CN102517632B - 一种采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法 - Google Patents

一种采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法，首先对（100）Si衬底进行清洗；将清洗好的衬底移入MOCVD反应室，Gd源和La源分别为四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3，以MOCVD方法在Si衬底上沉积Gd2-xLaxO3金属氧化物薄膜，将沉积好薄膜的衬底放于快速退火炉中退火后即得到成品。本发明采用MOCVD工艺，在（100）Si衬底上成功制备了外延的（111）Gd2-xLaxO3栅介质薄膜。本发明工艺简单，外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜在微电子领域具有重要的应用前景。

Description

一种采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法
技术领域
    本发明涉及一种采用MOCVD方法制备金属氧化物栅介质薄膜的方法，具体是一种制备外延Gd2-xLaxO3金属氧化物栅介质薄膜的方法。
背景技术
半导体行业迅猛发展，金属-氧化物-半导体场效应管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors，MOSFETs)技术中一直是采用SiO2作为栅介质材料。随着集成度的提高，器件特征尺寸不断减小，栅氧化物层的厚度越来越薄，由此带来的隧穿电流和器件失效问题使得使用高介电常数的栅介质材料来替代SiO2成为当前微电子技术的研究热点之一。
稀土氧化物是受到人们关注的高介电栅介质材料，其中，Gd2O3具有较大的带隙5.37～6.36eV，介电常数是10~14，是新型高介电栅介质候选材料之一。La2O3具有较大的带隙(6.0 eV)，较高的介电常数(k~30)，较大的导带势垒高度(2.3 eV)，但是，La2O3易潮解，影响了它的应用。对于高介电栅介质薄膜材料来说，为了与硅基半导体CMOS工艺兼容，必须要具有较好的热稳定性，即在经过800－900℃的高温快速处理后，栅介质薄膜的形态与结构保持不变。像目前研究较多的高介电氧化铪、氧化锆薄膜，在经过高温退火后，会结晶形成很多晶界，一方面高温退火导致晶粒长大，薄膜粗糙度增加，同时众多晶界也是漏电流的通道，会增大漏电流密度，恶化器件性能。因此对高介电栅介质薄膜材料除了介电常数和带隙方面的要求，另一个重要指标就是热稳定性，希望生长的高介电栅介质薄膜在高温退火后依然保持非晶，如LaAlO3或者掺Si的氧化铪，或者在硅衬底上生长获得外延单晶薄膜，这样就去除了晶界的影响，并且Si与栅介质薄膜之间存在外延关系，界面质量高。
金属有机化学气相沉积（MOCVD）是半导体领域一个极其重要的薄膜沉积技术，具有生长薄膜质量高、均匀性好、易掺杂、产率高、台阶覆盖率好等优点，受到微电子工业的青睐，已经成功应用于III-V族半导体的生长。
但是，现有技术中尚未发现记载有采用MOCVD方法制备制备外延Gd2-xLaxO3金属氧化物栅介质薄膜的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是采用MOCVD方法将La元素掺入Gd2O3当中，在（100）Si衬底上制备外延生长的（111）Gd2-xLaxO3栅介质薄膜，获得了较好电学性能；此方法制备工艺简单，所制备的外延Gd2-xLaxO3薄膜是一种具有应用前景的高介电栅介质材料。
本发明所述的一种采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法，其包括以下步骤：
1）对（100）Si衬底进行清洗；
2）将清洗好的衬底移入MOCVD反应室，Gd源和La源分别为四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3，以MOCVD方法在（100）Si衬底上沉积Gd2-xLaxO3金属氧化物薄膜，
3）将沉积好薄膜的衬底放于快速退火炉中退火后即得到成品。
所述步骤1）的过程为：将衬底用标准RCA半导体清洗工艺清洗后，再用稀释的氢氟酸溶液在室温下浸泡3～6分钟去除衬底表面的氧化物层.其中氢氟酸溶液中氢氟酸与去离子水的体积比为1:8～10。
所述步骤2）中MOCVD的工艺参数为：Gd源温度145－155oC ，La源温度为185－205 oC；载气为氩气或氮气，流量为40～400sccm；反应气为氧气，流量为100 sccm，反应室压强为10～20 Torr；沉积温度为550－650oC；沉积时间为3－45 分钟。
所述步骤3）退火过程为：在N2气氛中，于800－900℃ 下快速退火3-5分钟。
本发明的有益效果：采用MOCVD工艺，在（100）Si衬底上成功制备了外延的（111）Gd2-xLaxO3栅介质薄膜。其中的MOCV系统是常见的薄膜制备设备，用于制备Gd2-xLaxO3栅介质薄膜工艺简单，且具有普遍性。通过MOCVD系统获得外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜，Gd2O3的(111)与硅衬底(100)晶向一致，在微电子领域具有重要的应用前景。
另外还在透明的熔石英衬底上沉积了Gd2-xLaxO3的厚膜，以便测量光学透射谱，获得Gd2-xLaxO3薄膜的带隙。
附图说明
图1是在（100）Si衬底上沉积的Gd2-xLaxO3薄膜的的XRD图谱；其中图1a是600℃沉积后的XRD图谱，图1b是800℃退火后的XRD图谱。
图2是在熔石英衬底上沉积45分钟的Gd2-xLaxO3薄膜的光学透射谱和                                                ~曲线；
图3是在（100）Si衬底上沉积5分钟的超薄Gd2-xLaxO3薄膜的XPS能谱图；
图4是在Si衬底上沉积5分钟的超薄Gd2-xLaxO3薄膜的C-V曲线。
具体实施方式
    以下结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
1）对（100）Si衬底用标准RCA半导体清洗工艺清洗后，再用稀释的氢氟酸溶液在室温下浸泡3～6分钟去除Si衬底表面的氧化物层，氢氟酸溶液中氢氟酸与去离子水的体积比为1:8～10。
2）将清洗好的衬底移入MOCVD反应室，Si衬底上沉积Gd2-xLaxO3金属氧化物薄膜，Gd源和La源分别为四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3，Gd源温度150oC，流量为100sccm，沉积时间为5分钟；La源温度为205oC，流量为200sccm，沉积时间为45分钟，金属源载气为氩气；反应气为氧气，流量为100 sccm，反应室压强为15Torr；沉积温度为600oC。
3）将沉积好薄膜的衬底放于快速退火炉中，在N2气氛中，于800℃ 下快速退火5分钟即得到成品。
实施例2：
1）对（100）Si衬底用标准RCA半导体清洗工艺清洗后，再用稀释的氢氟酸溶液在室温下浸泡3～6分钟去除衬底表面的氧化物层，氢氟酸溶液中氢氟酸与去离子水的体积比为1:8～10。
2）将清洗好的衬底移入MOCVD反应室，在衬底上沉积Gd2-xLaxO3金属氧化物薄膜，Gd源和La源分别为四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3，Gd源温度145oC，流量为360sccm，沉积时间为30分钟；La源温度为185oC，流量为40sccm，沉积时间为30分钟，金属源载气为氮气；反应气为氧气，流量为100 sccm，反应室压强为20Torr；沉积温度为550oC。
3）将沉积好薄膜的衬底放于快速退火炉中，在N2气氛中，于900℃ 下快速退火3分钟即得到成品。
实施例3：
1）对（100）Si衬底用标准RCA半导体清洗工艺清洗后，再用稀释的氢氟酸溶液在室温下浸泡3～6分钟去除Si衬底表面的氧化物层，氢氟酸溶液中氢氟酸与去离子水的体积比为1:8～10。
2）将清洗好的衬底移入MOCVD反应室，Si衬底上沉积Gd2-xLaxO3金属氧化物薄膜，Gd源和La源分别为四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3，Gd源温度155oC，流量为40sccm，沉积时间为20分钟；La源温度为195oC，流量为360sccm，沉积时间为20分钟，金属源载气为氩气；反应气为氧气，流量为100 sccm，反应室压强为10Torr；沉积温度为650oC。
3）将沉积好薄膜的衬底放于快速退火炉中，在N2气氛中，于850℃ 下快速退火5分钟即得到成品。
外延Gd 2-x La x O 3 栅介质薄膜的表征和性能：
薄膜的晶态
Gd2-xLaxO3薄膜的XRD图谱 (如图1所示)。在（100）Si沉底上600℃沉积45分钟的Gd2O3薄膜的最强衍射峰，对应立方相的（222）晶面，弱峰对应（444）晶面。在粉末衍射谱中（JCPDS 卡片43-1014），出现的较强衍射峰（400）（440）均未出现，说明立方相的Gd2O3（111）晶面外延在Si(100)。Gd2O3掺入不同含量的La元素之后（1：9的La/Gd流量比对应9％的镧含量，1：1的La/Gd流量比对应33％的镧含量），在（100）Si沉底上600℃沉积45分钟的Gd2-xLaxO3薄膜对应的最强衍射峰也呈现立方相（222）晶面（图1a）。800℃退火后，XRD图依然显示出Gd2-xLaxO3（111）晶面外延在Si(100)，利用晶胞参数计算，可知二者失配度为0.8％（图1b）。
薄膜的带隙
图2为熔石英衬底上沉积45分钟的Gd2-xLaxO3薄膜的光学透射谱和~曲线。薄膜在可见光区域的透过率都在80%以上，从而得出薄膜的厚度均匀，表面平整性较好。通过线性拟合得到薄膜的带隙值为5.78eV。
薄膜的组成
 图3为（100）Si衬底上沉积5分钟的超薄Gd2-xLaxO3薄膜的XPS能谱图。薄膜的XPS曲线检测出Gd3d和La3d的光电子峰：Gd3d峰分裂为两个Gd－O键的光电子峰，对应的结合能是1188eV和1220eV，La－O键的La 3d5/2峰和La 3d3/2对应的结合能为836.2 eV和853 eV，表明Gd2-xLaxO3薄膜已经成功沉积。O1s的结合能位于532eV，对应Gd2-xLaxO3薄膜中的O1s芯电子的结合能。
表1列出了等离子耦合共振（ICP）测得不同流量条件下获得了La/Gd比
（Gd 源温；150℃；La 源温；205℃）
4．薄膜的电学性能
 图4为Si衬底上沉积5分钟的超薄Gd2-xLaxO3薄膜的C-V曲线，由此计算出薄膜的等效氧化物。

Claims (4)

1.一种采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）对（100）Si衬底进行清洗；
2）将清洗好的衬底移入MOCVD反应室，Gd源和La源分别为四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3，以MOCVD方法在（100）Si衬底上外延沉积（111）取向的Gd2-xLaxO3金属氧化物薄膜，MOCVD的工艺参数为：Gd源温度145－155℃  ，La源温度为185－205℃；载气为氩气或氮气，流量为40～400sccm；反应气为氧气，流量为100 sccm，反应室压强为10～20 Torr；沉积温度为550－650℃；沉积时间为3－45 分钟；
3）将沉积好薄膜的衬底放于快速退火炉中退火后即得到成品。
2.根据权利要求1所述的采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法，其特征在于所述步骤1）的过程为：将（100）Si衬底用标准RCA半导体清洗工艺清洗后，再用稀释的氢氟酸溶液在室温下浸泡3～6分钟，去除衬底表面的氧化物层。
3.根据权利要求2所述的采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法，其特征在于氢氟酸溶液中氢氟酸与去离子水的体积比为1:8～10。
4.根据权利要求1、2或3所述的采用MOCVD制备外延Gd2-xLaxO3栅介质薄膜的方法，其特征在于所述步骤3）退火过程为：在N2气氛中，于800－900℃ 下快速退火3-5分钟。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1184860A (zh) * 1996-10-02 1998-06-17 现代电子产业株式会社 金属有机化学气相淀积装置和淀积方法
EP1120475A1 (en) * 2000-01-24 2001-08-01 Sharp Kabushiki Kaisha A method and system for MOCVD of PGO films
US6485554B1 (en) * 1997-10-31 2002-11-26 Mitsubishi Materials Corporation Solution raw material for forming composite oxide type dielectric thin film and dielectric thin film
CN1448533A (zh) * 2002-04-02 2003-10-15 三星电子株式会社 用于形成金属氧化物薄膜的使用醇的化学气相沉积法
CN101070612A (zh) * 2007-03-21 2007-11-14 山东大学 一种氧化锡单晶薄膜的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4573009B2 (ja) * 2000-08-09 2010-11-04 日本電気株式会社 金属酸化物誘電体膜の気相成長方法
US6852575B2 (en) * 2001-07-05 2005-02-08 International Business Machines Corporation Method of forming lattice-matched structure on silicon and structure formed thereby

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1184860A (zh) * 1996-10-02 1998-06-17 现代电子产业株式会社 金属有机化学气相淀积装置和淀积方法
US6485554B1 (en) * 1997-10-31 2002-11-26 Mitsubishi Materials Corporation Solution raw material for forming composite oxide type dielectric thin film and dielectric thin film
EP1120475A1 (en) * 2000-01-24 2001-08-01 Sharp Kabushiki Kaisha A method and system for MOCVD of PGO films
CN1448533A (zh) * 2002-04-02 2003-10-15 三星电子株式会社 用于形成金属氧化物薄膜的使用醇的化学气相沉积法
CN101070612A (zh) * 2007-03-21 2007-11-14 山东大学 一种氧化锡单晶薄膜的制备方法

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fabrication and Electrical Characterization of High-k LaGdO3 Thin Films and Field Effect Transistors;S.P. Pavunny, et al.;《ECS Transactions》;20110503;第35卷(第2期);297-304 *
Growth behavior of high k LaAlO3 films on Si by metalorganic chemical vapor deposition for alternative gate dielectric application;Qi-Yue Shao, et al.;《Applied Surface Science》;20050113(第250期);14-20 *
J. Kwo, et al..Properties of high k gate dielectrics Gd2O3 and Y2O3 for Si.《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》.2001,第89卷(第7期),3920-3927.
n = 2, 3, 4).《J. Phys. Chem. A》.2006,第110卷(第50期),第13479-13486页. *
Properties of high k gate dielectrics Gd2O3 and Y2O3 for Si;J. Kwo, et al.;《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》;20010401;第89卷(第7期);3920-3927 *
Qi-Yue Shao, et al..Growth behavior of high k LaAlO3 films on Si by metalorganic chemical vapor deposition for alternative gate dielectric application.《Applied Surface Science》.2005,(第250期),第14-20页.
S.P. Pavunny, et al..Fabrication and Electrical Characterization of High-k LaGdO3 Thin Films and Field Effect Transistors.《ECS Transactions》.2011,第35卷(第2期),第297－304页.
Yinzhu Jiang, et al..Decomposition Behavior of M(DPM)n (DPM = 2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-heptanedionato *
YinzhuJiang et al..Decomposition Behavior of M(DPM)n (DPM = 2
张渊，等.第3章 清洗工艺.《半导体制造工艺》.机械工业出版社,2011,(第1版), *

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