CN103451612A

CN103451612A - 高k二氧化铪非晶薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN103451612A
Application number: CN2013103850925A
Authority: CN
Inventors: 唐武; 杨宇桐
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本发明涉及半导体技术。本发明解决了现有HfO₂薄膜材料的制备工艺采用掺杂或加温的方式制作，不能完全生成非晶薄膜的问题，提供了一种高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其技术方案可概括为：首先将表面清洁后且去除表面自然氧化层的硅基片放入真空室基底，然后将表面打磨清洁处理后的金属铪靶作为靶材放入真空室靶位，关闭靶材挡板，利用高真空多功能射频溅射镀膜设备，对真空室抽真空，对基片进行反溅清洁，反溅清洁后打开并调整射频电源及其功率，进行预溅射，最后调整氩气通量，通入氧气，打开靶材挡板正式进行二氧化铪薄膜的溅射，形成二氧化铪非晶薄膜。本发明的有益效果是，不会造成二氧化铪薄膜晶化，适用于二氧化铪非晶薄膜的制备。

Description

高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别涉及高介电常数HfO₂（二氧化铪）非晶薄膜。

背景技术

半导体集成电路的发展对集成电路的密度和性能提出了更高的要求，典型的CMOS器件栅介质薄膜的厚度变得越来越薄，并开始逐渐接近原子间距，由于栅介质氧化层的直接隧穿而引起的泄漏电流和静态功率损耗随之显著增加。因此，传统的二氧化硅（SiO₂）栅介质正日益趋于它的极限。使用高介电常数(高K)薄膜材料替代SiO₂是目前最有希望解决此问题的途径。采用这种材料可以在不增加电学厚度的前提下允许增加绝缘层厚度，进而能够降低漏电流。高K金属氧化物主要是指元素周期表中副族和镧系部分金属元素的氧化物，主要包括三氧化二铝（Al₂O₃）、五氧化二钽（Ta₂O₅）、二氧化钛（TiO₂）、二氧化锆（ZrO₂）、二氧化铪（HfO₂）、二氧化铈（CeO₂）、三氧化二钇（Y₂O₃）等，这些材料的介电常数介于10-80之间，远大于SiO₂的3.9，尤其是Hf（铪）元素的氧化物，因其具有较大的禁带宽度、较好的热稳定性以及较大的与硅接触的势垒，是最有希望替代SiO₂的高K栅介质材料，近年来已经得到了广泛的研究。纵观该体系高K栅介质薄膜的研究情况，不论是纯氧化铪薄膜还是氧化物掺杂体系，其制备工艺大多存在高温过程，比如高温烧结靶材或者对薄膜进行高温退火处理。制备工艺中不采用高温处理而得到的氧化铪薄膜基本是非晶态的，制备工艺的差异可能导致薄膜中出现少量单斜相晶态，这种含少量晶态的非晶薄膜不论在介电性能还是在薄膜的致密性、均匀程度以及组织结构的优化上往往比经过退火处理形成的晶态薄膜要差一些。然而HfO₂纯非晶薄膜既有较高的介电常数，又与金属和半导体的表面都有更好的接触，因此寻找一种室温下制备氧化铪非晶薄膜方法，可以有效地抑制界面异相的产生，又能免去繁琐的高温处理过程，并能得到致密性和织构性均良好的氧化铪薄膜，成为一项创新的研究。经过对相关文献的查询发现，现有的氧化铪体系薄膜多是以脉冲激光沉积（西北有色金属研究院.一种锰稳定氧化铪薄膜的制备方法(P).中国发明专利，CN101580927A.2009-11-18；北京有色金属研究总院.一种氧化铪掺杂氧化铈栅电介质材料及其制备方法(P).中国发明专利，CN101265125A.2008-09-17）以及原子层沉积（微米技术有限公司.氧化铪铝介质薄膜(P).中国发明专利，CN1672244A.2005-09-21）等方式制备的，而通过磁控溅射(鹿芹芹，刘正堂，刘文婷，张淼.射频磁控反应溅射制备HfO₂薄膜的工艺及电性能(J).西北工业大学学报.2008(4)：249-253)制备具有较好结构和性能的氧化铪薄膜体系的较少。上述薄膜体系多属于通过掺杂改善性能或经高温退火处理以晶化薄膜结构，而没有通过由特定的磁控反应溅射工艺参数以制备氧化铪非晶薄膜的有关报道。由于反应磁控溅射具有以下鲜明特点：所用的靶材料和反应气体等具备很高的纯度，有利于制备高纯度的化合物薄膜；调节沉积工艺参数可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的；沉积过程中基板温度一般不会有很大的升高，而且成膜过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热，因此对基板材料的限制以及薄膜成分的变化影响较少；反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，易于实现工业化生产。而且磁控溅射法发展较为成熟，所制备膜层的质量较好，与基底结合牢固，具有较好重复性和良好的台阶覆盖，因此可用于这类HfO₂薄膜的制备。而利用金属铪与氧气进行反应溅射能更充分地改善薄膜的组织结构，得到性能更加良好的非晶薄膜。在反应溅射中等离子体中流通电流较大，在反应气体O₂分子的分解、激发和电离等过程中，该电流起着重要作用。因此，磁控反应溅射中能产生一股强大的由载能游离原子团组成的粒子流伴随着溅射出来的Hf靶原子从阴极靶流向基片，在基片上克服与薄膜生长有关的激活能且形成致密而均匀的化合物。

发明内容

本发明的目的是克服目前HfO₂薄膜材料的制备工艺采用掺杂或加温的方式制作，不能完全生成非晶薄膜的缺点，提供一种高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对硅基片进行表面清洁处理，并去除硅基片表面的自然氧化层，放入真空室基底；

步骤2、对金属铪靶进行表面打磨清洁处理，作为靶材放入真空室靶位，靶位与基底相对应并具有一定垂直距离，且将靶材挡板关闭，所述靶材挡板设置在靶位上，且位于靶材与基底之间靠近靶材的位置；

步骤3、利用高真空多功能射频溅射镀膜设备，对真空室进行抽真空；

步骤4、通入适量氩气并打开偏压装置对基片进行反溅清洁，反溅清洁一定时间后关闭偏压设备，打开射频电源并调整射频电源功率；

步骤5、进行预溅射，对靶材进行表面清洁；

步骤6、调整氩气通量，通入氧气，打开靶材挡板正式进行二氧化铪薄膜的溅射，经过沉积形成二氧化铪非晶薄膜。

具体的，步骤1中，所述硅基片为晶向（100）的n型硅基片。

进一步的，所述步骤1具体为：将硅基片用超声波清洗仪在丙酮和酒精中分别清洗一段固定时间以进行表面清洁处理，烘干后放入一定浓度的氢氟酸溶液中浸泡一段时间以除去硅基片表面的自然氧化层，使用离子水清洗该硅基片，在氮气气氛下完全干燥后放入真空室基底。

具体的，所述一段固定时间为10～15分钟，一定浓度为5%浓度，一段时间为1～2分钟。

再进一步的，步骤2中，所述一定垂直距离为50mm。

具体的，步骤3中，所述预抽背底真空的真空度小于等于7×10^-4Pa。

再进一步的，步骤4中，所述射频电源功率为150W～300W，一定时间为15～20分钟。

具体的，步骤5中，所述进行预溅射的时间为5～15分钟。

具体的，步骤6中，所述进行二氧化铪薄膜的溅射时，基底进行自旋。

再进一步的，步骤6中，所述氩气通量为120sccm，氧气通量为40～70sccm；所述沉积形成二氧化铪非晶薄膜的时间为10～30分钟。

本发明的有益效果是，通过上述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，利用较为成熟的射频磁控溅射技术制备二氧化铪非晶薄膜，不会造成二氧化铪薄膜晶化，该薄膜具有优化的组织配比和良好致密性，采用的技术关键是金属铪靶材的选择和通入气体比例的控制，由于该方法整个过程在室温下进行，可以有效地抑制高温下制备氧化铪薄膜出现多相混存、界面结构复杂等导致薄膜介电性能下降的因素，从而得到组织和结构较为优化的非晶态高K二氧化铪薄膜。

附图说明

图1为本发明适用于高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法的流程图；

图2为氩气与氧气通量比为120:50sccm时制备的二氧化铪薄膜的X射线衍射分析（XRD）谱图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法的流程图参见图1，其方法具体为：首先对硅基片进行表面清洁处理，并去除硅基片表面的自然氧化层，放入真空室基底，然后对金属铪靶进行表面打磨清洁处理，作为靶材放入真空室靶位，靶位与基底相对应并具有一定垂直距离，且将靶材挡板关闭，所述靶材挡板设置在靶位上，且位于靶材与基底之间靠近靶材的位置，再利用高真空多功能射频溅射镀膜设备，对真空室进行抽真空，然后通入适量氩气并打开偏压装置对基片进行反溅清洁，反溅清洁一定时间后关闭偏压设备，打开射频电源并调整射频电源功率，再进行预溅射，对靶材进行表面清洁，最后调整氩气通量，通入氧气，打开靶材挡板正式进行二氧化铪薄膜的溅射，形成二氧化铪非晶薄膜。

实施例

本例中采用QX-500高真空多功能镀膜设备，本例中高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法的制备方法，包括如下步骤：

A、对硅基片进行表面清洁处理，并去除硅基片表面的自然氧化层，放入真空室基底。

本步骤中，硅基片为10mm×10mm的n型晶向（100）的单抛硅基片，本步骤具体为：将硅基片用超声波清洗仪在丙酮和酒精中分别清洗一段固定时间以进行表面清洁处理，该一段固定时间为10～15分钟，烘干后放入一定浓度的氢氟酸溶液中浸泡一段时间以除去硅基片表面的自然氧化层，该一定浓度可以为5%左右，该一段时间为1～2分钟，使用离子水清洗该硅基片，在氮气气氛下完全干燥后放入真空室基底。

B、对金属铪靶进行表面打磨清洁处理，作为靶材放入真空室靶位，靶位与基底相对应并具有一定垂直距离，且将靶材挡板关闭，所述靶材挡板设置在靶位上，且位于靶材与基底之间靠近靶材的位置，未正式溅射时处于关闭状态，在下述的预溅射过程中起到阻挡靶原子的作用。

本步骤中，一定垂直距离可以为50mm左右，其为可调参数，根据实际情况可自行设定，靶材与靶材挡板之间垂直距离为1～2厘米。

C、利用高真空多功能射频溅射镀膜设备，对真空室进行抽真空。

本步骤中，预抽背底真空的真空度小于等于7×10^-4Pa，即至少为7×10^-4Pa。

D、通入适量氩气并打开偏压装置对基片进行反溅清洁，反溅清洁一定时间后关闭偏压设备，打开射频电源并调整射频电源功率。

本步骤中，该射频电源功率为150W～300W，该一定时间为15～20分钟，此时通入适量氩气是指：氩气通量为120sccm。反溅清洁是指：将真空金属腔体外壳接地同时接偏压电源输出正极，将基片接偏压电源输出负极，当偏压电源输出的负偏压值足够高，到达的高能离子会将基片表面的原子溅射下来，这种将基材原子溅射下来的过程称为“反溅射”。可以清除基片表面的氧化层、加工毛刺、油渍和污物，故又称为基片的“反溅清洗”。此处由偏压装置完成这一过程，由于各种设备不尽相同，反溅过程也不是溅射薄膜的重要步骤，所以不需详述。

E、进行预溅射，对靶材进行表面清洁。

本步骤中，需预溅射5～15分钟对靶材进行表面清洁。

F、调整氩气通量，通入氧气，打开靶材挡板正式进行二氧化铪薄膜的溅射，沉积形成二氧化铪非晶薄膜。

本步骤中，氩气通量为120sccm，氧气通量为40～70sccm，本例中氧气通量以50sccm为例；该沉积形成二氧化铪非晶薄膜的时间一般为10～30分钟。

通过以上工艺参数制备出的氧化铪薄膜具有良好的致密性和均匀性，薄膜的具体特征如下：由X射线光电子能谱分析（XPS）检测出薄膜中的主要成分为HfO₂，并没有出现硅化，氧铪元素的含量比值介于1.5-1.7之间，这个值对于溅射制备的薄膜来说是比较理想的。由XRD（X射线衍射分析）检测出薄膜是非晶态的，除却最强的硅基底衍射峰外没有明显衍射峰，只有25°到35°之间有微弱的长宽起伏，参见图2。由原子力显微镜（AFM）测试结果得出薄膜的平整度和均匀性理想，表示其表面平整度的值RMS为3-9nm左右。需要说明的是，由于制备薄膜的设备、环境的不同，例如不同的射频功率源的功率往往有所差别，因而导致制备的氧化铪薄膜的相关性能可能会有偏差，但只要抓住以上关键的几个工艺参数，即使在不同环境下采用不同的溅射设备，如果在制备过程中把握好对于该设备对于成膜的影响因素，便可制备出组织和结构都比较优化的氧化铪非晶薄膜。

Claims

1.高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤5、进行预溅射，对靶材进行表面清洁；

2.根据权利要求1所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述硅基片晶向（100）的n型硅基片。

3.根据权利要求1所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体为：将硅基片用超声波清洗仪在丙酮和酒精中分别清洗一段固定时间以进行表面清洁处理，烘干后放入一定浓度的氢氟酸溶液中浸泡一段时间以除去硅基片表面的自然氧化层，使用离子水清洗该硅基片，在氮气气氛下完全干燥后放入真空室基底。

4.根据权利要求3所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述一段固定时间为10～15分钟，一定浓度为5%浓度，一段时间为1～2分钟。

5.根据权利要求1所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述一定垂直距离为50mm。

6.根据权利要求1所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述预抽背底真空的真空度小于等于7×10^-4Pa。

7.根据权利要求1所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述射频电源功率为150W～300W，一定时间为15～20分钟。

8.根据权利要求1所述高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述进行二氧化铪薄膜的溅射时，基底进行自旋。

9.根据权利要求1所述适用于高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述氩气通量为120sccm，氧气通量为40～70sccm。

10.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述适用于高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述沉积形成二氧化铪非晶薄膜的时间为10～30分钟。