[发明专利]一种高k介质薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子与固体电子学技术领域，特别是涉及一种高k介质薄膜的制备方法。

背景技术

随着大规模的集成电路技术的不断发展，作为硅基集成电路核心器件的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸一直遵守着摩尔定律不断地缩小。然而MOS管栅介质厚度越来越小，已接近其极限。二氧化硅的栅介质在10nm厚度以下时(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)，将出现隧道电流增大，针孔缺陷和性能失效可靠性变差等问题。为了解决这些问题，一些集成电路研究制造机构已经开始探索，采用高k栅介质材料代替SiO₂表现出了很好的效果，Intel公司的45nm高k制程技术就是很好的例子，已经引领了人们对高K栅介质材料进行了广泛的研究。

在制备高质量的High-K介质层的方法中，等离子体增强型原子层沉积(PEALD)是很不错的选择。它主要是自限制生长，能精确的控制薄膜的厚度和化学组分，而且生长的薄膜具有很好的均匀性和保行性，且在生长具有高深宽比的结构中具有独特的优势。要取代SiO₂成为MOSFET器件的栅介质，High-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。

PEALD方法有许多优点，如精确的厚度控制，杂质含量低，相对较低的工艺温度，在大衬底上仍有优秀的均匀性。PEALD方法生长薄膜通过表面反应及自限性反应机制控制，薄膜的增长速度主要受控制于沉积周期数，而不是反应气体流量和温度。不仅如此，PEALD方法还有一个优势就是可以进行等离子处理薄膜。

然而，常规的等离子体增强型原子层沉积技术(PEALD)并没有对反应沉积的衬底作任何其他处理，只是通过简单的RCA清洗法清洗了硅片表面，然后即生长薄膜。通常此方法得到的薄膜界面层非常厚，而且界面态密度很大，性质并不是很优异。而且，由于HfO₂、La₂O₃等高k氧化物与Si衬底之间容易形成界面层，并且薄膜中存在大量的氧空位，导致等效栅氧厚度无法减小到目标值、薄膜漏电流增大，电学性能下降。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高k介质薄膜的制备方法，用于解决现有技术中制备高k介质薄膜时产生的界面层过厚、高k介质薄膜中氧空位过多而导致高k介质薄膜厚度难以达标、漏电流增大、电学性能下降等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高k介质薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：

1)提供一Si衬底或SOI衬底，并采用H₂SO₄及H₂O₂混合溶液清洗所述Si衬底或SOI衬底；

2)采用RCA清洗法清洗所述Si衬底或SOI衬底；

3)采用HF溶液清洗所述Si衬底或SOI衬底；

4)采用O等离子体对所述Si衬底或SOI衬底进行等离子体处理；

5)采用N和H等离子体并原位对所述Si衬底或SOI衬底进行等离子体处理，以在所述Si衬底或SOI衬底表面形成氮氧化合物钝化层；

6)采用等离子体增强型原子层沉积法于所述氮氧化合物钝化层上沉积高k栅介质薄膜；

7)采用O等离子体并原位对所述高k栅介质薄膜进行等离子体处理。

在本发明的高k介质薄膜的制备方法的步骤1)中，采用体积比为3～5∶1的H₂SO₄、H₂O₂混合溶液清洗所述Si衬底或SOI衬底，清洗时间为5～15min。

在本发明的高k介质薄膜的制备方法的步骤2)中，先采用体积比为1∶0.5～2∶4～6的NH₃·H₂O、H₂O₂、H₂O混合溶液清洗所述Si衬底或SOI衬底，清洗时间为5～15min，然后采用体积比为0.5％～1.5％的HF水溶液清洗所述Si衬底或SOI衬底，清洗时间为20～40s；最后采用体积比为1∶0.5～2∶5～7的HCl、H₂O₂、H₂O溶液清洗所述Si衬底或SOI衬底，清洗时间为5～15min。