[发明专利]一种叠层金属氧化物栅介质层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种叠层高K栅介质金属氧化物薄膜结构以及利用超薄Al₂O₃界面层制备该薄膜结构的方法。

背景技术

随着现代大规模集成电路技术的发展，传统SiO₂栅介质层厚度降低到1.3-1.5nm时，由于量子隧穿效应而引起漏电流成几何倍数增加，从而使SiO₂做为栅介质层在特征尺寸45nm及以下尺寸下无法应用，这就需要具有更高介电常数的材料替代传统SiO₂栅介质层，HfO₂、ZrO₂、TiO₂等二元金属氧化物及其多元金属氧化物具有更高的介电常数，是非常有潜力维持未来集成电路技术发展的新型介电材料。但是在退火过程中，由于从外界或者高K薄膜内部的氧元素向半导体衬底的扩散，而形成SiO₂低介电常数界面层，造成等效氧化物厚度急剧升高，从而降低高K薄膜性能；另外由于高K薄膜的热稳定性较差，结晶温度较低，在高温退火过程中，薄膜结晶，这就形成了大量的晶界，杂质易于在晶界处偏析，使晶界成为氧扩散的通道，使界面稳定性进一步下降，使与Si、Ge等半导体衬底间的氧扩散非常严重，会在界面处生成SiO₂、GeO₂等低介电常数层，从而大幅度增加栅介质层的等效氧化物厚度，这就失去了使用高K材料的意义。由于结晶而形成的晶界也使漏电流进一步增加；在高K材料中，一般介电常数值与材料的带隙成反比，介电常数越高，其与半导体衬底的带偏移越小，这就引起漏电势垒的降低，而引起漏电流大的问题。所以怎样提高高K氧化物薄膜的界面稳定性以及降低漏电流就成为了一个非常重要的问题。

在目前的研究中，主要应用以下几种方法来提高高K栅介质层的界面稳定性及电学性能。1）利用元素的掺杂，如掺入N、Al等提高高K薄膜的热稳定性，提高结晶温度。2）利用具有良好界面稳定性和较高带隙的的氧化物薄膜作为界面层，从而间接提高界面稳定性和降低漏电流。

Al₂O₃具有较高的热稳定性，结晶温度高于950℃，具有较高的带隙，可作为一种良好的界面材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用Al₂O₃界面层制备的叠层金属氧化物栅介质层及其制备方法，该介质层能够提高高K薄膜与半导体衬底的界面热稳定性及降低漏电流。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种叠层金属氧化物栅介质层，包括沉积于半导体衬底上的第一Al₂O₃界面层以及沉积于第一Al₂O₃界面层上的第一高K金属氧化物层，所述第一高K金属氧化物层上沉积有第二Al₂O₃界面层，第二Al₂O₃界面层上沉积有第二高K金属氧化物层。

所述第一Al₂O₃界面层的厚度为1nm，第二Al₂O₃界面层的厚度为0.5nm。

所述沉积的方法为原子层沉积，沉积的方式采用原位连续沉积。

所述半导体衬底为Si、Ge或GaAs等。

所述高K金属氧化物为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、La₂O₃、LuO₂、Y₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂或ZrO₂等。

上述叠层金属氧化物栅介质层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）对半导体衬底表面的氧化物进行清洗，然后将半导体衬底放入原子层沉积系统的反应腔中；

步骤2）在放入反应腔内的半导体衬底上先生长一层厚度为1nm的Al₂O₃界面层；

步骤3）在厚度为1nm的Al₂O₃界面层上继续生长一层高K金属氧化物层；