(HRTEM)3 :本专利技术MFIS结构扫描电子显微镜(SEM)图及紫色线所示区域内沿线扫描的X射线能谱(EDX)图4 :不同电压条件下本专利技术MFIS结构的电容-电压(C-V)曲线图5:为本专利技术流程框图。具体实施例方式见图5，本专利技术一种金属-铁电体-绝缘体-半导体(MFIS)结构的制备方法，该方法具体步骤如下 步骤一 Bi氧化物前驱体溶胶由硝酸铋(Bi (NO3)3 ·6Η20)与柠檬酸按摩尔比I :1· 5溶于乙二醇独甲醚中，所得溶液浓度为O. 15mol/L。步骤二 =BiFeO3溶胶前驱体溶液由硝酸铋(Bi (NO3)3 · 6H20),硝酸铁((FeNO3)3 · 6H20)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金属？铁电体？绝缘体？半导体结构的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：Bi氧化物前驱体溶胶由硝酸铋（Bi(NO3)3·6H2O）与柠檬酸按摩尔比1：1.5溶于乙二醇独甲醚中，所得溶液浓度为0.15mol/L；步骤二：BiFeO3溶胶前驱体溶液由硝酸铋（Bi(NO3)3·6H2O），硝酸铁（(FeNO3)3·6H2O）与柠檬酸按阳离子摩尔比1：1.5溶于乙二醇独甲醚中，所得溶液浓度为0.2mol/L，搅拌均匀后静置24小时；步骤三：Si基片依次采用去离子水、无水乙醇和去离子水在超声环境中清洗10分钟，之后置于快速热处理炉中迅速升温至500°C保温5分钟后冷却至室温；步骤四：将处理后的Si基片置于匀胶机上，旋涂一层Bi氧化物前驱体溶胶，转速3000rpm，旋涂时间30秒，成膜后将所成膜在80°C下烘干半小时，放入快速热处理炉，迅速升温至200°C保温5分钟，然后再快速升温至400°C保温5分钟，降温后得到由一层薄Bi2O3覆盖的Si基片；步骤五：在Bi2O3覆盖的基片上旋涂BiFeO3溶胶，转速4000rpm，旋涂时间30秒，成膜，将所成湿膜在80°C下烘干半小时，放入快速热处理炉进行有机物分解排焦热处理：迅速升温至200°C保温5分钟，然后再快速升温至400°C保温5分钟，降温后重复以上工艺，通过控制旋涂次数，得到预定厚度的无定形薄膜；步骤六：最后一次旋涂的BiFeO3薄膜在400°C保温5分钟后迅速升温至结晶温度625°C保温5分钟，使得BiFeO3薄膜结晶的同时，Bi2O3与Si表面自然氧化形成的无定型SiO2反应原位生成Bi2SiO5，得到BiFeO3/Bi2SiO5/Si结构；步骤七：溅射电极材料——金属铂电极，即构成基于BiFeO3铁电薄膜的MFIS结构。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王瑶，陈静怡，邓元，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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