CN1312738C - 制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

引入氧化铝保护层制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法，在半导体衬底材料上沉积稀土氧化物薄膜作为高介电栅介质材料，然后原位沉积氧化铝保护层，稀土氧化物薄膜材料：氧化钇(Y₂O₃)，氧化镧(La₂O₃)，和镧系的其他氧化物如Pr₂O₃、CeO₂、Gd₂O₃、Er₂O₃。

Description

制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法

一、技术领域

本发明属于半导体集成电路的工艺，涉及一种对稀土氧化物栅介电薄膜保护的方法，尤其是引入氧化铝保护层制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法。

二、背景技术

在硅基半导体集成电路中金属—氧化物—半导体场效应管(MOSFETs)是构成记忆元件、微处理器及逻辑电路的基本单元，它的体积直接关系到超大规模集成电路的集成度。按照著名的摩尔定律，每隔18个月集成电路的集成度要增加一倍。当晶体管器件的尺寸缩小到亚微米级后(0.1微米以下)，二氧化硅这一传统的栅介质器件材料达到了其基本的物理极限。隧道效应将造成的栅与硅片之间大的漏电流，界面结构、硼渗透以及可靠性方面也将出现一系列问题。为了解决这些问题，必须使用具有较高介电常数(high-k)和低漏电流的材料取代现有的SiO₂，这已成为制约未来十年中MOSFETs集成度提高的瓶颈。

在研究的high-k候选材料中，稀土氧化物，主要包括Y₂O₃和镧系的La₂O₃、Pr₂O₃、CeO₂、Gd₂O₃、Er₂O₃，由于其具有适当大的介电常数、较大的禁带宽度和与Si接触的良好的热力学稳定性，而成为下一代高介电栅介质的最有希望的竞选材料之一。然而，其不足之处在于稀土氧化物在通常的环境中易吸收空气中的水汽和二氧化碳，导致电学性质和器件性能的恶化。如何防止这种情况的发生，成为稀土氧化物栅介电材料应用中必须解决的一个关键问题。

三、发明内容

氧化铝具有中等的介电常数为9，除了介电常数不够高以外，符合所有高介电材料的标准，具有非常大的禁带宽度8.7eV、高温的热稳定性和环境的化学稳定性，也是半导体工业中能满足短期要求的一种替代二氧化硅的栅介电材料。

本发明的目的是：引入氧化铝保护层制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法。

本发明的目的是这样实现的：引入氧化铝保护层制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法，在半导体衬底材料上沉积稀土氧化物薄膜4作为高介电栅介质材料，然后原位沉积氧化铝保护层2。

稀土氧化物薄膜材料：氧化钇(Y₂O₃)，氧化镧(La₂O₃)，和镧系的其他氧化物如Pr₂O₃、CeO₂、Gd₂O₃、Er₂O₃；薄膜厚度在1-1000纳米。Y₂O₃、La₂O₃、Pr₂O₃、CeO₂、Gd₂O₃、Er₂O₃等薄膜采用化学气相沉积法(CVD)，或物理气相沉积法(PVD)如激光脉冲沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发等生长。

保护层：氧化铝；薄膜厚度在0.5-100纳米，致密的氧化铝保护层，采用与稀土氧化物生长相同的原位沉积工艺，化学气相沉积法(CVD)，或物理气相沉积法(PVD)如激光脉冲沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发等生长。

本发明的核心在于采用了一种简便可行的方法，通过在稀土氧化物沉积完毕后原位引入一薄层致密的氧化铝保护层，有效地阻断了稀土氧化物对空气中水汽和二氧化碳的吸附，明显地改进了电学性能，从而提高了器件的可靠性，可以满足MOSFET工艺编织的要求。

衬底材料：商业单晶硅片，N或P型，取向(100)或(111)，电阻率0.01-20Ωcm。

电极材料：真空沉积背电极铝，磁控溅射顶电极铂或真空沉积的金

薄膜沉积方法：化学气相沉积法(CVD)，或物理气相沉积法(PVD)如激光脉冲沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发等。

沉积工艺：原位沉积和生长，标准半导体工艺清洗处理过的衬底放入反应室衬底升温到所需温度、原位沉积所需厚度的稀土氧化物薄膜、原位沉积所需厚度的氧化铝保护层。

发明效果：通过在稀土氧化物沉积完毕后原位引入一薄层致密的氧化铝保护层，有效地阻断了稀土氧化物对空气中水汽和二氧化碳的吸附，明显地改进了电学性能，提高了器件的可靠性和可应用性。

四、附图说明

图1为本发明稀土氧化物栅介电结构示意图：

图2为样品D、B的电容-电压(C-V)曲线。测量频率为500kHz和1MHz.由此可计算出来与频率无关的C-V曲线，

图3为本发明中图2的两种薄膜在暴露空气10个小时后测得的红外光谱图。铂或金顶电极1、氧化铝保护层2、铝背电极3、稀土氧化物薄膜4、衬底5。

五、具体实施方式

采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)，在N型2-10Ωcm(100)的单晶硅衬底上，分别使用镧的β二酮盐(La(dpm)₃)和铝的乙酰丙酮盐(Al(acac)₃)作为MO源，制备氧化镧(La₂O₃)栅介电薄膜和氧化铝(Al₂O₃)保护层，具体的生长工艺参数为：La(dpm)₃的使用温度为185～190℃，Al(acac)₃的使用温度为90～95℃，输运载气为高纯N₂，反应室沉积压力为2～4Torr，沉积温度均为650℃，沉积气氛为氧气。氧化镧薄膜的生长时间为5-30分钟。氧化铝薄膜的生长时间为0-3分钟。以氧化镧栅介电薄膜为例，采用化学气相沉积法(CVD)，或物理气相沉积法(PVD)，制备其它稀土氧化物的生长方法相似，材料的性能亦类同。

一种生长氧化铝保护层样品为A；一种没有生长氧化铝保护层的样品为B。我们测量比较了两种薄膜的电学性质和红外光谱。

图2A、B分别展示了样品A、B的电容-电压(C-V)曲线。这里氧化镧生长时间为5分钟，氧化铝保护层的沉积时间为1分钟；测量频率为500kHz和1MHz.由此可计算出来与频率无关的C-V曲线，再通过下面公式获得等效氧化物厚度t_eq(EOT，equivalent oxide thickness)，即指将任意介电材料的薄层厚度等效为二氧化硅的厚度，由 $\mathrm{EOT}=t_{\mathrm{sio}2}+t_{\mathrm{high\; k\; oxido}}\·\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}{o}_2}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{high\; k\; oxide}}}$ 这里t_Sio2和t_highk_oxidc对应于SiO₂和高介电氧化物的厚度，ε_SiO2和ε_Highkoxide对应于SiO₂(ε_SiO2＝3.9)和高介电氧化物的介电常数。可见，在差不多的沉积条件下，样品A有较小的EOT(1.8nm)和较小平带电压偏移(0.7V)，而样品B有明显增大的EOT，达到8.6nm，另外在C-V曲线中还出现了双台阶，意味着薄膜和衬底之间有集中分别的界面态。

图3显示了两种薄膜在暴露空气10个小时后测得的红外光谱。这里氧化镧沉积时间为30分钟，氧化铝沉积时间为3分钟。通常样品B在暴露空气中10分钟后，红外光谱中已看到了明显的羟基峰和碳酸盐峰，随着暴露时间的延长，峰的强度也会增加，直至饱和，意味着氧化镧完全转变成氢氧化镧或碱式碳酸镧的复合物。而样品A有了氧化铝保护层后，则在暴露空气10个小时后，仍没有羟基峰出现，甚至在环境中放置10天，膜的红外谱依然变化很小。这样的稳定性已可以满足MOSFET工艺编织的要求。

Claims (1)

1、制备稳定的稀土氧化物栅介电薄膜的方法，其特征是在半导体衬底材料上沉积稀土氧化物薄膜(4)作为高介电栅介质材料，然后原位沉积氧化铝保护层(2)；铝的乙酰丙酮盐作为MO源输运载气为高纯N₂，反应室沉积压力为2～4Torr，沉积温度均为650℃，沉积气氛为氧气；保护层氧化铝薄膜厚度在0.5-100纳米。

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