[发明专利]一种制备高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，尤其涉及一种用于纳米尺度互补型金属氧化物半导体器件制造的高介电常数栅介质薄膜铪硅氧氮(HfSiON)的制备方法，以解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题。

背景技术

40多年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功能越来越强。随着器件尺寸的不断减小，栅氧化层厚度随之减薄。

目前，金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)的特征尺寸已进入亚50纳米，栅氧化层厚度将减小到1.2纳米以下。栅氧化层如此之薄，如果仍采用传统氧化硅栅介质，直接隧穿电流将成指数规律急增。

依据2005年国际半导体技术发展路线图(ITRS2005)预测，到2008年，平面体硅器件氮化氧化硅栅介质漏电流将达到9×10²A/cm²，超过器件所能承受的极限，将开始采用高介电常数材料作为新型栅介质。在同样等效氧化层厚度下，高介电常数材料具有更厚的物理厚度，使栅与沟道间直接隧穿电流大大减小，功耗显著降低。

虽然近几年在高k/金属栅研究领域已取得了很多成果，但仍然存在许多问题没有解决，如材料的热稳定性问题、迁移率下降、费米钉扎和可靠性等问题。

所以，2006年ITRS Roadmap对2005年的预测进行了部分调整，将高介电常数材料和金属电极的引入从2008年推迟到2010年，其主要原因是所有迹象表明2008年前将这些创新应用于CMOS集成电路实际生产是不可能的，还存在许多科学基础和技术问题需要解决。

近几年，研究重点主要集中于铪(Hf)基高k栅介质材料。目前，HfSiON高k栅介质薄膜的制备工艺主要有金属有机物化学气相淀积和原子层淀积等工艺，但是这些工艺对设备的要求较高，成本较高，效率较低。

如何利用常规的设备制备高k栅介质薄膜是半导体业界面临的重要问题。溅射淀积技术是半导体工业中常用的薄膜淀积技术，具有成本低、操作简单和产量高等优点，利用溅射淀积技术制备HfSiON高k栅介质薄膜有利于促进其产业化的发展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，以解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备高介电常数栅介质薄膜HfSiON的方法，该方法包括：

清洗硅片；

对清洗后的硅片进行淀积前氧化；

在氧化后的硅片上淀积高介电常数的HfSiON栅介质薄膜；

对淀积了HfSiON栅介质薄膜的硅片进行超声清洗；

对清洗后的硅片进行淀积后退火；

在退火后的硅片上形成金属栅。

上述方案中，所述清洗硅片的步骤包括：先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干。

上述方案中，所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为5:1的H₂SO₄+H₂O₂溶液，所述1#液是体积比为0.7:1:5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液。

上述方案中，所述对清洗后的硅片进行淀积前氧化的步骤包括：在氮气中600至800℃温度下快速热退火30至120秒，生成3至的氧化层。

上述方案中，所述在硅片上淀积高介电常数的HfSiON栅介质薄膜的步骤包括：在溅射前将溅射室抽真空至8×10^-7Torr，充入氩气和氮气，工作压强为5×10^-3Torr，溅射功率为300至500W，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分。

上述方案中，所述超声清洗的步骤包括：采用丙酮超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，甩干。

上述方案中，所述淀积后退火的步骤包括：在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒。