[發(fā)明專利]高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310385092.5
• 申請(qǐng)日: 2013-08-29
• 公開（公告）號(hào): CN103451612A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐武;楊宇桐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/40
• 分類號(hào): C23C14/40;C23C14/54;C23C14/08
• 代理公司: 成都虹橋?qū)＠聞?wù)所(普通合伙) 51124
• 代理人: 劉世平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，特別涉及高介電常數(shù)HfO₂（二氧化鉿）非晶薄膜。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展對(duì)集成電路的密度和性能提出了更高的要求，典型的CMOS器件柵介質(zhì)薄膜的厚度變得越來(lái)越薄，并開始逐漸接近原子間距，由于柵介質(zhì)氧化層的直接隧穿而引起的泄漏電流和靜態(tài)功率損耗隨之顯著增加。因此，傳統(tǒng)的二氧化硅（SiO₂）柵介質(zhì)正日益趨于它的極限。使用高介電常數(shù)(高K)薄膜材料替代SiO₂是目前最有希望解決此問(wèn)題的途徑。采用這種材料可以在不增加電學(xué)厚度的前提下允許增加絕緣層厚度，進(jìn)而能夠降低漏電流。高K金屬氧化物主要是指元素周期表中副族和鑭系部分金屬元素的氧化物，主要包括三氧化二鋁（Al₂O₃）、五氧化二鉭（Ta₂O₅）、二氧化鈦（TiO₂）、二氧化鋯（ZrO₂）、二氧化鉿（HfO₂）、二氧化鈰（CeO₂）、三氧化二釔（Y₂O₃）等，這些材料的介電常數(shù)介于10-80之間，遠(yuǎn)大于SiO₂的3.9，尤其是Hf（鉿）元素的氧化物，因其具有較大的禁帶寬度、較好的熱穩(wěn)定性以及較大的與硅接觸的勢(shì)壘，是最有希望替代SiO₂的高K柵介質(zhì)材料，近年來(lái)已經(jīng)得到了廣泛的研究。縱觀該體系高K柵介質(zhì)薄膜的研究情況，不論是純氧化鉿薄膜還是氧化物摻雜體系，其制備工藝大多存在高溫過(guò)程，比如高溫?zé)Y(jié)靶材或者對(duì)薄膜進(jìn)行高溫退火處理。制備工藝中不采用高溫處理而得到的氧化鉿薄膜基本是非晶態(tài)的，制備工藝的差異可能導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)少量單斜相晶態(tài)，這種含少量晶態(tài)的非晶薄膜不論在介電性能還是在薄膜的致密性、均勻程度以及組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上往往比經(jīng)過(guò)退火處理形成的晶態(tài)薄膜要差一些。然而HfO₂純非晶薄膜既有較高的介電常數(shù)，又與金屬和半導(dǎo)體的表面都有更好的接觸，因此尋找一種室溫下制備氧化鉿非晶薄膜方法，可以有效地抑制界面異相的產(chǎn)生，又能免去繁瑣的高溫處理過(guò)程，并能得到致密性和織構(gòu)性均良好的氧化鉿薄膜，成為一項(xiàng)創(chuàng)新的研究。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查詢發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的氧化鉿體系薄膜多是以脈沖激光沉積（西北有色金屬研究院.一種錳穩(wěn)定氧化鉿薄膜的制備方法(P).中國(guó)發(fā)明專利，CN101580927A.2009-11-18；北京有色金屬研究總院.一種氧化鉿摻雜氧化鈰柵電介質(zhì)材料及其制備方法(P).中國(guó)發(fā)明專利，CN101265125A.2008-09-17）以及原子層沉積（微米技術(shù)有限公司.氧化鉿鋁介質(zhì)薄膜(P).中國(guó)發(fā)明專利，CN1672244A.2005-09-21）等方式制備的，而通過(guò)磁控濺射(鹿芹芹，劉正堂，劉文婷，張淼.射頻磁控反應(yīng)濺射制備HfO₂薄膜的工藝及電性能(J).西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2008(4)：249-253)制備具有較好結(jié)構(gòu)和性能的氧化鉿薄膜體系的較少。上述薄膜體系多屬于通過(guò)摻雜改善性能或經(jīng)高溫退火處理以晶化薄膜結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有通過(guò)由特定的磁控反應(yīng)濺射工藝參數(shù)以制備氧化鉿非晶薄膜的有關(guān)報(bào)道。由于反應(yīng)磁控濺射具有以下鮮明特點(diǎn)：所用的靶材料和反應(yīng)氣體等具備很高的純度，有利于制備高純度的化合物薄膜；調(diào)節(jié)沉積工藝參數(shù)可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜從而達(dá)到通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜的組成來(lái)調(diào)控薄膜特性的目的；沉積過(guò)程中基板溫度一般不會(huì)有很大的升高，而且成膜過(guò)程通常也并不要求對(duì)基板進(jìn)行很高溫度的加熱，因此對(duì)基板材料的限制以及薄膜成分的變化影響較少；反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而且磁控濺射法發(fā)展較為成熟，所制備膜層的質(zhì)量較好，與基底結(jié)合牢固，具有較好重復(fù)性和良好的臺(tái)階覆蓋，因此可用于這類HfO₂薄膜的制備。而利用金屬鉿與氧氣進(jìn)行反應(yīng)濺射能更充分地改善薄膜的組織結(jié)構(gòu)，得到性能更加良好的非晶薄膜。在反應(yīng)濺射中等離子體中流通電流較大，在反應(yīng)氣體O₂分子的分解、激發(fā)和電離等過(guò)程中，該電流起著重要作用。因此，磁控反應(yīng)濺射中能產(chǎn)生一股強(qiáng)大的由載能游離原子團(tuán)組成的粒子流伴隨著濺射出來(lái)的Hf靶原子從陰極靶流向基片，在基片上克服與薄膜生長(zhǎng)有關(guān)的激活能且形成致密而均勻的化合物。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服目前HfO₂薄膜材料的制備工藝采用摻雜或加溫的方式制作，不能完全生成非晶薄膜的缺點(diǎn)，提供一種高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法。