[发明专利]高k栅介质材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属半导体领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)的应用领域，具体涉及一种高k栅介质材料及其制备方法， 该发明利用射频磁控溅射法制备了非晶Er2O3-Al2O3(ErAlO)高K栅介 质复合氧化物薄膜。本发明提供了一种取代SiO₂的新型高k栅介质候选 材料，并提供了其制备方法。

背景技术

随着集成电路中晶体管特征尺寸的减小，目前场效应管栅介质SiO₂的厚度已经减少到了纳米量级。此时，受遂穿效应的影响，栅极漏电 流将随氧化层厚度的减小呈指数增长，成为一个不容忽视的问题。解 决这个问题的办法之一就是用高k材料替代SiO₂，这样使用更厚的介 质薄膜也可以得到一个大的电容值，同时也有效抑制了栅极漏电流的 上升。

对于栅介质应用，薄膜的平整度是一个重要的质量指标。在高场情 况下，介电薄膜/Si衬底下界面处的粗糙起伏会增加界面态密度，从而 对电学特性产生不良影响；上表面的粗糙度会对电极稳定性产生影响， 同时会通过远程库仑作用影响到载流子迁移率。整个薄膜由于粗糙度 的影响，厚度变得很不均匀，由此造成薄膜中电场分布的巨大波动， 这对器件工作的稳定性也是个严重的影响因素。当介质层厚度达到纳 米量级的情况下，粗糙度对各方面的影响就更不能忽视了。

与多晶和单晶材料相比，非晶氧化物高k材料具有易于制备，可 重复性好，没有晶粒边界以及可与传统生产工艺兼容等优点，因此， 非晶结构的材料被认为是最理想的高k栅介质候选材料。

在选择合适的材料来代替SiO₂的探索中，已经有很多材料被尝试 过。例如，过渡氧化物(HfO₂[1]，ZrO₂[2])，稀土氧化物(Y₂O₃[3]，La₂O₃[4]， Er₂O₃[5])和复合氧化物(HfAlO[6]，HfSiON[7])等。其中，Er₂O₃由于它相 对较高的介电常数(～13)，大的导带偏移(～3.5eV)，宽的带隙(～7.6 eV)，以及与硅具有良好的化学稳定性，使它成为很有吸引力的高k栅 介质材料。在Si衬底上生长高k Er₂O₃薄膜已被一些研究小组报道[8]，但 是Er₂O₃高k栅介质材料要在微电子工艺中成功代替SiO₂薄膜，Er₂O₃薄 膜的热稳定性还有待提高，Chen[9]报道Er₂O₃的晶化温度相对较低 (500～600℃)，当薄膜从原来的非晶态转为多晶后，会引起漏电流增加 及沿晶界杂质扩散增大等缺点。

参考文献

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