[发明专利]高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别涉及高介电常数HfO₂（二氧化铪）非晶薄膜。

背景技术

半导体集成电路的发展对集成电路的密度和性能提出了更高的要求，典型的CMOS器件栅介质薄膜的厚度变得越来越薄，并开始逐渐接近原子间距，由于栅介质氧化层的直接隧穿而引起的泄漏电流和静态功率损耗随之显著增加。因此，传统的二氧化硅（SiO₂）栅介质正日益趋于它的极限。使用高介电常数(高K)薄膜材料替代SiO₂是目前最有希望解决此问题的途径。采用这种材料可以在不增加电学厚度的前提下允许增加绝缘层厚度，进而能够降低漏电流。高K金属氧化物主要是指元素周期表中副族和镧系部分金属元素的氧化物，主要包括三氧化二铝（Al₂O₃）、五氧化二钽（Ta₂O₅）、二氧化钛（TiO₂）、二氧化锆（ZrO₂）、二氧化铪（HfO₂）、二氧化铈（CeO₂）、三氧化二钇（Y₂O₃）等，这些材料的介电常数介于10-80之间，远大于SiO₂的3.9，尤其是Hf（铪）元素的氧化物，因其具有较大的禁带宽度、较好的热稳定性以及较大的与硅接触的势垒，是最有希望替代SiO₂的高K栅介质材料，近年来已经得到了广泛的研究。纵观该体系高K栅介质薄膜的研究情况，不论是纯氧化铪薄膜还是氧化物掺杂体系，其制备工艺大多存在高温过程，比如高温烧结靶材或者对薄膜进行高温退火处理。制备工艺中不采用高温处理而得到的氧化铪薄膜基本是非晶态的，制备工艺的差异可能导致薄膜中出现少量单斜相晶态，这种含少量晶态的非晶薄膜不论在介电性能还是在薄膜的致密性、均匀程度以及组织结构的优化上往往比经过退火处理形成的晶态薄膜要差一些。然而HfO₂纯非晶薄膜既有较高的介电常数，又与金属和半导体的表面都有更好的接触，因此寻找一种室温下制备氧化铪非晶薄膜方法，可以有效地抑制界面异相的产生，又能免去繁琐的高温处理过程，并能得到致密性和织构性均良好的氧化铪薄膜，成为一项创新的研究。经过对相关文献的查询发现，现有的氧化铪体系薄膜多是以脉冲激光沉积（西北有色金属研究院.一种锰稳定氧化铪薄膜的制备方法(P).中国发明专利，CN101580927A.2009-11-18；北京有色金属研究总院.一种氧化铪掺杂氧化铈栅电介质材料及其制备方法(P).中国发明专利，CN101265125A.2008-09-17）以及原子层沉积（微米技术有限公司.氧化铪铝介质薄膜(P).中国发明专利，CN1672244A.2005-09-21）等方式制备的，而通过磁控溅射(鹿芹芹，刘正堂，刘文婷，张淼.射频磁控反应溅射制备HfO₂薄膜的工艺及电性能(J).西北工业大学学报.2008(4)：249-253)制备具有较好结构和性能的氧化铪薄膜体系的较少。上述薄膜体系多属于通过掺杂改善性能或经高温退火处理以晶化薄膜结构，而没有通过由特定的磁控反应溅射工艺参数以制备氧化铪非晶薄膜的有关报道。由于反应磁控溅射具有以下鲜明特点：所用的靶材料和反应气体等具备很高的纯度，有利于制备高纯度的化合物薄膜；调节沉积工艺参数可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的；沉积过程中基板温度一般不会有很大的升高，而且成膜过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热，因此对基板材料的限制以及薄膜成分的变化影响较少；反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，易于实现工业化生产。而且磁控溅射法发展较为成熟，所制备膜层的质量较好，与基底结合牢固，具有较好重复性和良好的台阶覆盖，因此可用于这类HfO₂薄膜的制备。而利用金属铪与氧气进行反应溅射能更充分地改善薄膜的组织结构，得到性能更加良好的非晶薄膜。在反应溅射中等离子体中流通电流较大，在反应气体O₂分子的分解、激发和电离等过程中，该电流起着重要作用。因此，磁控反应溅射中能产生一股强大的由载能游离原子团组成的粒子流伴随着溅射出来的Hf靶原子从阴极靶流向基片，在基片上克服与薄膜生长有关的激活能且形成致密而均匀的化合物。

发明内容

本发明的目的是克服目前HfO₂薄膜材料的制备工艺采用掺杂或加温的方式制作，不能完全生成非晶薄膜的缺点，提供一种高K二氧化铪非晶薄膜的制备方法。