[發明專利]在硅襯底上制備無過渡層的金屬氧化物薄膜的方法

無效

• 申請號: 200910149162.0
• 申請日: 2009-06-12
• 公開（公告）號: CN101851741A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 吳嘉達;孫劍;唐文濤;干潔
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/28
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 包兆宜

技術領域

本發明屬于材料制備領域，提供了一種在硅襯底上制備無過渡層的金屬氧化物薄膜的方法，尤其是在硅襯底上制備不含SiO_x過渡面層、界面良好的IVB族金屬氧化物薄膜的新方法。

背景技術

現有技術公開了Si是最重要的微電子材料，Si基器件構成了近代微電子器件及其技術的基礎。各種Si基器件的功能都是在Si襯底上沉積其它薄膜并加工形成相應的結構而實現的，其中許多Si基器件的制作通常需要先在Si襯底上沉積氧化物薄膜，如目前主流的互補金屬氧化物半導體(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)器件就需要在Si襯底上沉積二氧化硅(SiO₂)薄膜作為柵介質層。隨著CMOS集成電路的快速發展、集成度的不斷提高和器件特征尺寸的不斷縮小，作為柵介質層的SiO₂膜厚也不斷減小。然而由于其介電常數較小，SiO₂難以滿足作為下一代器件柵介質層材料要求，尋找新一代合適的高介電常數材料取代現有的SiO₂用作柵介質層是最有希望解決此類問題的途徑，其中HfO₂、ZrO₂和TiO₂這些IVB族金屬氧化物MO₂是很有希望取代SiO₂柵介質的高K材料。

CMOS器件的制作要求柵介質層和Si襯底之間界面質量良好，然而IVB族金屬氧化物MO₂薄膜的沉積需要在高活性的含氧氛圍中進行，并且目前MO₂薄膜的沉積工藝需要較高的溫度。由于SiO₂較低的生成焓(-ΔH_SiO2＝910.7kJ/mol)，在MO₂膜生長初期Si襯底表面極易被含氧環境所氧化，尤其是在高溫條件下，導致在Si襯底和MO₂薄膜之間形成SiO_x過渡層。

發明內容

本發明目的是針對現有技術的不足，提供一種在硅襯底上制備無過渡層的金屬氧化物薄膜的方法，具體是一種在硅襯底上制備不含SiO_x過渡面層、具有良好界面特性的MO₂薄膜的方法。

本發明提供的制備MO₂薄膜方法包括：在電子回旋共振條件下用脈沖激光燒蝕金屬靶引發對氧氣的微波放電，形成高活性的氧等離子體，并以此氧等離子體輔助脈沖激光沉積，在硅襯底上制備MO₂薄膜。

具體而言，本發明方法以IVB族高純金屬和高純氧氣為原材料，以脈沖激光束燒蝕IVB族金屬靶引發處于電子回旋共振狀態、氣壓為1×10^-2-9×10^-2Pa的稀薄氧氣微波放電形成氧等離子體，利用氧等離子體輔助脈沖激光沉積在處于30-80℃常溫的硅襯底表面沉積制備IVB族金屬氧化物薄膜。本發明可以防止硅表面氧化、從而避免在襯底和薄膜之間形成SiO_x過渡層。

采用本方法，由于在薄膜制備之前處于室溫的Si襯底在極稀薄的氧氣氛中暴露的時間很短，氧等離子體由激光對金屬靶的燒蝕引發，即氧等離子體的形成和MO₂薄膜的沉積同時開始，從而能避免Si襯底表面在MO₂薄膜沉積之前被氧化。MO₂薄膜的沉積在脈沖激光燒蝕和高活性的氧等離子體輔助下進行，無需高溫，也即MO₂薄膜的沉積在略高于室溫的30-80℃的常溫下進行，從而可以有效避免Si襯底表面在MO₂薄膜沉積初期被氧化。于是就可以在Si襯底上沉積制備滿足CMOS集成電路柵介質層制作要求的無SiO_x過渡層的高介電常數的MO₂薄膜。

本發明采用了如圖1所示示意圖的裝置在硅襯底上制備不含SiO_x過渡面層、具有良好界面特性的MO₂薄膜。