[发明专利]一种高介电常数栅介质SrHfON薄膜及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体是一种高介电常数栅介质SrHfON薄膜及其制备方法。

二、背景技术

目前，微电子产业的核心是集成电路，其发展水平通常标志着整个微电子技术工业的发展水平。几十年来，集成电路的发展一直遵循着摩尔定律。通过缩小器件尺寸，不断提高集成度。随着集成电路的集成密度越来越大，金属-氧化物-半导体场效应晶体管的特征尺寸越来越小，栅氧化层的厚度在不断减薄。这使得目前栅介质(SiO₂)的厚度迅速逼近量子隧穿区域，在这个区域泄漏电流随着厚度的减小，呈现指数级的增长。由此带来栅对沟道控制的减弱和栅介质漏电流的陡增，从而严重影响器件的集成度、可靠性和寿命，成为微电子技术进一步发展的限制性因素之一。

为了解决这一问题，须采用具有高介电常数(高k)的栅介质材料来代替传统的SiO₂栅介质。采用高k材料后，在保证对沟道有相同控制能力的条件下，栅绝缘介质介电常数的增加将使栅介质层的物理厚度增大，于是栅与沟道间的直接隧穿电流将大大减小，从而提高栅介质的可靠性。当今普遍认为，如果栅氧化层厚度降至1.5nm以下，高k材料就必须代替传统的SiO₂栅介质(J.F.David，R.H.Dennard，E.Nowak，et al.“Device scaling limits of Si MOSFETs and their application dependencies”.Proceedings ofIEEE，2001，89(3)：259～288.)。因此，寻找性能良好的高k栅介质材料迫在眉睫。

在选择合适的材料来代替SiO₂的探索中，已经有很多材料被尝试过。其中，HfO₂材料的介电常数(25)和禁带宽度(5.68eV)相对较高，基本符合栅介质材料的要求，而引起研究者们的极大关注。近年的研究表明，虽然HfO₂材料有许多SiO₂无法比拟的优点，但HfO₂的晶化温度却相对较低(300～500℃)，当薄膜从原来的非晶态转为多晶后，有使漏电流增加的缺点。另外，氧在HfO₂中扩散很快，在淀积和后续退火工艺中在HfO₂和Si衬底之间易形成较厚的界面过渡层SiO₂，从而影响等效栅氧化层厚度的减小。为了改善HfO₂薄膜的性能，研究人员在HfO₂中掺入其它元素制备各种Hf基栅介质薄膜。如在HfO₂薄膜中分别掺入Al、N、Si等元素，制备出各种Hf基栅介质材料，包括HfAlO、HfON、HfSiO等。实验结果显示，这些材料都展示出了比较高的晶化温度(900～1000℃)，但是这些材料的介电常数却大大降低，不利于用来解决长期的工业需求。最近，德国人(G.Lupina，G.Kozlowski，J.Dabrowski，P.Dudek，G.Lippert，and H.-J.Müssig.“Dielectric and structural properties of thin SrHfO₃ layers onTiN”.Appl.Phys.Lett.2008，93：252907.)和瑞士人(C.Rossel，B.Mereu，C.Marchiori，D.Caimi，M.Sousa，A.Guiler，H.Siegwart，R.Germann，J.-P.Locquet，J.Fompeyrine，and J.Webb.“Field-effect transistors with SrHfO₃ as gate oxide”.Appl.Phys.Lett.2006，89：053506.)在HfO₂薄膜中掺入Sr元素制备出SrHfO₃薄膜，虽然薄膜的介电常数较高(沉积态约为21，晶化后约为35)，但薄膜在600℃退火后晶化，即薄膜的晶化温度并没有明显的改善。综上所述，这些材料各有其优缺点，不能够同时满足具有高介电常数和高晶化温度的性能要求。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的或者当薄膜从原来的非晶态转为多晶后使漏电流增加；或者由于氧在HfO₂中扩散很快，从而使界面氧化层厚度增大；或者薄膜在600℃退火后晶化的不足，本发明提出了一种高介电常数栅介质SrHfON薄膜及其制备方法。