[发明专利]一种Hf基复合高k栅介质薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Hf基复合高k栅介质薄膜及其制备方法，属于半导体材料领域。 

背景技术

自1960年MOSFET器件研制成功后，因其具有低功耗、可靠性高、尺寸易于缩小等优点成为微处理器与半导体存储器等先进集成电路中不可或缺的核心部分而迅速蓬勃发展。为了增加器件密度、响应速度以及芯片的功能，器件尺寸的按比例缩小是CMOS技术长期以来的发展趋势。然而传统栅氧材料SiO₂已到达其物理极限厚度。为解决此项难题，选用高k（介电常数）栅介质材料来替代SiO₂已成为微电子技术发展的必然趋势。 

然而，并非所有的高k材料都具备成为栅介质材料的条件。通过国内外研究人员数十年的大量研究和努力，对高k材料提出了几点基本要求：（1）具有高的结晶温度；由于非晶态是栅介质层最理想的结构，除了实验上易于制备外，更主要的原因在于非晶态中晶粒各向同性的优点，避免了栅氧层中晶粒间界的存在；（2）高介电常数；高k值可以维持足够的驱动电流，而且可以在保持相同等效厚度（E_OT）的前提下，大大增加栅氧层的实际物理厚度，有效抑制量子隧穿效应；（3）与Si基底保持良好的热力学稳定性，且与Si导带间的偏差大于1eV；（4）具有大的禁带宽度、高的势垒；（5）低的栅氧化层电荷密度和界面缺陷。 

近年来，各国研究人员对Hf基高K栅介质材料（尤其是HfO₂）给予了极大的关注。这些材料之所以如此引人入目在于其可观的介电常数值（k=20～25），宽的能带间隙，与Si的导带偏移量较大，以及优异的热稳定性。尽管HfO₂聚诸多优点于一身，但却存在三大固有难题。其一，HfO₂的结晶温度很低（400℃），退火处理将引起相变，造成电学性质的退化。其二，与Si衬底易反应形成铪硅化物，导致EOT增加。其三，Hf基栅介质MOSFET器件中载流子的迁移率偏低，有些甚至不足SiO₂的一半。 

目前，制备高k栅介质材料的方法有多种：脉冲激光、磁控溅射、分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积、电子束蒸发以及溶胶-凝胶等。这些淀积方法各具特色，各有利弊。其中最被人们接受的原子沉积技术也存在一些弊端，例如：界面恶化，生长周期较长，前驱体剩余杂质污染等问题。 

在今后长期一段时间里，人们对高k栅介质材料的研究热度将有增无减，这是先进CMOS技术迅速发展的必然趋势。如何大幅提高载流子迁移率，有效抑制杂质扩散，获取优异的界面特性，优化电学可靠性，进一步改善和发展制备工艺，仍将是高k复合栅介质材料研究中的焦点问题。 

发明内容

本发明目的是提供一种Hf基复合高k栅介质薄膜及其制备方法。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种Hf基复合高k栅介质薄膜的制备方法，包括如下步骤： 

(a) 采用双离子束溅射沉积系统，将其本底真空调成3×10^-4 ~5×10^-4 Pa，工作气压调成3.0×10^-2~3.2×10^-2 Pa；

(b) 辅源干法清洗：将辅源通入Ar气，在清洗前期，采用离子能量为200~300eV，离子束流15~20mA进行离子轰击清洗衬底，时间为1~2min；然后将离子能量调为80~100eV，离子束流调为8~10mA，继续进行离子轰击，进一步抛光衬底表面；

(c) 辅源对衬底表面进行钝化处理：将辅源通入Ar和N的混合气体，Ar：N₂为2~3：1；采用离子能量100~150eV，离子束流8~10mA，溅射衬底表面1~3min；

(d) 沉积薄膜：主源以离子能量700~800eV，离子束流45~50mA溅射靶材，辅源在薄膜沉积前30s时间里为关闭状态，30s后开启辅源，并以离子能量150~200eV，离子束流12~15mA溅射衬底；即可得到Hf基复合高k栅介质薄膜。

上文中，步骤(b)干法清洗中，前期采用较大的离子能量可以提高刻蚀表面SiO₂的速率，后期降低离子能量，是为了平滑基底表面，为薄膜的生长提供优质的物理支架。 

步骤(c)的钝化处理，实验结果表明N可有效钝化界面处的悬挂键，生成极薄的一层SiN_x层（k~4-5），进一步减小界面态密度，优化界面特性。此处也可选择O等离子处理，人为的引入一层极薄的高密度SiO₂，由此形成堆垛结构。