CN103065955A - 一种利用ald制备栅介质结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备集成电路器件的技术领域，具体涉及一种利用ALD制备栅介质结构的方法。所述方法，包括如下步骤：步骤(1)，将衬底放入ALD设备的腔室中；步骤(2)，在所述衬底表面生长单层HfO2；步骤(3)，在所述单层HfO2表面生长单层Al2O3；步骤(4)，重复步骤(2)和步骤(3)，得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。本发明制备出的HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构能够充分的实现Hf和Al的原子的结合，以及相互之间的作用，提高栅介质的电学性能。

Description

一种利用ALD制备栅介质结构的方法
技术领域
本发明涉及制备集成电路器件的技术领域，具体涉及一种利用ALD制备栅介质结构的方法。
背景技术
随着集成电路技术的高速发展，MOS场效应管的特征尺寸的不断缩小，SiO2作为栅介质材料已不能满足45nm以下集成电路技术发展的需求，利用高k栅介质取代SiO2栅介质可以在保持等效氧化层不变的条件下增加介质层的物理厚度，从而有效减小栅极漏电。
HfO2作为一种近期研究较多的栅介质材料，它具有较高的介电常数(相对介电常数约为25)、稳定的化学性质以及足够的能带差。有实验表明，当使用HfO2作为集成电路中器件的栅介质层的时候，由于其结晶温度低(约为400℃)等缺点，会有很大的迟滞电压，以及较大的漏电流，同时器件的击穿电压也比预期的要低。当使用Al2O3作为器件的栅介质时，其折射率和介电常数要比氧化铪的小的多。
通过往HfO2里面掺杂SiO2或者Al2O3的方法可以提高介质的结晶温度。有报道称Al2O3中掺入HfO2形成HfAlO可以明显改善介质薄膜的热稳定性以及电学性能。除此之外这种掺杂的复合Hf基高k栅介质还具有(1)较强的抗硼穿透能力；(2)更小的平带电压漂移；(3)低的电荷陷阱密度；(4)较高的迁移率等优点，因此复合Hf基高k栅介质逐渐成为近期研究的焦点。这种在HfO2中掺入Al2O3的结构，是首先生长一层HfO2，之后在前一层上生长一层新的Al2O3，这种新的栅极的结构，就是将原来的一层分为两层。在器件的性能上，有相当的文献研究了Al2O3/HfO2叠层做栅介质时其介电常数比较高，同时也没有电压的迟滞，器件的击穿电压也很高，但是它在低电压下的栅极漏电流很大，不能满足器件的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用ALD制备栅介质结构的方法，实现HfO2和Al2O3的交叠生长，提高器件的电学性能。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用ALD制备栅介质结构的方法，包括如下步骤：
步骤(1)，将衬底放入ALD设备的腔室中；
步骤(2)，在所述衬底表面生长单层HfO2；
步骤(3)，在所述单层HfO2表面生长单层Al2O3；
步骤(4)，重复步骤(2)和步骤(3)，得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。
上述方案中，在步骤(1)之前，包括如下步骤：对所述衬底进行标准的RCA清洗，使用H2SO4:H2O2=5:100煮沸5分钟；再用去离子水(DI water)冲洗；然后使用HF:H2O=5:95浸泡2分钟；最后使用N2吹干。
上述方案中，在步骤(1)和步骤(2)之间，包括如下步骤：对所述腔室进行抽真空，同时对所述ALD设备的外围需要加热的部件进行加热；待所述腔室的真空抽到1torr以下后，对所述衬底进行加热。
上述方案中，所述步骤(2)具体包括如下步骤：
通过载气向所述腔室通入四甲乙氨铪，所述四甲乙氨铪充分吸附在所述衬底上；
通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的四甲乙氨铪完全清除；
通过载气向所述腔室中通入H2O，与所述衬底表面吸附的四甲乙氨铪完全反应，反应产物被抽出所述腔室，所述衬底表面生长出单层HfO2；
通过吹扫气体将所述腔室内未反应的H2O完全清除。
上述方案中，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
通过载气向所述腔室通入三甲基铝，所述三甲基铝充分吸附在所述单层HfO2的表面；
通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的三甲基铝完全清除；
通过载气向所述腔室中通入H2O，与所述单层HfO2表面吸附的三甲基铝完全反应，反应产物被抽出所述腔室，所述单层HfO2表面生长出单层Al2O3；
通过吹扫气体将所述腔室内为反应的H2O完全清除。
上述方案中，所述载气和吹扫气体均为N2。
上述方案中，所述N2的压力为0.2MPa。
上述方案中，所述ALD设备中通入的压缩空气的压力为0.4MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在整个ALD生长新的过程中，由于在每个循环中实现了Hf原子与AL原子的单层沉积，能够使Hf原子和铝原子在薄膜中的分布更加均匀。与传统的单纯的Al2O3/HfO2相比，这将会改变薄膜的介电系数，对薄膜的电学性能有很大的改善。
本发明制备出的HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构与现有技术中的双层的Al2O3/HfO2的结构相比，能够充分的实现Hf和Al的原子的结合，同时会改变薄膜中的Hf-O键和Al-O键相对的比例，对薄膜的折射率n和介电常数有着重要的改性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的在ALD一个循环过程中单层HfO2生长的示意图；
图2为本发明实施例提供的在新生长的HfO2表面上进行单层Al2O3生长的示意图；
图3为经过有限个ALD循环过程后所生长成的栅介质薄膜的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供一种利用ALD制备栅介质结构的方法，包括如下步骤：
步骤101，对衬底进行标准的RCA清洗，使用H2SO4:H2O2=5:100煮沸5分钟；再用去离子水(DI water)冲洗；然后使用HF:H2O=5:95浸泡2分钟；最后使用N2吹干；
步骤102，将衬底放入ALD设备的腔室中；对腔室进行抽真空，同时对ALD设备的外围需要加热的部件进行加热；待腔室的真空抽到1torr以下后，对衬底进行加热；
步骤103，通过载气N2向腔室通入四甲乙氨铪，四甲乙氨铪充分吸附在衬底上；
步骤104，通过吹扫气体N2将腔室内未被吸附的四甲乙氨铪完全清除；
步骤105，通过载气N2向腔室中通入H2O，与衬底表面吸附的四甲乙氨铪完全反应，反应产物被抽出腔室，衬底表面生长出单层HfO2；
步骤106，通过吹扫气体N2将腔室内未反应的H2O完全清除；
步骤107，通过载气N2向腔室通入三甲基铝，三甲基铝充分吸附在单层HfO2的表面；
步骤108，通过吹扫气体N2将腔室内未被吸附的三甲基铝完全清除；
步骤109，通过载气N2向腔室中通入H2O，与单层HfO2表面吸附的三甲基铝完全反应，反应产物被抽出所述腔室，单层HfO2表面生长出单层Al2O3；
步骤110，通过吹扫气体N2将腔室内为反应的H2O完全清除；
步骤111，重复步骤(3)至步骤(10)若干次，得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。
本实施例中，N2的压力为0.2MPa，压缩空气的压力为0.4MPa。
使用ALD设备实现本发明实施例的具体步骤为：
步骤1：选取8寸硅片，进行标准的RCA清洗，H2SO4:H2O2=5:100煮沸5分钟；DI water(去离子水)冲洗；HF:H2O=5:95浸泡2分钟；N2吹干。
步骤2：对PEALD设备进行开机，在试验中采用的载气以及吹扫气体都是N2，将N2的压力调至0.2MPa，将压缩空气的压力调制0.4MPa左右，打开设备；压缩空气主要是控制完成对每个循环中的气动阀的开启与关闭。
步骤3：将清洗好的硅片放入腔室，对腔室进行抽真空，同时对设备的外围需要加热的部件进行加热(衬底除外)。
步骤4：等到真空抽到1torr以下后，对衬底进行加热，同时开启载气。
下述步骤如图1和图2所示：
步骤5-1：编写工艺的配方，在一个周期中首先进行HfO2的生长；在经过标准的RCA清洗的硅片上含有大量的羟基，调节Hf源四甲乙氨铪(TEMAH)的通入时间，以便使TEMAH能够在衬底上充分的吸附。
步骤5-2：确定对TEMAH的吹扫时间，使多余的未被吸附的TEMAH被完全清除。
步骤5-3：确定H2O的通入时间，确保水的量能够与步骤5-1中衬底表面吸附的TEMAH完全反应，同时反应产物被抽走。
步骤5-4：确定H2O的吹扫时间，使步骤5-3反应多余的H2O完全被清除。
步骤5-5：确定三甲基铝(TMA)的通入时间，使TMA在步骤5-4之后形成的表面上完成充分吸附。
步骤5-6：确定TMA的吹扫时间，使多余的TMA被清除出腔室。
步骤5-7：确定H2O的通入时间，确保水的量能够与步骤5-5中衬底表面吸附的TMA完全反应，生长出Al2O3，同时反应产物被抽走。
步骤5-8：确定H2O的吹扫时间，使步骤5-7反应多余的H2O完全被清除。
步骤5-9：设置整个ALD的循环的周期总数(将步骤5-1至5-8重复执行)。
步骤6:等到所有的条件满足工艺进行的条件时，稳定设备半小时，开始工艺。
步骤7：待工艺完成后，对设备进行清洗。此时栅介质薄膜结构如图3所示。
步骤8：关闭设备。
本发明在整个ALD生长新的过程中，由于在每个循环中实现了Hf原子与AL原子的单层沉积，能够使Hf原子和铝原子在薄膜中的分布更加均匀。与传统的单纯的Al2O3/HfO2相比，这将会改变薄膜的介电系数，对薄膜的电学性能有很大的改善。
本发明制备出的HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构与现有技术中的双层的Al2O3/HfO2的结构相比，能够充分的实现Hf和Al的原子的结合，同时会改变薄膜中的Hf-O键和Al-O键相对的比例，对薄膜的折射率n和介电常数有着重要的改性。
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 (8)

1.一种利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，将衬底放入ALD设备的腔室中；
步骤(2)，在所述衬底表面生长单层HfO2；
步骤(3)，在所述单层HfO2表面生长单层Al2O3；
步骤(4)，重复步骤(2)和步骤(3)，得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。
2.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，在步骤(1)之前，包括如下步骤：对所述衬底进行标准的RCA清洗，使用H2SO4:H2O2=5:100煮沸5分钟；再用去离子水冲洗；然后使用HF:H2O=5:95浸泡2分钟；最后使用N2吹干。
3.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，在步骤(1)和步骤(2)之间，包括如下步骤：对所述腔室进行抽真空，同时对所述ALD设备的外围需要加热的部件进行加热；待所述腔室的真空抽到1torr以下后，对所述衬底进行加热。
4.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括如下步骤：
通过载气向所述腔室通入四甲乙氨铪，所述四甲乙氨铪充分吸附在所述衬底上；
通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的四甲乙氨铪完全清除；
通过载气向所述腔室中通入H2O，与所述衬底表面吸附的四甲乙氨铪完全反应，反应产物被抽出所述腔室，所述衬底表面生长出单层HfO2；
通过吹扫气体将所述腔室内未反应的H2O完全清除。
5.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
通过载气向所述腔室通入三甲基铝，所述三甲基铝充分吸附在所述单层HfO2的表面；
通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的三甲基铝完全清除；
通过载气向所述腔室中通入H2O，与所述单层HfO2表面吸附的三甲基铝完全反应，反应产物被抽出所述腔室，所述单层HfO2表面生长出单层Al2O3；
通过吹扫气体将所述腔室内为反应的H2O完全清除。
6.如权利要求4或5所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，所述载气和吹扫气体均为N2。
7.如权利要求6所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，所述N2的压力为0.2MPa。
8.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法，其特征在于，所述ALD设备中通入的压缩空气的压力为0.4MPa。
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