[发明专利]一种采用原子层淀积AlN/高k栅介质双层结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种采用原子层淀积AlN/高k栅介质双层结构来优化MOS器件的栅介质/沟道的界面特性的方法。

背景技术

随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)特征尺寸的不断缩小, 绝缘栅介质层也按照等比例缩小的原则变得越来越薄，当栅介质层薄到一定程度后,其可靠性问题,尤其是与时间相关的击穿及栅电极中的杂质向衬底的扩散等问题,将严重影响器件的性能、稳定性和可靠性。现在，在MOS集成电路工艺中广泛采用高介电常数（高k）栅介质来增大电容密度和减小栅极泄漏电流。高k材料因其大的介电常数，可实现在与SiO₂具有相同等效栅氧化层厚度(EOT)的情况下，其实际厚度比SiO₂大的多，从而解决了SiO₂因接近物理厚度极限而产生的问题。

在淀积高k栅介质和后续的热工艺中，通常无法避免低介电常数（低k）界面层的生成，从而增大了EOT、界面态密度和栅极泄漏电流。有两种途径可以改善栅介质/沟道界面特性，一种是通过直接氧化衬底材料,在衬底表面生成低缺陷的自然氧化物，如SiO₂/Si、GeO₂/Ge、Ga₂O₃/GaAs等，另一种是在高k栅介质和沟道层之间插入一层热稳定性好和抗扩散能力强的钝化层介质。

AlN是一种宽禁带半导体(Eg=6.2eV)，介电常数为6-18。AlN具有很高的热稳定性和击穿电场强度，对氧原子具有很强的阻挡能力，因此，AlN非常适合作为高k栅介质和沟道间的钝化层介质。现在通常采用溅射法和MOCVD(金属氧化物气相淀积)来淀积AlN。采用溅射法制备的AlN薄膜的表面粗糙程度较高，对衬底表面造成的损伤也较大。MOCVD淀积AlN薄膜则很难在1纳米附近保证薄膜的厚度和质量。因此,这两种方法都无法实现在半导体衬底上获得高质量和精确的膜厚。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种采用原子层淀积AlN/高k栅介质双层结构的方法，其中涉及一种新的AlN钝化层的形成方法，采用该AlN钝化层的形成方法可以制备高质量且厚度可以得到精确控制的AlN钝化层。

本发明提出的采用原子层淀积AlN/高k栅介质双层结构的方法，具体步骤包括：

首先，将清洗后的半导体衬底装入原子层淀积（ALD）反应腔。

接下来，采用原子层淀积的方法淀积AlN钝化层。采用铝的反应源作为铝的前躯体，氮的反应源作为氮的前躯体，惰性气体作为输运反应源的载气，反应温度为100-450℃，ALD反应腔压强为0.1-5torr。AlN钝化层厚度为0.5-2.5纳米。

接下来，继续在ALD反应腔中淀积高k栅介质。

本发明中，作为铝的反应源的铝的前躯体采用三甲基铝(TMA)等，作为氮的反应源的氮的前躯体采用氨气（NH₃）等，作为输运反应源的载气采用氮气等。 

进一步地，所述的半导体衬底为Si、Ge、Ge_xSi_1-x、GaAs、InGaAs、InP、GaN或GaP等半导体材料。所述的高k栅介质为Ta₂O₅、Pr₂O₃、TiO₂、HfO₂、La₂O₃或ZrO₂等高k栅介质材料。

更进一步地，AlN钝化层厚度为0.5-2.5纳米。淀积AlN钝化层的周期数为3-8个，其中淀积一次AlN的反应周期包括：0.1-20秒的TMA等铝的前驱体气体脉冲时间；0.5-90秒的氮气吹洗残留的TMA时间；0.1-25秒的NH₃脉冲时间；0.5-90秒的残余NH₃以及生成物CH₄等的吹洗时间。