CN101510556A - 一种双层高介电常数栅介质薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种同时具有高介电常数、低漏电流和低氧化层电荷密度、薄界面层的双层栅介质薄膜及其制备方法。它以硅片为基片，其特征在于先用磁控溅射的技术沉积一层很薄的缓冲层，该缓冲层为Si3N4或HfO2，然后用反应溅射的方法在其上再沉积一层Ta2O5薄膜，由于该缓冲层能阻止界面层(SiO2)的形成，另外其介电常数比SiO2大得多，所得到的双层介电薄膜有很好的电学性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种双层高介电常数栅介质薄膜及其制备方法，属于微电子领域、电介质材料科学领域和纳米科学技术领域。
技术背景
随着超大规模集成电路(ULSI)的发展，器件特征尺寸的不断缩小，如仍采用SiO2作为MOSFET等的栅介质材料，将会导致栅压对沟道控制能力的减弱和器件功耗的大幅增加，而利用高介电材料(如Ta2O5)代替传统SiO2作为栅介质可以在保持等氧化层厚度(EOT)不变的条件下，增加介质层的物理厚度，从而可以大大降低直接隧穿效应和栅介质层所承受的电场强度。于是寻找能替代目前使用的栅介质材料SiO2/Si3N4/SiONx是一项急待开展的研究课题。在新一代DRAM电容器元件材料中，Ta2O5薄膜被认为是最有希望的替代品，这主要是由于它具有较高的介电常数(Ta2O5～26，SiO2～4，Si3N4～7)。然而高的沉积温度或后退火处理温度会在Ta2O5薄膜与Si衬底之间生成较厚的SiO2层，较厚的SiO2层会大大降低DRAM器件的存储电荷性能，使Ta2O5薄膜高介电特性的优势难以实现，怎样阻止界面层(SiO2)的形成是当前急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提出一种双层高介电常数栅介质薄膜及其制备方法，通过该方法制备的栅介质薄膜具有高的介电常数、低的氧化层电荷密度、低的漏电流密度，而且界面层(SiO2)比较薄。
本发明是这样实现的。它以硅片为基片，先用磁控溅射技术在其上沉积一层很薄的缓冲层，再用反应溅射的方法生长一层Ta2O5薄膜，接着对该双层栅介质薄膜进行后退火处理，退火温度为700—800摄氏度，并在退火的过程中通入N2，最后用磁控溅射设备在Ta2O5薄膜上沉积上图形电极和在Si基片下表面沉积下电极组成MOS电容器。
所述的缓冲层的选取必须满足两个条件①是一种很致密并与Si有很好界面的薄膜，②该薄膜相对于SiO2来说，介电常数比较高。本发明选用的缓冲层材质是Si3N4或者是HfO2。
本发明的制备方法是：
1.以清洗干净的Si片(P型、电阻率为8-13Ω·cm)为基片，用磁控溅射技术在其上沉积一层1—3nm的缓冲层。
2、以纯度为99.99％的Ta靶为溅射靶材，靶基距为6cm，将沉积室真空抽至1.0-1.4×10-4Pa，通入高纯氧气为反应气体，高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气和氮气流量分别为15sccm和7sccm，并保持沉积室工作气压为7.0×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流，使直流功率为72W，励磁功率为24W，控制溅射时间使Ta2O5薄膜的厚度为20—100nm。
3、对步骤2制得的样品利用快速退火炉进行快速退火处理，退火的过程中通N2，时间是3min，温度为700摄氏度。
4、选用纯度为99.99％的Pt靶为溅射靶材，采用磁控溅射设备在步骤3所制得样品的Si基片下表面溅射100nm厚的Pt下电极，然后通过覆盖掩膜板的方法在样品的Ta2O5薄膜上溅射100nm厚的Pt图形电极，组成MOS电容器。
本发明与现有技术相比，具有明显的优点。首先利用射频磁控溅射技术沉积一层缓冲层，再生长一层Ta2O5，组成双层栅介质薄膜。而该缓冲层必须满足两个条件，①是一种很致密并与Si有很好界面的薄膜，②该薄膜相对于SiO2来说，介电常数比较高。引入满足这样条件的缓冲层，该缓冲层能有效阻止Si基片上SiO2层的形成，从而避免了Ta2O5薄膜的缺点，而且还能使介电薄膜保持很高的介电常数。
附图说明
图1为用本发明组成的MOS电容器结构示意图。
其中1----下电极，2----Si基片，3----缓冲层，4----Ta2O5层，5----上电极。
具体实施方式
结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
1.选用纯度为99.99％的Si靶为溅射靶材，调节靶基距为6cm，以清洗干净的Si片(P型、电阻率为8-13Ω·cm)为基片放在溅射室内的基片台上
2、将沉积室本底真空抽至3.0—3.3×10-4Pa，通入高纯氮气作为反应气体，通入高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气和氮气流量都为15sccm，并保持沉积室工作气压为8.7×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流使射频功率为85W，正式溅射前先预溅射靶材2分钟，预溅射完后，再溅射10--30S，形成1--3nm的Si3N4缓冲层。
3、以纯度为99.99％的Ta靶为溅射靶材，靶基距为6cm，将沉积室真空抽至1.0-1.4×10-4Pa，通入高纯氧气为反应气体，高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气和氧气流量分别为15sccm和7sccm，并保持沉积室工作气压为7.0×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流，使直流功率为72W，励磁功率为24W，溅射时间为900s。
4、对步骤3制得的样品利用快速退火炉进行快速退火处理，退火的过程中通N2，时间是3min，温度700摄氏度。
5、选用纯度为99.99％的Pt靶为溅射靶材，采用磁控溅射设备在步骤4制得样品的Si基片下表面溅射100nm厚的Pt下电极，然后通过覆盖掩膜板的方法在样品的Ta2O5薄膜上溅射100nm厚的Pt上图形电极，组成MOS电容器。
最后得到的MOS电容器结构如图一所示，对该电容器进行C-V和I-V电学性能测试，测试表明其介电常数为27.4，比同条件制得的单层Ta2O5薄膜介电常数24要大。当栅电压为—1V时，漏电流密度为4.61×10-5A/cm2，比同条件制得的单层Ta2O5薄膜漏电流1.95×10-4A/cm2要小。
实施例2：
1.选用纯度为99.99％的HfO2靶为溅射靶材，调节靶基距为6cm，以清洗干净的Si片(P型、电阻率为8-13Ω·cm)为基片放在溅射室内的基片台上
2、将沉积室本底真空抽至3.0—3.9×10-4Pa，通入高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气流量为15sccm，并保持沉积室工作气压为8.7×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流使射频功率为140W，正式溅射前先预溅射靶材2分钟，预溅射完后，再溅射20--60S，形成1--3nm的HfO2缓冲层。
3、以纯度为99.99％的Ta靶为溅射靶材，靶基距为6cm，将沉积室真空抽至1.0-1.4×10-4Pa，通入高纯氧气为反应气体，高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气和氧气流量分别为15sccm和7sccm，并保持沉积室工作气压为7.0×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流，使直流功率为72W，励磁功率为24W，溅射时间为60s。
4、对步骤3制得的样品利用快速退火炉进行快速退火处理，退火的过程中通N2，时间是3min，温度700摄氏度。
5、选用纯度为99.99％的Pt靶为溅射靶材，采用磁控溅射设备在步骤4制得样品的Si基片下表面溅射100nm厚的Pt下电极，然后通过覆盖掩膜板的方法在样品的Ta2O5薄膜上溅射100nm厚的Pt上图形电极，组成MOS电容器。
Claims (3)
1、一种双层高介电常数栅介质薄膜，它以硅片为基片，其特征是先用磁控溅射的技术沉积一层厚度为1—3nm的缓冲层，再生长一层厚度为20—100nm的Ta2O5层，所得的双层薄膜在N2的气氛下700摄氏度快速退火处理。
2.根据权利要求1所述的双层栅介质薄膜，其特征是缓冲层为Si3N4或者是HfO2。
3.一种双层高介电常数栅介质薄膜的制备方法，其特征在于方法为：
a.以清洗干净的Si片为基片，用磁控溅射技术在其上沉积一层1—3nm的缓冲层，
i.该缓冲层为Si3N4，其制备方法是以纯度为99.99％的Si靶为溅射靶材，调节靶基为6cm，将沉积室本底真空抽至3.0—3.3×10-4Pa，通入高纯氮气作为反应气体，通入高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气和氮气流量都为15sccm，并保持沉积室工作气压为8.7×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流使射频功率为85W，正式溅射前先预溅射靶材2分钟，预溅射完后，再溅射10--30s，形成1--3nm Si3N4缓冲层；
ii.该缓冲层或者为HfO2，其制备方法是选用纯度为99.99％的HfO2靶为溅射靶材将沉积室本底真空抽至3.0—3.9×10-4Pa，通入高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气流量为15sccm，并保持沉积室工作气压为8.7×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流使射频功率为140W，正式溅射前先预溅射靶材2分钟，预溅射完后，再溅射20--60s，形成1--3nm的HfO2缓冲层；
b、以纯度为99.99％的Ta靶为溅射靶材，靶基距为6cm，将沉积室真空抽至1.0-1.4×10-4Pa，通入高纯氧气为反应气体，高纯氩气作为溅射气体，调节质量流量计使氩气和氮气流量分别为15sccm和7sccm，并保持沉积室工作气压为7.0×10-1Pa，调节溅射电压与溅射电流，使直流功率为72W，励磁功率为24W，控制溅射时间使Ta2O5薄膜的厚度为20—100nm；
c、对所得的样品进行快速退火处理，退火是在N2气氛下进行，时间是3min，温度为700摄氏度；
d、选用纯度为99.99％的Pt靶为溅射靶材，利用磁控溅射技术在上面所得的样品背面溅射100nm厚的Pt底电极，然后通过覆盖掩膜板的方法在样品的正面溅射100nm厚的Pt电极图形，组成MOS电容器。
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