[发明专利]一种界面钝化改善高k栅介质性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种界面钝化改善高k栅介质性能的方法，属于半导体技术领域。

背景技术

随着绝缘栅场效应晶体管尺寸持续缩小，传统的SiO₂栅介质厚度的减小会产生很高的隧穿电流，阻碍其应用，需要采用具有较高介电常数的栅介质薄膜替代SiO₂。

近年来，HfO₂作为高k栅介质材料受到了广泛的关注，立方相HfO₂的k值约为25；与硅衬底的导带偏移量为1.5eV；带隙宽度为5.1eV。这些突出优点使其得到了广泛的应用，铪基高k栅介质(HfSiON)已经被成功应用于45nm和32nm技术节点，其等效氧化层厚度(EOT)分别为1nm和0.9nm。然而，其介电常数仍不能满足下一代集成电路的要求，需要制备更适应微纳电子器件发展的高k栅介质材料。因此，对HfO₂栅介质进行改性已经成为当下研究的热点。

由于HfO₂存在结晶温度低、与硅衬底的界面稳定性差等缺点，许多研究者采用稀土氧化物掺杂的方法来提高非晶态HfO₂的晶化温度，稀土Gd₂O₃掺杂HfO₂可有效的提高结晶温度，保持较高的介电常数，减少氧扩散，扩大禁带宽度。然而，Gd₂O₃掺杂的HfO₂(GDH)薄膜与硅衬底之间的界面问题仍未解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种界面钝化改善高k栅介质性能的方法，利用该方法得到的高k栅介质稳定性好、界面性能良好，并能保持介电层高介电性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种界面钝化改善高k栅介质性能的方法，包括在硅衬底上依次沉积非晶体氧化铝薄膜和氧化钆掺杂的氧化铪薄膜。

所述非晶体氧化铝薄膜的厚度为小于1.5nm，所述氧化钆掺杂的氧化铪薄膜的厚度为小于5nm。

所述硅衬底为单晶P型硅基片，其电阻系数为1～10Ω·cm，优选为2～5Ω·cm。

上述界面钝化改善高k栅介质性能的方法，具体包括以下步骤：

(1)将硅衬底和氧化铝陶瓷靶材分别放入磁控溅射设备中，抽真空至4×10^-4；

(2)调整溅射气氛为氩气与氧气的混合气体，氩气与氧气的体积比为20∶5，溅射气压为2.5Pa，调整射频功率到60W，在硅衬底上沉积形成非晶体氧化铝薄膜；

(3)在同样的溅射气氛和气压下，调整氧化铪陶瓷靶材的溅射功率为60W，氧化钆陶瓷靶材的掺杂功率为30W，在非晶体氧化铝薄膜上沉积氧化钆掺杂的氧化铪薄膜；

(4)采用快速退火炉对步骤(3)中得到的薄膜进行退火处理，退火条件为：退火气氛为N₂，退火温度为900℃，退火时间为5s。

高k栅介质薄膜的后期退火处理是提高薄膜品质的一个重要途径，通过退火可以修补氧化物薄膜中由于断键而造成的缺陷，对薄膜的结构、界面等方面都有着重要的影响。

所述氧化铝、氧化铪和氧化钆陶瓷靶材在进行溅射之前，先进行预溅射5min，使陶瓷靶材表面干净新鲜。

所述步骤(1)中采用的硅衬底在使用之前，首先清洗除去其表面的有机污染物、微尘、金属离子及氧化层，用氮气枪吹干表面后迅速放入真空室备用。

所述氧化铝、氧化钆和氧化铪陶瓷靶材通过如下步骤制得：

选择纯度为99.99％的氧化铝、氧化钆或氧化铪粉末，置于120℃的烘箱内3小时后，迅速在8MPa压力下压制5min，将粉末制成直径为60mm、厚度为5mm的薄片；迅速真空封装，然后进行冷等静压去应力工艺，压力为100MPa；将干燥的相应氧化物粉末铺在纯度为99.9％的氧化铝坩埚底部，将压制好的薄片放入其中，再用干燥的相应氧化物粉末覆盖薄片，盖上陶瓷坩埚盖，随后将坩埚放入马弗炉中，以2℃/min的升温速率从室温升至1500℃，烧结6h，再以2℃/min的降温速率降至室温，即得氧化铝、氧化钆或氧化铪陶瓷靶材。

采用上述方法制备氧化铝、氧化钆和氧化铪陶瓷靶材，易于操作，成本较低，并且所得靶材致密，不易开裂。

本发明的有益效果为：