CN1307707C - 一种含镁锌氧的金属－绝缘层－半导体结构及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电高介电常数(κ)材料-立方镁锌氧(MgZnO)晶体薄膜作为金属—绝缘层—半导体(MIS)结构中的绝缘层材料及制备工艺，属于微电子技术领域。特征在于生长在单晶硅衬底上的立方MgZnO薄膜为绝缘层，MIS结构为：金属电极-MgZnO晶体薄膜-Si单晶-金属电极或金属电极-MgZnO晶体薄膜-SiO2- Si单晶-金属电极；MgZnO绝缘层的厚度可根据MIS器件的要求在1nm～500nm选择。其制作方法是采用光刻和化学湿法腐蚀。来发明优点是能直接在单晶Si上生长与单晶Si具有相类似的fcc晶体结构，禁带宽度大而且可调，介电常数高，因此具有大的等效厚度，工艺可与硅半导体工艺兼容，为解决半导体工业在大规模集成电路制作方面面临的小尺寸问题提供一种新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及立方相镁锌氧(MgZnO)晶体薄膜作为绝缘层的金属一绝缘层一半导体(MIS)结构及制备工艺，即以其介电常数(κ)大于SiO2的立方相MgZnO为绝缘层，从而提高绝缘层的等效厚度，降低漏电流，适应微电子领域对大规模集成电路所面临的尺寸不断减小的要求；同时能与传统的硅半导体器件制备工艺相兼容，属于微电子技术领域。
背景技术
自1947年第一个晶体管面世以来，五十余年里微电子技术取得迅猛的发展，这种持续的增长在于器件的特征尺寸越来越小，单个芯片上器件越来越多，性能不断提高。MOS场效应晶体管(MOSFET)，动态随机存储器(DRAM)，闪存(Flash)和铁电随机存储器(FeRAM)等的特征尺寸不断减小，对工艺和材料提出了新的要求。
随着器件特征尺寸的不断减小，尤其当光刻线宽小于0.1μm后，绝缘层(栅氧化物层)厚度开始逐渐接近原子间距。此时，受隧道效应的影响，栅极漏电流开始成为一个不容忽视的问题。
根据ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)提出的行业内未来15年发展对于集成电路研发需求的共识，以SiO2作为绝缘层的MIS器件将于2005年达到可减小的理论极限值，解决这一问题的最重要途径是采用高介电常数(κ)材料，从而实现大的等效厚度，减小漏电流。因此寻求宽禁带、大介电常数，晶体质量好，且能与单晶硅工艺兼容的SiO2的替代材料成为该领域研究的重点。
现有的可能替代SiO2的高κ材料有如表一所列，但是它们能否适合在集成电路中的应用，须考虑到一系列评价标准，包括工艺流程、介电常数、电容、禁带宽度、隧道漏电流效应和可靠性等因素，所以到目前为止尚很少真正得到应用。
| Dielectric | κ | Egap |
| SiO2 | 3.9 | 8.9 |
| Si3N4 | 7 | 5.1 |
| Al2O3 | 9 | 8.7 |
| Y2O3 | 15 | 5.6 |
| CeO2 | 26 | 5.5 |
| Ta2O5 | 26 | 4.5 |
| Dielectric | κ | Egap |
| La2O3 | 30 | 4.0 |
| Ti2O3 | 20-80 | 3.5 |
| HfO2 | 25 | 5.7 |
| ZrO2 | 25 | 5.8 |
| HfSixOy | 15-25 | 6 |
| ZrSixOy | 15-25 | 6 |
表一
2002年美国S.Choopun et al.首次成功利用脉冲激光沉积(pulsed laserdeposition，简称PLD)技术在白宝石衬底上外延生长立方相MgZnO(S.Choopun et al.，Realization of band gap above 5.0eV in metastablecubic-phase MgxZn1-xO alloy films，Appl.Phy.Lett.，80，1529(2002))并探讨了其在光电器件领域应用的可行性。2003年我国浙江大学邱东江、吴惠桢等成功地在Si衬底上低温生长立方相MgZnO晶体薄膜(邱东江、吴惠桢等，Characterization of cubic ZnMgO films grown on Si(111)at low substratetemperature，Chin.Phy.Lett.，Vol 20，No 4(2003)582)，本发明是将高介电常数(κ)立方相MgZnO晶体薄膜应用开发新的MIS器件的制备工艺。
发明内容
立方相MgZnO晶体材料由于其较大的介电常数ε～10.7(意味着较大的等效厚度)，较宽的禁带宽度＞5eV(意味着较小的漏电流)，同时制备工艺简单，易于在单晶硅上直接外延生长得到高质量的晶体薄膜，而受到关注。
本发明目的在于寻求一种以替代传统的SiO2绝缘层为，且与目前成熟的硅半导体器件工艺兼容的新型立方相MgZnO材料绝缘层的MIS结构元器件及其制备工艺。
1.本发明提供的一种金属—绝缘层—半导体(MIS)器件结构，其特征在于：
(1)在单晶硅衬底上的立方相MgZnO薄膜为绝缘层，其器件结构为金属电极-MgZnO晶体薄膜-Si单晶-金属电极或金属电极-MgZnO晶体薄膜-SiO2-Si单晶-金属电极。
(2)按(1)所述金属—绝缘层—半导体结构，其特征在于MgZnO材料正面电极为纯Al，或Al+％2Si，或Pt/W双层电极结构，衬底Si材料背面电极对应为纯Al，或Al+％2Si，或Pt/W双层电极结构。
(3)按(1)所述的金属—绝缘层—半导体器件结构，其特征在于单元面积0.01×0.01mm2～0.5×0.5mm2，MgZnO介质层厚度1nm～500nm，金属电极厚度10nm～300nm。
2.本发明采用光刻和温法，制备工艺包括正光刻胶，经过匀胶、曝光、显影，离子刻蚀去底膜，其特征在于：
1.在单晶Si上外延生长立方相MgZnO晶体薄膜，生长工艺条件参见已申请的国家发明专利《立方相宽禁带MgZnO晶体薄膜的制备技术》(申请号：02145307.1)。
2.蒸镀电极，制作MIS结构器件的电极，
(1)超声清洗在单晶硅衬底上生长好的立方相MgZnO晶体薄膜芯片，先用四氯化碳、然后是丙酮、再是无水乙醇清洗，最后氮气吹干；
(2)立方相MgZnO薄膜正面镀电极，电极材料为纯Al，或Al+2％Si或Pt/W复合层，采用电子束蒸发镀电极，镀电极时，衬底Si温度设置为100～200℃，以提高金属电极与衬底的粘附性，金属电极厚度10nm～300nm。
(3)Si衬底背面蒸镀电极，制作MIS器件的背电极
薄膜正面蜡封，保护MgZnO薄膜；
抛光Si背面，用去离子水清洗，去除抛光引入的脏污；
作欧姆接触，电子束蒸发蒸镀电极，电极材料为纯Al，或Al+2％Si或Pt/W复合层，与(2)条件同，衬底Si温度设置为100～200℃，金属电极厚度10nm～300nm。
3.光刻，作MIS结构器件单元图形
(1)在沉积了上述电极的MgZnO薄膜正面涂正光刻胶，厚度约为0.8～0.9μm；
(2)置于热板上前烘，干燥光刻胶，条件为70～90℃烘70～100秒；
(3)光刻机曝光，曝光时间为20秒；
(4)浸入显影液显影15秒，制作出MIS结构器件单元图形；
(5)离子刻蚀去底膜30秒。
4.湿法腐蚀，制作MIS结构器件单元
(1)用光刻胶将芯片Si背面封于载玻片，保护背电极；
(2)浸入磷酸(H3PO4)溶液腐蚀电极图形、MgZnO薄膜及SiO2薄膜，金属电极Al或Al+2％Si用磷酸腐蚀，金属Pt/W电极用HNO3∶HCl(1∶3)腐蚀，MgZnO晶体薄膜材料用1∶10的HCl/H2O腐蚀，SiO2薄膜材料用1∶10的HF/H2O腐蚀；
(3)残余的光刻胶用丙酮浸泡去除。
本发明提出一种新型的立方MgZnO晶体薄膜为绝缘层MIS结构器件及制备工艺，从而为MgZnO材料在半导体微电子行业的应用开辟了途径，为解决目前超大规模集成电路制造中尺寸不断减小所带来的理论限制提供了一种可能的途径，而且它与传统微电子平面加工工艺相兼容，具有现实应用的前景。
附图说明
图1、采用立方相MgZnO晶体薄膜为绝缘层的MIS结构器件
(a)蒸镀正面电极；
(b)蒸镀背面电极
(c)涂正光刻胶
(d)腐蚀光刻胶
(e)腐蚀正面电极
(f)腐蚀MgZnO绝缘层
(g)浸泡去除光刻胶
图2采用立方相MgZnO晶体薄膜与SiO2材料复合层为绝缘层的MIS结构器件
(a)金属电极-MgZnO晶体薄膜-SiO2-Si单晶-金属电极
(b)金属-MgZnO-SiO2-Si半导体MIS结构
图3MIS结构器件芯片俯视图
图中1、正面金属电极，2、MgZnO晶体薄膜(层)，3、单晶硅Si，4、背电极，5、光刻胶，6、SiO2薄膜(层)
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步说明本发明实质性特点和显著进步，但本发明不仅限于实施例。
实施例1
1.蒸镀Al电极
1.1超声波清洗
生长好的立方MgZnO晶体薄膜芯片先用四氯化碳、丙酮、无水乙醇依次各三次，每次2分钟，氮气吹干。
1.2立方相MgZnO薄膜正面蒸镀Al电极，参见图1(a)，电极厚度200nm，蒸镀时衬底温度150℃。
1.3Si背面蒸镀Al电极，参见图一(b)
单面抛光硅片(p+型或n+型)
薄膜正面蜡封：工装置于150℃烘箱加热，涂抹一层蜡即可，从烘箱取出工装，薄膜正面朝下与工装密和，自然冷却；
Si背面抛光：刚玉粉加水稀释于玻璃板，手持工装研磨，减薄时间约20分钟，减薄厚度约10μm；
清洗：减薄后片子浸入四氯化碳三至五分钟，使得蜡充分溶解，再浸入无水乙醇；
欧姆接触：使用n+硅片，掺杂浓度要求大于1019，芯片在氮气保护气氛，450℃条件下，退火1小时，p+硅片不需要作退火处理可直接形成欧姆接触；
2.光刻，参见图一(c)、(d)
2.1MgZnO薄膜正面涂正胶S6809，厚度约为0.9μm；
2.2置于热板上80℃前烘90秒；
2.3置于光刻机中，与光刻模板密接触，曝光机曝光25秒；
2.4浸入显影液15秒，去离子水清洗后用氮气吹干；
2.5采用反应离子刻蚀30秒，反应气体为氩气。
3.湿法腐蚀，参见图一(e)、(f)
3.1用光刻胶将芯片Si背面封于载玻片，95℃热板烘10分钟；
3.2磷酸(50～60℃)腐蚀正面Al电极，时间约1.5分钟，台阶仪测量腐蚀深度；
3.31∶10盐酸∶水40℃条件下腐蚀MgZnO薄膜，速率约为1.2μm/分。
4.去除光刻胶，参见图一(g)
4.1用丙酮浸泡去除光刻；
4.2用去离子水冲洗10分钟后，氮气吹干。
至此，制成了电极Al/MgZnO/Si/电极Al的MIS结构器件(参见图二)，可以进行后续的电流—电压特性、电容—电压特性的测试。
实施例2
采用以立方相MgZnO材料与SiO2材料复合层为绝缘层的MIS结构器件的制备工艺与实施例1相同。仅在未蒸镀电极的MgZnO绝缘层上蒸镀SiO2材料复合层为绝缘层。
Claims (4)
1.一种金属—绝缘层—半导体器件结构，其特征在于，在单晶硅衬底上的立方相MgZnO薄膜为绝缘层，其器件结构为金属电极-MgZnO晶体薄膜-单晶硅-金属电极或金属电极-MgZnO晶体薄膜-SiO2-单晶硅-金属电极。
2.按权利要求1所述金属-绝缘层-半导体器件结构，其特征在于MgZnO材料正面电极为纯Al，或Al+2％Si，或Pt/W双层电极结构，单晶硅材料背面电极对应为纯Al，或Al+2％Si，或Pt/W双层电极结构。
3.按权利要求1所述的金属-绝缘层-半导体器件结构，其特征在于单元面积0.01×0.01mm2～0.5×0.5mm2，MgZnO介质层厚度1nm～500nm，金属电极厚度10nm～300nm。
4.一种制备按权利要求1所述金属-绝缘层-半导体器件结构的工艺，采用光刻和湿法腐蚀，其特征在于：
(A)在单晶硅上处延生长立方相MgZnO薄膜；厚度1nm～500nm；
(B)蒸镀Al电极：制作金属-绝缘层-半导体器件的电极
(1)超声清洗在单晶硅衬底上生长好的立方相MgZnO晶体薄膜芯片，先用四氯化碳、然后是丙酮、再是无水乙醇清洗，最后氮气吹干；
(2)立方相MgZnO薄膜正面镀电极，电极材料为纯Al，或Al+2％Si或Pt/W复合层，采用电子束蒸发镀电极，镀电极时，单晶硅的温度设置为100～200℃，以提高金属电极与衬底的粘附性，金属电极厚度10nm～300nm；
(3)单晶硅背面蒸镀电极，制作金属-绝缘层-半导体器件的背电极
(a)薄膜正面蜡封，保护MgZnO薄膜；
(b)抛光Si背面，用去离子水清洗，去除抛光引入的脏污；
(c)作欧姆接触，电子束蒸发蒸镀电极，电极材料为纯Al，或Al+2％Si或Pt/W复合层，与(2)条件同，单晶硅温度设置为100～200℃，金属电极厚度10nm～300nm；
(C)光刻，作金属-绝缘层-半导体器件单元图形
(1)在沉积了上述电极的MgZnO薄膜正面涂正光刻胶，厚度为0.8～0.9μm；
(2)置于热板上前烘，干燥光刻胶，条件为70～90℃烘70～100秒；
(3)光刻机曝光，曝光时间为20秒；
(4)浸入显影液显影15秒，制作出金属-绝缘层-半导体器件单元图形；
(5)离子刻蚀去底膜30秒；
(D)湿法腐蚀，制作金属-绝缘层-半导体结构器件单元
(1)用光刻胶将单晶硅背面封于载玻片，保护背电极；
(2)金属电极Al或Al+2％Si用磷酸腐蚀，金属Pt/W电极用HNO3：
HCl＝1∶3溶液腐蚀，MgZnO晶体薄膜材料用1∶10的HCl/H2O腐蚀，
SiO2材料用1∶10的HF/H2O腐蚀；
(3)残余的光刻胶用丙酮浸泡去除。
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