[发明专利]基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，特别涉及一种基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构及制备方法，可用于制造高介电性能的金属氧化物半导体场效应晶体管，和大规模集成电路的生产与制备。

背景技术

随着集成电路的集成度不断减小，金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的尺寸不断减小，相应的栅氧化物厚度也不断减小。目前硅仍是生产集成电路的主要半导体材料。但是,硅集成电路已接近其物理极限,其速度和集成密度很难进一步大幅度提高。Ge作为最早被研究的半导体材料，至今仍然有很大的发展潜力。Ge与硅相比，其具有较大的电子和空穴迁移率，可用于高频大功率器件中，且Ge的禁带宽度较小，适用于低压电路以减小功耗。然而Ge的自然氧化层GeO_x的性能较差且不稳定，使Ge衬底与栅氧化层的界面特性变差，进而恶化栅介质的电学特性。

随着器件尺寸的等比例缩小，氧化物厚度不断减薄，由电子隧穿引起的漏电呈指数增长，由此引起的高功耗和可靠性问题越来越严峻，同时过薄的栅氧化物也不足以挡住栅介质和衬底中杂质的扩散，会造成阈值电压漂移，影响器件性能。为了解决上述问题，Intel公司在2007年改进65nm工艺，采用高k栅介质材料HfO₂作为栅介质材料，高K金属栅结构被应用于其MOSFET工艺。高介电常数材料在保持电容密度不变的同时可以有较大的物理厚度，解决了传统栅介质材料SiO₂因为接近物理厚度极限而产生的漏电及可靠性等问题。尽管铪氧化物HfO₂已经被应用于集成电路中，然而，无掺杂的HfO₂在经过400-450℃高温退火处理后，材料会出现结晶，导致较大的栅泄漏电流，并使得氧空位或者掺杂物通过晶粒边界，向介质内部扩散。相比较与无掺杂的HfO₂，在HfO₂介质材料中掺入Al组分可以提高介质材料和硅衬底之间的界面稳定性，同时能很大程度的提高介质材料的结晶温度。并且，掺入Al后的介质材料的带隙宽度也会有一定程度的增大。

另一方面，传统的高K金属栅结构直接在高k栅氧化层之上淀积重金属作为栅电极导电层，重金属离子会向高k栅氧化层扩散，在高k栅氧化层中引入杂质，这会严重影响高K金属栅结构的总体质量，增大栅极漏电流，从而影响器件的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构及制备方法，以提高高k栅氧化层的结晶温度，减小铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与Ge衬底界面处的界面层厚度，减弱重金属离子在高k栅氧化层中的扩散，从而改善高K金属栅结构的电学特性，提高器件的可靠性。

为实现上述目的，本发明的基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构，自下而上包括：Ge衬底、铪基铝酸盐高k栅介质薄膜和重金属Pt栅电极，其特征在于：铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与重金属Pt栅电极之间增设有TiN阻挡层和Ti氧元素吸附层；该TiN阻挡层的厚度为2-4nm，位于铪基铝酸盐高k栅介质薄膜之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向铪基铝酸盐高k栅介质薄膜扩散；该Ti氧元素吸附层的厚度为3-6nm，位于TiN阻挡层之上，用以在热退火工艺过程中吸附铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与Ge衬底界面处的氧元素。

为实现上述目的，本发明制备基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构的方法，包括如下步骤：

1)对Ge衬底进行清洗；

2)采用原子层淀积方法在Ge衬底上淀积厚度为6-10nm的HfAlO₃或HfO₂/Al₂O₃叠层或Al₂O₃/HfO₂叠层结构的Hf基高k栅介质薄膜；

3)将淀积铪基高k栅介质材料的基片在500-600℃真空氛围下进行60-90s快速热退火；

4)热退火后，采用电子束蒸镀法在铪基高k栅介质薄膜上淀积2-4nm厚的TiN薄膜；

5)采用磁控溅射方法在TiN薄膜上淀积3-6nm厚的金属Ti薄膜；

6)采用磁控溅射方法在金属Ti薄膜上淀积100-200nm厚的金属Pt薄膜；

7)使用光刻工艺处理带有金属Pt薄膜的样品，使样品上淀积的金属Pt薄膜形成栅电极；