[發明專利]一種采用原子層淀積AlN/高k柵介質雙層結構的方法

無效

• 申請號: 201010503879.3
• 申請日: 2010-10-12
• 公開（公告）號: CN102005380A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 譚葛明;王鵬飛;孫清清;張衛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L21/285
• 分類號: H01L21/285
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于半導體制造技術領域，具體涉及一種采用原子層淀積AlN/高k柵介質雙層結構來優化MOS器件的柵介質/溝道的界面特性的方法。

背景技術

隨著金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFETs)特征尺寸的不斷縮小,?絕緣柵介質層也按照等比例縮小的原則變得越來越薄，當柵介質層薄到一定程度后,其可靠性問題,尤其是與時間相關的擊穿及柵電極中的雜質向襯底的擴散等問題,將嚴重影響器件的性能、穩定性和可靠性?，F在，在MOS集成電路工藝中廣泛采用高介電常數（高k）柵介質來增大電容密度和減小柵極泄漏電流。高k材料因其大的介電常數，可實現在與SiO₂具有相同等效柵氧化層厚度(EOT)的情況下，其實際厚度比SiO₂大的多，從而解決了SiO₂因接近物理厚度極限而產生的問題。

在淀積高k柵介質和后續的熱工藝中，通常無法避免低介電常數（低k）界面層的生成，從而增大了EOT、界面態密度和柵極泄漏電流。有兩種途徑可以改善柵介質/溝道界面特性，一種是通過直接氧化襯底材料,在襯底表面生成低缺陷的自然氧化物，如SiO₂/Si、GeO₂/Ge、Ga₂O₃/GaAs等，另一種是在高k柵介質和溝道層之間插入一層熱穩定性好和抗擴散能力強的鈍化層介質。

AlN是一種寬禁帶半導體(Eg=6.2eV)，介電常數為6-18。AlN具有很高的熱穩定性和擊穿電場強度，對氧原子具有很強的阻擋能力，因此，AlN非常適合作為高k柵介質和溝道間的鈍化層介質。現在通常采用濺射法和MOCVD(金屬氧化物氣相淀積)來淀積AlN。采用濺射法制備的AlN薄膜的表面粗糙程度較高，對襯底表面造成的損傷也較大。MOCVD淀積AlN薄膜則很難在1納米附近保證薄膜的厚度和質量。因此,這兩種方法都無法實現在半導體襯底上獲得高質量和精確的膜厚。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提出了一種采用原子層淀積AlN/高k柵介質雙層結構的方法，其中涉及一種新的AlN鈍化層的形成方法，采用該AlN鈍化層的形成方法可以制備高質量且厚度可以得到精確控制的AlN鈍化層。

本發明提出的采用原子層淀積AlN/高k柵介質雙層結構的方法，具體步驟包括：

首先，將清洗后的半導體襯底裝入原子層淀積（ALD）反應腔。

接下來，采用原子層淀積的方法淀積AlN鈍化層。采用鋁的反應源作為鋁的前軀體，氮的反應源作為氮的前軀體，惰性氣體作為輸運反應源的載氣，反應溫度為100-450℃，ALD反應腔壓強為0.1-5torr。AlN鈍化層厚度為0.5-2.5納米。

接下來，繼續在ALD反應腔中淀積高k柵介質。

本發明中，作為鋁的反應源的鋁的前軀體采用三甲基鋁(TMA)等，作為氮的反應源的氮的前軀體采用氨氣（NH₃）等，作為輸運反應源的載氣采用氮氣等。?

進一步地，所述的半導體襯底為Si、Ge、Ge_xSi_1-x、GaAs、InGaAs、InP、GaN或GaP等半導體材料。所述的高k柵介質為Ta₂O₅、Pr₂O₃、TiO₂、HfO₂、La₂O₃或ZrO₂等高k柵介質材料。

更進一步地，AlN鈍化層厚度為0.5-2.5納米。淀積AlN鈍化層的周期數為3-8個，其中淀積一次AlN的反應周期包括：0.1-20秒的TMA等鋁的前驅體氣體脈沖時間；0.5-90秒的氮氣吹洗殘留的TMA時間；0.1-25秒的NH₃脈沖時間；0.5-90秒的殘余NH₃以及生成物CH₄等的吹洗時間。