CN101635308A - 高k栅介质材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高k栅介质材料及其制备方法，属于半导体技术领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的应用领域，这种高k栅介质材料为氧化铒－氧化铝(Er2O3－Al2O3，ErAlO)复合材料，采用射频磁控溅射制备方法，溅射靶为Er2O3和Al2O3混合陶瓷靶，在P型Si(100)衬底上制备得到ErAlO非晶栅介质复合氧化物薄膜，经检测，本发明的ErAlO薄膜具有良好的热稳定性、良好的平整度和低的漏电流密度，可取代SiO2成为一种新型高k栅介质材料。
Description
技术领域
本发明属半导体领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的应用领域，具体涉及一种高k栅介质材料及其制备方法，该发明利用射频磁控溅射法制备了非晶Er2O3-Al2O3(ErAlO)高K栅介质复合氧化物薄膜。本发明提供了一种取代SiO2的新型高k栅介质候选材料，并提供了其制备方法。
背景技术
随着集成电路中晶体管特征尺寸的减小，目前场效应管栅介质SiO2的厚度已经减少到了纳米量级。此时，受遂穿效应的影响，栅极漏电流将随氧化层厚度的减小呈指数增长，成为一个不容忽视的问题。解决这个问题的办法之一就是用高k材料替代SiO2，这样使用更厚的介质薄膜也可以得到一个大的电容值，同时也有效抑制了栅极漏电流的上升。
对于栅介质应用，薄膜的平整度是一个重要的质量指标。在高场情况下，介电薄膜/Si衬底下界面处的粗糙起伏会增加界面态密度，从而对电学特性产生不良影响；上表面的粗糙度会对电极稳定性产生影响，同时会通过远程库仑作用影响到载流子迁移率。整个薄膜由于粗糙度的影响，厚度变得很不均匀，由此造成薄膜中电场分布的巨大波动，这对器件工作的稳定性也是个严重的影响因素。当介质层厚度达到纳米量级的情况下，粗糙度对各方面的影响就更不能忽视了。
与多晶和单晶材料相比，非晶氧化物高k材料具有易于制备，可重复性好，没有晶粒边界以及可与传统生产工艺兼容等优点，因此，非晶结构的材料被认为是最理想的高k栅介质候选材料。
在选择合适的材料来代替SiO2的探索中，已经有很多材料被尝试过。例如，过渡氧化物(HfO2[1]，ZrO2[2])，稀土氧化物(Y2O3[3]，La2O3[4]，Er2O3[5])和复合氧化物(HfAlO[6]，HfSiON[7])等。其中，Er2O3由于它相对较高的介电常数(～13)，大的导带偏移(～3.5eV)，宽的带隙(～7.6eV)，以及与硅具有良好的化学稳定性，使它成为很有吸引力的高k栅介质材料。在Si衬底上生长高k Er2O3薄膜已被一些研究小组报道[8]，但是Er2O3高k栅介质材料要在微电子工艺中成功代替SiO2薄膜，Er2O3薄膜的热稳定性还有待提高，Chen[9]报道Er2O3的晶化温度相对较低(500～600℃)，当薄膜从原来的非晶态转为多晶后，会引起漏电流增加及沿晶界杂质扩散增大等缺点。
参考文献
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[7]Cheng Xinhong，He Dawei，Song Zhaorui.Rare Metal Materials andengineering，2006，35(8)：1192-1194.
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[9]Sheng Chen，Yanyan Zhu，Rong Wu，Yueqin Wu，Yongliang Fan，Zuimin Jiang.Journal of applied physics.101，064106(2007).
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种半导体工艺中有望取代SiO2的高k栅介质材料。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案如下，一种高k栅介质材料，其化学组成为：
(Er2O3)1-x(Al2O3)x，0＜x＜1
前述的高k栅介质材料(Er2O3)1-x(Al2O3)x，当x选择0.3的时候，可以获得最优的效果，当然，基于本发明的技术参数和制备工艺，通过改变x的值，可以简单地得到本发明的不同实施例，一般来讲，Al2O3的加入会在很大程度上提高Er2O3的结晶温度，如通过在配比Er2O3和Al2O3混合陶瓷靶时，增加或减少x的值，亦能得到类似本发明的效果：随着x的不断增加，复合薄膜的结晶温度会不断增加，并接近Al2O3的结晶温度，但是k值会逐渐降低，反之则获得相反的效果。
本发明的(Er2O3)1-x(Al2O3)x为一种新型的氧化铒-氧化铝(Er2O3-Al2O3，ErAlO)复合材料，这种复合材料解决了Er2O3作为高K材料稳定性差的缺点，同时保留了它高介电常数等优点，这种材料作为集成电路制造中SiO2的替代材料极有竞争力，经XRD测量显示这种高K栅介质材料具有良好的热稳定性；AFM图像显示这种高K栅介质材料薄膜具有良好的平整度；(Er2O3)1-x(Al2O3)x栅MOS结构电学测试得到这种高K栅介质材料薄膜具有高的介电常数和低的漏电流密度。
本发明的另一方面，是提供一种上述高k栅介质材料的制备方法，包括以下步骤：
1、选择半导体衬底，半导体衬底优选为硅片，如P型Si(100)衬底，硅片电阻率为2～10Ω·cm，衬底温度为室温，生长前经过表面处理；
2、以Er2O3和Al2O3混合陶瓷靶为溅射靶，采用射频磁控溅射的方法在上述半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，其化学组成为(Er2O3)1-x(Al2O3)x，0＜x＜1。
上述步骤更具体的是，将Er2O3和Al2O3的混合陶瓷靶，在P型Si(100)衬底上，采用射频磁控溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，采用的混合陶瓷靶材料纯度99.99％，Al2O3占30％摩尔比，射频功率为40W，溅射气体为Ar和O2，氧分压比P＝P(O2)/((P(O2)+P(Ar))为1％，工作气压为1.0Pa，电阻率2～10Ω·cm的P型(100)硅片生长前先用去离子水超声清洗10min，再用浓度为1％的HF酸腐蚀30s以去除Si衬底的表面自然氧化层，最后将其送进生长室，生长时间为30min，所得到的ErAlO薄膜厚度为32nm。
3、溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，经过氧气氛退火处理。
上述步骤中较优的是，在一个大气压下，氧气流量为150L/h的退火炉中进行退火处理，退火时间为30min，退火温度为600℃～900℃，适当的氧气退火能有效提高ErAlO薄膜的介电常数，并使得漏电流特性得到一定的改善。
对于高k材料热稳定性方面的考虑不仅仅是器件本身有可能会工作于高温度的环境，而且MOSFET的制造过程本身就会使用到900℃的注入杂质激活的热处理过程。热稳定性的好坏对高k材料是否兼容于集成电路的制造工艺有着关键性的作用，然而大多数高k非晶氧化物，在高温退火后会趋向于变成多晶氧化物，因为晶粒边界会导致高的漏电流，从而导致器件的失效。
而本发明中，采用900℃下氧气氛退火处理，与单晶Er2O3的XRD谱进行比较，测试了不同氧分压对ErAlO薄膜C-V特性的影响，以及1％氧分压下的ErAlO薄膜的I-V曲线(见具体实施方式和附图)，实验结果表明，用本发明制作的ErAlO薄膜是非晶材料，并具有良好的热稳定性、良好的平整度和高K值。
当退火温度选择在600℃的时候，测试表明其具有更好的平整度、高介电常数和低漏电流。
本发明的有益效果如下：本发明提供了一种具有良好的热稳定性、良好的平整度和高K值栅介质材料，并且提供了这种高K值栅介质材料ErAlO复合氧化物的制作方法，Al2O3具有较高的结晶温度，宽的带隙，以及与Si衬底之间易形成良好的界面等优点，非晶Er2O3能和Al2O3组成良好的ErAlO复合氧化物，取两者之长，解决非晶Er2O3薄膜热稳定性不好等关键问题。这种高K值栅介质材料及其制备方法因为其原料较为简单，制作工艺可应用于规模化生产，与现有的大规模半导体生产工艺匹配，很有希望取代现在的SiO2形成广泛应用，从而对半导体、集成电路产业起到促进作用。用本发明制作的ErAlO薄膜是非晶材料，并具有良好的热稳定性、良好的平整度、高K值和低漏电流。
以下通过参照附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1是实施例1中不同氧分压下的薄膜的XRD；
图2是实施例1中ErAlO薄膜900℃退火处理以及未退火ErAlO的XRD谱，以及Er2O3单晶的XRD谱；
图3是实施例1中1％氧分压的样品的AFM图(rms＝0.163nm)；
图4是实施例1中不同氧分压对ErAlO薄膜C-V特性的影响。测试频率为1MHz；
图5是实施例1中1％氧分压下的ErAlO薄膜的I-V曲线；
图6是600℃退火ErAlO薄膜的AFM图谱。
具体实施方式
本发明高k栅介质材料的制备方法，包括以下步骤：
选择P型Si(100)衬底，硅片电阻率为2～10Ω·cm，衬底温度为室温，将Er2O3和Al2O3的混合陶瓷靶，在P型Si(100)衬底上，采用射频磁控溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，混合陶瓷靶材料纯度99.99％，Al2O3占30％摩尔比，射频功率为40W，溅射气体为Ar和O2，氧分压比P＝P(O2)/((P(O2)+P(Ar))为0％、1％和3％，工作气压为1.0Pa，电阻率2～10Ω·cm的P型(100)硅片生长前先用去离子水超声清洗10min，再用浓度为1％的HF酸腐蚀30s以去除Si衬底的表面自然氧化层，最后将其送进生长室，生长时间为30min，所得到的ErAlO薄膜厚度为32nm。溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，在一个大气压下，氧气流量为150L/h的退火炉中进行退火处理，退火时间为30min，退火温度为600～900℃。
上述方法中，采用JGP500D型超高真空多功能磁控溅射设备制备ErAlO薄膜，用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征薄膜的结构和形貌。薄膜的厚度用椭圆偏振仪测定，利用MOS结构的C-V(HP 4284 LCR meter)、I-V(Keithley 2400 sourcemeter)测试来获得薄膜的电学特性。
上述方法下，不同氧分压(0％、1％和3％)下沉积的ErAlO薄膜的XRD谱如图1所示，从图中上可以看出不同氧偏压下制备的样品都没有任何特征衍射峰出现，XRD测试结果表明，当衬底温度为室温时，利用射频溅射法在Si(100)衬底上沉积的ErAlO薄膜处于非晶状态。
图2为900℃下退火样品及单晶Er2O3的XRD谱，从图中可以看出，薄膜在900℃退火过程中没有发生明显的晶化现象。而文献中对外延生长Er2O3栅介质薄膜的热稳定性研究结果表明，不管是在氮气氛下还是在氧气氛下，900℃退火之后，Er2O3薄膜XRD分析显示出现了Er2O3(400)衍射峰以及其他硅酸盐衍射峰，样品在高温下退火都是不稳定的，显然，Al2O3的加入，极大的改善了Er2O3薄膜的热稳定性和化学稳定性。
图3是1％氧分压下制备的ErAlO薄膜的AFM图，从图中可见薄膜拥有非常平整的表面。统计显示，薄膜的表面均方根粗糙度(rms)仅为0.163nm，这一平整度远远低于单晶Er2O3薄膜(rms约0.7nm)和非晶Er2O3(rms约0.3～0.5nm)的粗糙度。如此平整的表面有利于在薄膜和金属之间获得陡峭的界面，从而得到更小的漏电流密度。
薄膜的电学特性使用MOS结构进行测量，首先在ErAlO薄膜上沉积面积约为2.4×10-4cm2的Al电极，然后打磨掉背面自然氧化的SiO2层后蒸上约150nm厚的Al电极形成MOS电容。
图4显示了氧分压对ErAlO薄膜的高频(1MHz)C-V曲线的影响，从图中可以看出，随着氧分压从0％增加到1％，C-V曲线积累区电容从5.8×10-10F增加到6.3×10-10F，对应当氧分压为1％时能得到最大的积累区电容，电容值为6.3×10-10F下，可以计算出整个薄膜的有效介电常数为9.5。
图5为MOS电容(1％氧分压)的I-V特性曲线，曲线表现出典型的肖特基二极管的特性，在偏压为-1V时，漏电流大小为3.5×10-9A，此时漏电流密度为1.46×10-5A/cm2。如此小的漏电流密度，已经完全可以满足快速增长的低功耗器件市场的需要。
图6示出了600℃下退火ErAlO薄膜的AFM图谱，AFM测试结果统计得到薄膜的表面均方根粗糙度(rms)仅为0.133nm，并且600℃氧气氛退火使ErAlO薄膜的介电常数得到了提高并使漏电流特性也得到了改善，退火后样品的有效介电常数达到了15，在-1.5V偏压下，漏电流密度仅为2.0×10-7A/cm2。氧气退火消除了薄膜中原有的缺陷，并使得薄膜更加致密，表面更加平整。表明其具有更好的平整度、高介电常数和低漏电流。
Claims (8)
1、一种高k栅介质材料，其化学组成为：
(Er2O3)1-x(Al2O3)x，0＜x＜1。
2、根据权利要求1所述的一种高k栅介质材料，其特征在于：所述高k栅介质材料是以Er2O3和Al2O3混合陶瓷靶为溅射靶，采用射频磁控溅射的方法在半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜。
3、根据权利要求2所述的一种高k栅介质材料，其特征在于：所制备的ErAlO非晶复合氧化物薄膜为(Er2O3)0.7(Al2O3)0.3。
4、一种高k栅介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、选择半导体衬底；b、以Er2O3和Al2O3混合陶瓷靶为溅射靶，采用射频磁控溅射的方法在上述半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜；c、溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，经过氧气氛退火处理，退火温度为600℃～900℃。
5、根据权利要求4所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其特征在于：半导体衬底为P型Si(100)衬底，硅片电阻率为2～10Ω·cm。
6、根据权利要求5所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其特征在于：b步骤中，电阻率2～10Ω·cm的P型(100)硅片生长前先用去离子水超声清洗10min，再用浓度为1％的HF酸腐蚀30s以去除Si衬底的表面自然氧化层，然后送进生长室，生长时间为30min，衬底温度为室温，所得到的ErAlO薄膜厚度为32nm。
7、根据权利要求6所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其特征在于：薄膜生长的方法为溅射法，采用Er2O3和Al2O3的混合陶瓷靶，在P型Si(100)衬底上，用射频磁控溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，混合陶瓷靶材料纯度99.99％，Al2O3占30％摩尔比，射频功率为40W，溅射气体为Ar和O2，氧分压比P＝P(O2)/((P(O2)+P(Ar))为1％，工作气压为1.0Pa。
8、根据权利要求4所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其特征在于：c步骤中，在一个大气压下，氧气流量为150L/h的退火炉中进行退火处理，退火时间为30min。
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