[发明专利]一种禁带宽度连续可调的高介电常数薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子材料领域，具体涉及一种禁带宽度连续可调的高介电常数(高k)薄膜材料及其制备方法。

背景技术

近年来，以硅集成电路为核心的微电子技术得到了迅速的发展，集成电路芯片的发展基本上遵循摩尔定律，即半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长，金属氧化物半导体MOS晶体管的特征尺寸不断地缩小，集成度越来越高，栅介质的的等效氧化物厚度已经降到1nm以下。然而，当传统栅介质SiO₂的厚度减小到原子尺寸时，由于量子隧穿效应的影响，SiO₂将失去介电性能，致使器件无法正常工作。为了解决这些问题，目前许多新的工艺和材料正在得到广泛地研究。在栅介质和衬底材料的研究上主要有：1)采用高介电常数(高k)的材料来替代SiO₂作为栅介质层；2)采用具有更高载流子迁移率的衬底材料，例如III-V族半导体、Ge、SiGe等。要取代SiO₂成为MOS晶体管器件里的栅介质，高k材料必须具有与SiO₂/Si系统相似的性质，并且与当前的半导体制造工艺兼容。因此，作为候选的高k材料，要满足以下几方面的要求：1)具有高的介电常数和高的势垒；2)在Si上有良好的热稳定性；3)薄膜是非晶态的；4)具有良好的界面品质；5)很好的工艺兼容性等。这样在自然界中找到适合作为栅介质的高k介质是很不容易的。Nb₂O₅和Al₂O₃都是比较常见的高介电常数介质材料。Nb₂O₅的特点在于介电常数高，根据文献报道达到35～50，可惜它的禁带宽度只有3.4eV左右。Al₂O₃具有作为高介电常数栅介质的许多天赋，其禁带宽度在8.8eV，在高温下依然保持非晶态，与Si衬底形成界面的界面态密度很低，但是其介电常数只有9，不能进一步满足技术带发展的需求。由此可见，这两种常见材料都无法单独作为栅介质。若把Nb₂O₅和Al₂O₃组合在一起，使其既能有Nb₂O₅介电常数高，又能兼容Al₂O₃热稳定性好、禁带宽度大的特点，那么我们面临的问题就可以得到解决，大大提高半导体芯片的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热稳定性好、禁带宽度大和介电常数高的高k薄膜材料及其制备方法。

为达到本发明的上述目的，本发明提供一种采用原子层淀积的方法来制备的高介电常数(高k)薄膜材料。本发明的优点在于该薄膜利用了Nb₂O₅和Al₂O₃的协同作用，弥补了Al₂O₃介电常数较低的缺陷，同时将Al₂O₃热稳定好的特点融入到薄膜当中，使其具有高介电常数和良好的热稳定性的特点。

本发明提供的一种禁带宽度连续可调的高介电常数(高k)薄膜材料，为Nb₂O₅和Al₂O₃组成的一种二元金属氧化物，其组成通式为(Nb₂O₅)x(Al₂O₃)_1-x，其中x为摩尔分数，0＜x＜1，优选0.1≤x≤0.9，通过控制x的值来调节(Nb₂O₅)x(Al₂O₃)_1-x薄膜中Nb₂O₅和Al₂O₃的含量，可以实现其禁带宽度在3.4～8.8eV范围内连续可调。

本发明还提出了一种禁带宽度连续可调的高介电常数(高k)薄膜材料的制备方法，即采用原子层淀积的方法，该方法包括下列步骤：