[发明专利]适用于栅介质层的低漏电流HfO2 薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别涉及高介电常数HfO₂（二氧化铪）薄膜。

背景技术

随着超大规模集成电路集成度的不断增大，作为集成电路主要器件的金属氧化物半导体（MOS）器件尺寸不断缩小，栅极氧化层的厚度也随之不断减小。当传统的SiO₂（二氧化硅）栅极氧化层厚度小到其阈值（2～3nm左右）时，氧化层承受的高电场强度将引起直接隧穿等问题，导致漏电流急剧增加，从而影响器件的稳定性乃至影响其正常工作。为了降低超薄栅介质MOS器件的栅极漏电，可以采用高介电常数（高K）栅介质代替SiO₂。根据高K介质材料等效氧化层厚度的定义，当高K介质材料的K值大于SiO₂的K值时，其厚度小于达到相同单位面积电容值的SiO₂的厚度。因此寻找合适的高K栅介质材料可以保证栅介质层厚度减小的同时漏电流不会增大。由于铪（Hf）系氧化物、氮氧化物及准二元合金等材料体系具有较高的K值，较大的禁带宽度以及良好的热稳定性和化学稳定性，近年来成为高K栅介质的研究热点。其中HfO₂除了具有以上特性外，还具有与Si有较大的导带和价带偏移，与Si的晶格匹配度较高，工艺兼容度良好等性质，成为最热门的高K栅介质材料之一。除了上述性质外，高K栅介质的漏电流机制也是一个重要的特点，它不仅能反应栅介质的材料特性、界面特性以及可靠性等问题，同时也能为栅介质的漏电流密度的降低提供理论指导，因此具有十分重要的意义。因此，研究HfO₂栅介质薄膜材料的制备工艺对于抑制和减小薄膜漏电流的影响是非常有必要的。HfO₂薄膜的漏电流运输机制与依存的电场和温度关系密切，常见的机制包括直接隧穿，Fowler-Nordheim隧穿，肖特基发射，Frenkel-Poole发射等等。降低薄膜漏电的方式主要是围绕降低薄膜结构缺陷密度，降低介质层与半导体界面态密度和抑制薄膜晶化等方面进行的。根据已有的研究发现，向HfO₂中掺入适量非金属元素，构建HfO₂二元合金薄膜，在HfO₂与Si界面处引入特定界面层等等技术，都能有效的降低薄膜漏电流，改善薄膜的电学性质。Kang等对含5%和25%的N在950℃后沉积退火的HfO_xN_y膜层进行了对比研究，发现在栅压为1V时，后者栅漏电流减小了两个数量级。Potter等利用低温电子束蒸发HfO₂-Al₂O₃复合物在未加热P型Si衬底上制备了掺铝的HfO₂薄膜，退火后漏电流可降到3×10^-9A/cm²。Kamiyama等研究HfO₂栅介质层与栅极间ALD淀积0.5nm厚的Hf硅酸盐（Hf占56%）的界面层结构得出，Hf硅酸盐层可阻止高温激活退火中多晶硅电极与HfO₂栅介质层得反应，获得的界面陷阱密度小于5×10¹⁰cm²，大大减小了漏电流。然而以上处理方法在同种工艺的过程中较小的差别会导致薄膜出现较大的性能差异，而且需要较为昂贵的设备和复杂的工艺成都，不利于薄膜的规模化制备。

发明内容

本发明的目的是克服目前HfO₂栅介质薄膜材料的制备工艺不利于薄膜的规模化制备的缺点，提供一种适用于栅介质层的低漏电流HfO₂薄膜的制备方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，适用于栅介质层的低漏电流HfO₂薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对硅基片进行表面清洁处理，并去除硅基片表面的自然氧化层，放入真空室基底；

步骤2、对金属铪靶进行表面打磨清洁处理，放入真空室靶位，靶位与基底相对应并具有一定垂直距离，且将靶材挡板关闭，所述靶材挡板设置在靶位上，且位于靶材与基底之间靠近靶材的位置；

步骤3、利用高真空多功能射频溅射镀膜设备，对真空室进行抽真空；

步骤4、通入适量氩气并打开偏压装置对基片进行反溅清洁，反溅清洁一定时间后关闭偏压设备，打开射频电源并调整射频电源功率；

步骤5、进行预溅射，对靶材进行表面清洁；

步骤6、调整氩气通量，打开靶材挡板，预沉积一层极薄的铪膜，通入氧气正式进行二氧化铪薄膜的溅射，形成二氧化铪薄膜。