CN101447420A - 一种制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，该方法包括：清洗硅片；对清洗后的硅片进行淀积前氧化；在氧化后的硅片上淀积高介电常数的HfSiON栅介质薄膜；对淀积了HfSiON栅介质薄膜的硅片进行超声清洗；对清洗后的硅片进行淀积后退火；在退火后的硅片上形成金属栅。利用本发明，解决了随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，尤其涉及一种用于纳米尺度互补型金属氧化物半导体器件制造的高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮(HfSiON)的制备方法，以解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题。
背景技术
40多年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功能越来越强。随着器件尺寸的不断减小，栅氧化层厚度随之减薄。
目前，金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)的特征尺寸已进入亚50纳米，栅氧化层厚度将减小到1.2纳米以下。栅氧化层如此之薄，如果仍采用传统氧化硅栅介质，直接隧穿电流将成指数规律急增。
依据2005年国际半导体技术发展路线图(ITRS2005)预测，到2008年，平面体硅器件氮化氧化硅栅介质漏电流将达到9×102A/cm2，超过器件所能承受的极限，将开始采用高介电常数材料作为新型栅介质。在同样等效氧化层厚度下，高介电常数材料具有更厚的物理厚度，使栅与沟道间直接隧穿电流大大减小，功耗显著降低。
虽然近几年在高k/金属栅研究领域已取得了很多成果，但仍然存在许多问题没有解决，如材料的热稳定性问题、迁移率下降、费米钉扎和可靠性等问题。
所以，2006年ITRS Roadmap对2005年的预测进行了部分调整，将高介电常数材料和金属电极的引入从2008年推迟到2010年，其主要原因是所有迹象表明2008年前将这些创新应用于CMOS集成电路实际生产是不可能的，还存在许多科学基础和技术问题需要解决。
近几年，研究重点主要集中于铪(Hf)基高k栅介质材料。目前，HfSiON高k栅介质薄膜的制备工艺主要有金属有机物化学气相淀积和原子层淀积等工艺，但是这些工艺对设备的要求较高，成本较高，效率较低。
如何利用常规的设备制备高k栅介质薄膜是半导体业界面临的重要问题。溅射淀积技术是半导体工业中常用的薄膜淀积技术，具有成本低、操作简单和产量高等优点，利用溅射淀积技术制备HfSiON高k栅介质薄膜有利于促进其产业化的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，以解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，该方法包括：
清洗硅片；
对清洗后的硅片进行淀积前氧化；
在氧化后的硅片上淀积高介电常数的HfSiON栅介质薄膜；
对淀积了HfSiON栅介质薄膜的硅片进行超声清洗；
对清洗后的硅片进行淀积后退火；
在退火后的硅片上形成金属栅。
上述方案中，所述清洗硅片的步骤包括：先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干。
上述方案中，所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为5:1的H2SO4+H2O2溶液，所述1#液是体积比为0.7:1:5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。
上述方案中，所述对清洗后的硅片进行淀积前氧化的步骤包括：在氮气中600至800℃温度下快速热退火30至120秒，生成3至的氧化层。
上述方案中，所述在硅片上淀积高介电常数的HfSiON栅介质薄膜的步骤包括：在溅射前将溅射室抽真空至8×10-7Torr，充入氩气和氮气，工作压强为5×10-3Torr，溅射功率为300至500W，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分。
上述方案中，所述超声清洗的步骤包括：采用丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，甩干。
上述方案中，所述淀积后退火的步骤包括：在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒。
上述方案中，所述形成金属栅的步骤包括：在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，在Ar气中溅射铝靶，淀积形成氮化钽和铝TaN/Al复合金属栅，其中TaN厚度为1000至3000
，Al厚度为5000至10000。
上述方案中，该方法在形成金属栅的步骤之后进一步包括背面溅铝和合金，其中，所述背面溅铝是在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至10000；所述合金是在氮气保护下350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
(三)有益效果
本发明提供的这种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，在同样等效氧化层厚度下，高介电常数栅介质具有比氮化氧化硅栅介质更厚的物理厚度，解决了随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题。采用本发明制备的HfSiON高k栅介质薄膜厚度均匀，界面良好，结晶温度高，热力学稳定性好，介电常数高，制成的器件漏电流很小。
本发明提供的这种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，采用磁控溅射工艺交替溅射铪(Hf)靶和硅(Si)靶，实现HfSiON高k栅介质薄膜的淀积，其前采用一步快速热退火工艺生成极薄的氧化层改善界面特性，其后采用一步快速热退火工艺对薄膜进行加固，获得组分均匀的薄膜。这种方法的优点是：(1)易于获得极薄且厚度均匀的薄膜；(2)易于实现薄膜的掺杂淀积；(3)薄膜组分均匀，无碳元素等杂质；(4)界面特性良好；(5)工艺简单，成本低廉。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明提供的制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法流程图；
图2是依照本发明实施例制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的工艺流程图；
图3是HfSiON高k栅介质薄膜磁控溅射淀积的示意图；
图4是利用本发明制备的HfSiON高k栅介质薄膜的高分辨率透射电子显微镜照片(HRTEM)；
图5是利用本发明制备的HfSiON高k栅介质薄膜电容的“电容-电压(C-V)”测试曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明采用磁控溅射工艺制备铪硅氧氮(HfSiON)高介电常数栅介质薄膜，制备方法为：在硅片经过常规清洗后，为抑制自然氧化物生成，采用氢氟酸/异丙醇/水溶液室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉，用快速热退火生长界面层，在氩气或氩气和氮气的混合气氛中利用磁控溅射技术交替溅射铪(Hf)靶和硅(Si)靶，淀积形成HfSiON高介电常数栅介质薄膜，淀积后进行快速热退火处理完成HfSiON高介电常数栅介质薄膜，然后形成金属栅电极以便电学测量。
如图1所示，图1是本发明提供的制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法流程图，该方法包括：
步骤101：清洗硅片；
在本步骤中，先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干两遍，立即进炉；所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为5:1的H2SO4+H2O2溶液，所述1#液是体积比为0.7:1:5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。
步骤102：对清洗后的硅片进行淀积前氧化；
在本步骤中，在氮气中600至800℃温度下快速热退火30至120秒，生成3至
的氧化层。
步骤103：在氧化后的硅片上淀积高介电常数的铪硅氧氮HfSiON栅介质薄膜；
在本步骤中，在溅射前将溅射室抽真空至8×10-7Torr，充入氩气和氮气，工作压强为5×10-3Torr，溅射功率为300至500W，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分。
步骤104：对淀积了HfSiON栅介质薄膜的硅片进行超声清洗；
在本步骤中，采用丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，甩干两遍，立即进炉。
步骤105：对清洗后的硅片进行淀积后退火；
在本步骤中，在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒。
步骤106：在退火后的硅片上形成金属栅；
在本步骤中，在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，在Ar气中溅射铝靶，淀积形成氮化钽和铝TaN/Al复合金属栅，其中TaN厚度为1000至3000，Al厚度为5000至10000。
该方法在形成金属栅的步骤之后进一步包括背面溅铝和合金，其中，所述背面溅铝是在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至10000；所述合金是在氮气保护下350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
图2示出了依照本发明实施例制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的工艺流程图。在本实施例中，采用的清洗液其配方为：
3#液配方：H2SO4:H2O2＝5:1(体积比)
1#液配方：NH4OH:H2O2:H2O＝0.7:1:5(体积比)
氢氟酸/异丙醇/水配方：HF:IPA:H2O＝(0.2至0.7)％/(0.01至0.04)％/1
本实施例的具体工艺步骤如下：
1)硅片清洗：3#液清洗10分钟，1#液清洗5分钟，氢氟酸/异丙醇/水溶液室温下浸泡5分钟，去离子水冲洗，甩干两遍，立即进炉。
2)淀积前氧化：600至800℃温度下快速热退火30至90秒，生成3至
的氧化层。
3)高k薄膜淀积：溅射前溅射室真空抽至8×10-7Torr，充入氩气和氮气，工作压强为5×10-3Torr，溅射功率为300至500W，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分。
4)超声清洗：丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，甩干两遍，立即进炉。
5)淀积后退火：在氮气保护下，700至1000℃快速热退火10至60秒。
6)金属栅形成：在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，在Ar气中溅射铝靶，淀积形成TaN/Al复合金属栅，其中TaN厚度为1000至3000，Al厚度为5000至10000。
7)背面溅铝：在Ar气中，采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至10000。
8)合金：在氮气保护下，350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
图3示出了HfSiON高k栅介质薄膜磁控溅射淀积的示意图。其溅射淀积过程为：在高真空环境下，高纯氩气被电离成等离子体，在高压的作用下交替轰击铪靶和硅靶，撞击出铪原子和硅原子，被撞击出的铪和硅与周围气氛中的氮相结合逐层淀积在硅片表面，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分。
图4清楚地显示了利用本发明制备的HfSiON高k栅介质薄膜的高分辨率透射电子显微镜照片(HRTEM)。HfSiON厚度为28.6，厚度为3.9，HfSiON高k栅介质薄膜厚度均匀，界面平整、光滑。HRTEM分析还指出，经1000℃高温退火HfSiON高k栅介质薄膜仍保持非晶态，表明其结晶温度高，热力学稳定性好；SiO2界面层有效抑制了HfSiON高k栅介质薄膜与硅衬底之间的反应。界面SiO2的存在及界面的平整和光滑都有利于改善界面特性和器件电学特性。
对HfSiON高k栅介质薄膜进行X射线光电子能谱(XPS)分析表明，HfSiON薄膜中Hf、Si、O和N各元素的百分比含量分别为12.03％、17.12％、54.65％和16.2％，薄膜中主要以Si-O-Hf化学键为主。
图5示出了利用本发明制备的HfSiON高k栅介质薄膜电容的“电容-电压(C-V)”测试曲线。经拟合计算得HfSiON高k栅介质薄膜的介电常数为14。测试其漏电可得，在等效氧化层厚度(EOT)为10的情况下，漏电仅为1.9×10-3A/cm2(Vg＝Vfb—1V)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，该方法包括：
清洗硅片；
对清洗后的硅片进行淀积前氧化；
在氧化后的硅片上淀积高介电常数的铪硅氧氮HfSiON栅介质薄膜；
对淀积了HfSiON栅介质薄膜的硅片进行超声清洗；
对清洗后的硅片进行淀积后退火；
在退火后的硅片上形成金属栅。
2、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述清洗硅片的步骤包括：
先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干。
3、根据权利要求2所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为5:1的H2SO4+H2O2溶液，所述1#液是体积比为0.7:1:5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。
4、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述对清洗后的硅片进行淀积前氧化的步骤包括：
在氮气中600至800℃温度下快速热退火30至120秒，生成3至的氧化层。
5、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述在硅片上淀积高介电常数的HfSiON栅介质薄膜的步骤包括：
在溅射前将溅射室抽真空至8×10-7Torr，充入氩气和氮气，工作压强为5×10-3Torr，溅射功率为300至500W，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分。
6、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述超声清洗的步骤包括：
采用丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，甩干。
7、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述淀积后退火的步骤包括：
在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒。
8、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，所述形成金属栅的步骤包括：
在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，在Ar气中溅射铝靶，淀积形成氮化钽和铝TaN/Al复合金属栅，其中TaN厚度为1000至
，Al厚度为5000至
。
9、根据权利要求1所述的制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法，其特征在于，该方法在形成金属栅的步骤之后进一步包括背面溅铝和合金，其中，所述背面溅铝是在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至
；所述合金是在氮气保护下350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
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