[發明專利]一種用于高介電常數柵介質的外延薄膜及其制備方法

無效

• 申請號: 200810239915.2
• 申請日: 2008-12-15
• 公開（公告）號: CN101752410A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: 杜軍;魏峰;屠海令;王毅;岳守晶
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: H01L29/51
• 分類號: H01L29/51;H01L29/78;H01L21/285
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 程鳳儒

技術領域

本發明涉及一種用于新一代集成電路場效應管中高介電常數(高k)柵介質材料及其制備方法。通過獲得具有高熱穩定的La₂Hf₂O₇陶瓷靶材，調節生長溫度，在激光脈沖沉積系統里生長出具有良好化學穩定性、電學性能的高k柵介質替代材料。

背景技術

隨著集成電路的快速發展，CMOS器件的尺寸不斷減小，量子隧道效應開始變得顯著，二氧化硅柵介質漏電流大大增加；柵極、二氧化硅和硅襯底之間存在雜質的濃度梯度，柵厚度減薄引起雜質的擴散更加嚴重[1，2]。為了保證MOSFET器件中柵電容的容量不變，就需要采用高k(指介電常數大于SiO₂，即＞3.9)柵介質材料來替代傳統的SiO₂。

對高k柵介質材料的基本要求包括以下幾個方面。1、材料的介電常數足夠大；2、材料在Si襯底上是熱動力學穩定的；3、為了降低柵的漏電流，材料的禁帶寬度應盡可能大；更重要的是希望柵介質材料與Si的導帶/價帶間的勢壘要大(＞1eV)；4、要求減少界面的固定電荷和缺陷態密度；5、為了防止沿晶粒間界的輸運，希望柵介質材料在器件制作工藝過程中始終保持為非晶態或單晶態；6、希望柵介質材料能與微電子工業所用的其他材料和制程工藝兼容；7、能夠穩定工作10年以上。

由于鉿基氧化物與硅具有較好的熱穩定性以及適宜的介電常數等因素，目前已成為高介電常數柵介質材料的首要的候選材料。然而，二氧化鉿的結晶溫度偏低、且其導帶偏移量較小，故而不能直接作為柵介質材料使用。為了進一步獲得具有較高介電常數和熱穩定性以及較好的電性能，需要對鉿基氧化物進行改性，以獲得符合半導體工業要求的柵介質材料。但是，總的來說存在以下幾個方面的困難：

1、氧化物與Si襯底無可避免地會因氧擴散的問題導致界面形成一層中間過渡層，該過渡層通常會大大降低柵介質層的有效介電常數。稀土金屬還容易與Si形成硅化物，而使得高k氧化物無法在場效應管中作為柵介質層使用。

2、雖然稀土氧化物一般比氧化鉿具有更高的介電常數和導帶偏移量，但是由于其結晶問題過低，其應用受到限制。

3、外延薄膜因具有較小的體缺陷而受到關注，但是，通常HfO₂材料與半導體襯底晶格失配度較大，所獲得的外延薄膜存在晶界、扭折等位錯，造成漏電流過大。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于新一代集成電路場效應管中高介電常數(高k)的柵介質材料及其制備方法。該用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料是在Si襯底上生長出均一、平整且缺陷極少的外延薄膜，是具有良好化學穩定性、電學性能的高k柵介質材料。

為了實現上述目的。本發明采取以下技術方案：

一種用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料，是在Si(001)襯底上單一高取向外延薄膜，該薄膜為具有焦綠石相結構的單晶態鉿鑭復合氧化物La₂Hf₂O₇，該薄膜與Si(001)襯底的晶體學取向關系為La₂Hf₂O₇(001)//Si(001)。

在本發明的用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料中，所述的薄膜是由襯底向上依次排列的三維島狀的生長模式成膜和二維生長模式成膜所組成。

在本發明的用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料中，所述的薄膜與Si(001)襯底具有中間層，通過高分辨電子顯微分析，該中間層小于1nm，且與Si(001)襯底的界面陡直。

在本發明的用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料中，通過原子力顯微分析，所述的薄膜表面粗糙度

在本發明的用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料中，通過高分辨電子顯微分析，所述的薄膜厚度可為3～5nm。

在本發明的用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料中，所述的薄膜的介電常數介于20～23之間。

在本發明的用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料中，所述的薄膜制備成Pt/La₂Hf₂O₇/Si的MOS器件，其C-V回滯曲線小于50mV。

一種用于高介電常數柵介質的外延薄膜材料制備方法，該方法包括下述步驟：