[发明专利]一种在硅衬底上制备高介电常数金属氧化物薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及在Si衬底上制备不含SiO_x过渡面层的高K金属氧化物薄膜的方法。

背景技术

在高速发展的微电子工业中，互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)集成电路的技术进步促进了硅基微电子的发展，而CMOS集成电路的发展和集成度的提高又得益于其基本单元场效应管尺寸的不断缩小。然而，器件特征尺寸的进一步缩小和集成度的进一步提高受到CMOS栅介质层的制约，目前普遍采用的栅介质材料SiO₂，由于其介电常数较小而无法适用于下一代CMOS集成电路，寻找新一代合适的高介电常数(高K)材料取代现有的SiO₂用作栅介质层是最有希望解决此类问题的途径。目前研究和尝试的材料中，最有希望取代SiO₂的高K材料主要有氮化物和金属氧化物，其中金属氧化物主要集中在M₂O₃型的IIIA和IIIB族金属氧化物(如Al₂O₃、Y₂O₃等)和MO₂型的IVB族金属氧化物(如ZrO₂、HfO₂等)两大类。

CMOS器件的制作要求栅介质层和Si衬底之间界面质量良好，目前M₂O₃型和MO₂型高K金属氧化物的沉积需要在高活性的含氧气相氛围中进行。由于SiO₂较低的生成焓(ΔH_SiO2＝-910.7kJ/mol)，在金属氧化物薄膜沉积之前和之初Si衬底由于直接暴露于高活性的含氧气相氛围中表面极易被氧化，导致在Si衬底和金属氧化物薄膜之间形成SiO_x过渡层。本发明可以解决这一问题，在Si衬底上制备界面良好、无SiO_x过渡层的M₂O₃和MO₂型高K金属氧化物。并且，本发明中金属薄膜的沉积和薄膜的等离子体表面处理与现有集成电路制备工艺兼容，其中金属薄膜的沉积可利用现有技术，而本发明采用的ECR微波放电这一当前最有效的低气压放电技术产生的高活性ECR等离子体比目前在材料表面处理中通用的等离子体更有优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在Si衬底上制备不含SiO_x过渡层、具有良好界面特性、可用作下一代CMOS器件栅介质层的M₂O₃和MO₂型高K金属氧化物薄膜的方法。

本发明提供的制备方法采用以下步骤：

(1)先用常规的真空条件下的物理气相沉积方法在清洁的Si衬底表面沉积IIIA、IIIB或IVB族金属薄膜。

(2)用ECR微波放电产生的高活性氧等离子体对上述金属薄膜进行氧化处理，使之转变为不含SiO_x过渡面层的M₂O₃型(M＝III A或III B族金属，如Al、Y、La、Pr等)和MO₂型(M＝IVB族金属，如Hf、Zr等)金属氧化物薄膜。本发明的关键是避免了Si衬底表面直接与含氧气氛接触而被氧化的可能。

金属薄膜的沉积制备工艺已十分成熟，许多物理气相沉积方法都可以很方便地以高纯金属为原材料在Si等各种材料表面沉积高纯的金属薄膜，包括常规的电子束溅射沉积、磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、热蒸发沉积等物理气相沉积方法，并且可以有效地避免氧等杂质引入膜层和衬底表面，从而避免Si等易氧化衬底材料表面的氧化。

低温等离子体表面处理技术已广泛应用于各种材料的表面处理，如材料表面的氧化处理、氮化处理、碳化处理等，也被应用于目前的集成电路制备工艺中。通常采用气体放电方法激活工作气体形成低温等离子体，ECR微波放电是目前最有效的低气压气体放电技术，引发的ECR等离子体具有密度高、电离度高、化学活性高等特点，所形成的等离子体束流与其他等离子体比较在材料表面处理方面具有明显的优势。