[发明专利]一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料加工工艺及其应用，尤其涉及采用射频磁控溅射制备高k栅介质薄膜的工艺方法。

背景技术

随着超大规模集成电路集成度的提高，半导体器件的特征尺寸按摩尔定律不断缩小。高性能CMOS器件的栅介质层等效氧化物厚度(EOT)缩小至1nm以下时，传统SiO₂栅介质受隧穿效应的影响，栅漏电流过大，因此需要寻找能够在保持和增大栅极电容的同时，使栅介质层仍保持足够物理厚度的新型高k栅介质材料来限制隧穿效应的影响。

HfO₂因具有较高的介电常数、较大的禁带宽度和良好的热稳定性，很有希望成为替代传统SiO₂的新型高k材料。但由于HfO₂结晶温度较低(约为400℃-600℃)，结晶态HfO₂栅介质薄膜对器件性能具有不利影响。为提高HfO₂薄膜的结晶化温度，研制与开发以HfO₂为基的多元系栅介质薄膜材料是有效途径之一。

发明内容

本发明的目的是：采用射频反应磁控溅射技术，制备出具有高的结晶温度的理想的HfLaO薄膜。

本发明采用如下技术方案：

一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，以单晶硅片为衬底，包括衬底清洗和薄膜沉积的步骤，衬底的清洗为本领域技术人员所熟知的常规操作，在此不做赘述，所述薄膜沉积的步骤是采用射频磁控溅射技术，金属Hf靶的溅射入射功率为120w，调节金属La靶的溅射入射功率，其范围为40～100w，室温下在衬底单晶硅片上同时溅射沉积2小时，得到HfLaO薄膜；

所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子总量(即[La/(La+Hf)])的比为17～37％。

本发明，溅射时Hf靶和La靶的靶面法线方向分别与单晶硅片的法线方向成45°。

本发明，溅射真空室抽至本底真空度为8.0×10^-4Pa，以Ar和O₂的混合气氛作为反应气氛；

本发明，所述Ar的表观质量流量为30cm³/min，O₂的表观质量流量为5cm³/min。

本发明，溅射时的工作气压为1Pa。

本发明，所述金属Hf靶和金属La靶的纯度为99.99％。

本发明，所述衬底单晶硅片为n型(100)取向的单晶硅片。

稀土氧化物La₂O₃电学性能优越，具有较高的介电常数(k～30)、宽的带隙(5.8eV)、大的导带偏移量(2.3eV)且结晶温度较高(大约1100℃)，在HfO₂中掺入稀土元素La后形成Hf_(1-x)La_xO_y薄膜，可提高HfO₂的结晶温度。

本发明的核心在于采用射频磁控溅射技术，在Ar、O₂混合气体中，通过调节La、Hf两种金属靶材的入射功率，较好地控制薄膜中La/Hf原子比，其中，金属La的含量控制在17～37％，从而在半导体衬底材料上沉积具有高的结晶温度和热学稳定性、表面平整、结构致密的非晶态HfLaO栅介质薄膜作为高介电栅介质薄膜材料。

相比于现有技术，本发明采用射频磁控溅射工艺方法制备的沉积态HfLaO薄膜为理想的非晶态结构，结晶化温度高，薄膜经900℃高温退火后仍为非晶态，具有优良的热稳定性，非晶薄膜表面非常平整，表面粗糙度仅为0.7nm，结构致密，薄膜的E_g为5.77eV～5.9eV，是以HfO₂为基础的理想的多元系高介电栅介质薄膜材料。

附图说明

图1为不同La掺入量的HfLaO薄膜XRD图谱；

图2为900-950℃退火HfLaO(La≈37％)XRD图谱；

图3为HfLaO薄膜AFM形貌和表面粗糙度。

具体实施方式

下面的实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例中采用的主要设备为JGPG450型高真空磁控溅射系统。

实施例1