国产精品1024永久观看,大尺度欧美暖暖视频在线观看,亚洲宅男精品一区在线观看,欧美日韩一区二区三区视频,2021中文字幕在线观看

  • <option id="fbvk0"></option>
    1. <rt id="fbvk0"><tr id="fbvk0"></tr></rt>
      <center id="fbvk0"><optgroup id="fbvk0"></optgroup></center>
      <center id="fbvk0"></center>

      <li id="fbvk0"><abbr id="fbvk0"><dl id="fbvk0"></dl></abbr></li>

      應(yīng)用于mos場效應(yīng)管的柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯薄膜及其制法的制作方法

      文檔序號:7005802閱讀:293來源:國知局
      專利名稱:應(yīng)用于mos場效應(yīng)管的柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯薄膜及其制法的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及微電子材料領(lǐng)域,具體地說是涉及一種可應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料及其制備方法。
      背景技術(shù)
      在硅基半導體集成電路中,金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管(MOSFET)是構(gòu)成記憶單元、微處理器及邏輯電路的基本單元,它的體積的大小直接關(guān)系到超大規(guī)模集成電路的集成度。按著名的摩爾定律,每隔18個月集成電路的集成度要增加一倍。由此可以預期在2005年,0.1μm的光刻技術(shù)將趨于成熟,而相應(yīng)的MOSFET中作為柵電介質(zhì)膜的SiO2層的厚度將減至2nm以下。到2012年光刻技術(shù)的水平將達到0.05μm,相應(yīng)等效的SiO2柵電介質(zhì)膜的厚度將減至1nm以下。但是,量子力學計算表明當SiO2柵電介質(zhì)膜的厚度減至2nm時,隧道效應(yīng)造成的柵結(jié)和硅片之間的漏電流即已到達不能容許的程度。為了解決這一問題,必須使用具有較高介電系數(shù)和低漏電流的材料取代現(xiàn)有的SiO2,這已成為制約未來十年中MOSFET集成度提高的瓶頸,并已引起各國半導體學界的極大關(guān)注。人們習慣用等效于多厚的SiO2層的等效氧化物厚度(EOT)來描述高介電系數(shù)柵電介質(zhì)層(high-kgate dielectric)的厚度,其表達式為EOT=tSiO2+thigh-k oxide×εSiO2/εhigh-koxide其中tSiO2為界面反應(yīng)造成的SiO2層的厚度,thigh-koxide為高介電系數(shù)電介質(zhì)層的實際厚度,εSiO2和εhigh-k oxide分別為SiO2和高介電系數(shù)電介質(zhì)層的介電系數(shù),其中εSiO2=3.9。為了減小漏電流應(yīng)使柵電介質(zhì)層的實際厚度較大,這時減低EOT的途徑有二一是選用介電系數(shù)較大的材料作為柵電介質(zhì)膜材料,二是盡量減少乃至消除界面處形成的SiO2層?,F(xiàn)階段尋找高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料的基本原則為1)電學性質(zhì)寬禁帶,陽離子價態(tài)少,低的缺陷和界面態(tài)密度。
      2)介電性質(zhì)高介電系數(shù)(~20)并隨溫度和頻率變化較緩,低漏電流。
      3)熱穩(wěn)定性至少可以承受800℃,2分鐘的快速退火熱處理。
      4)化學性質(zhì)與Si襯底兼容,界面處不形成或只形成一兩個原子層的SiO2,與柵極材料相兼容,不發(fā)生界面反應(yīng)。其制備工藝要與現(xiàn)存的補償性金屬氧化物半導體(CMOS)工藝兼容。
      5)為了減少柵電介質(zhì)膜的缺陷從而減小漏電流,人們一般認為薄膜最好為外延單晶膜或非晶態(tài)膜。前者制備更為困難,因而非晶態(tài)膜成為最受關(guān)注的對象。許多氧化物如Ta2O5,TiO2,ZrO2,Al2O3等作為侯選材料正被廣泛地研究。但它們均不能完全滿足替代SiO2的全部要求。ZrO2有較高的介電常數(shù),但晶化溫度較低約為500℃,多晶薄膜會引起高的晶界漏電流;同時ZrO2有大的氧擴散率,在薄膜的制備過程中,氧會和硅反應(yīng)能引起低介電常數(shù)界面層的形成而降低整個器件的電容。與其相反,Al2O3有很高的晶化溫度和非常低的氧擴散率,但介電常數(shù)較小為8.9。我們利用這兩種氧化物各自優(yōu)點,制備具有很高化學穩(wěn)定性和中等介電常數(shù)的鋁酸鋯(ZrAlO3以下簡寫為ZAO)薄膜。

      發(fā)明內(nèi)容
      1、發(fā)明目的本發(fā)明目的是要提供一種應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯薄膜及其制備方法。
      2、技術(shù)方案一種應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯薄膜,其特征在于在氧氣氛中,用脈沖激光剝離燒蝕由燒結(jié)制成的ZrAlO3陶瓷靶,產(chǎn)生激光等離子體在硅襯底上沉積而制成ZrAlO3非晶薄膜,該薄膜的介電系數(shù)為16.8,等效氧化物厚度小于2nm,在1伏電壓下,其漏電流小于10mA/cm2。
      一種應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯(ZrAlO3)薄膜的制備方法,其特征是采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù),使用ZrAlO3陶瓷靶材,在氧氣氛中制備鋁酸鋯薄膜,具體步驟如下(1)將鋁酸鋯陶瓷靶材安置在靶臺1上,將硅襯底6放置在襯底臺5上,電阻爐7放置在襯底臺下方,靶臺1、襯底臺5、襯底6、電阻爐7均放置在生長室8內(nèi),在生長室左側(cè)有一個通氧氣的孔9,右側(cè)上部開口放置透鏡3,下部開口接真空泵4(見圖1);(2)用機械泵將生長室8抽真空達10Pa以下,再用分子泵抽真空達1×10-2Pa;(3)從通氧氣孔9向生長室8內(nèi)充入氧氣,使生長室內(nèi)保持10Pa-25Pa的氧氣氛;(4)用電阻爐7加熱襯底臺5,使硅襯底達設(shè)定溫度250℃-450℃;(5)啟動脈沖激光器,使激光束通過透鏡聚焦在鋁酸鋯靶材上,在制膜過程中,靶臺1和襯底臺5以恒定的速度旋轉(zhuǎn),從而使激光束等離子體均勻地沉積在硅襯底上,制成厚度為5nm-10nm的薄膜,并在原位降溫到室溫;(6)將薄膜用快速退火熱處理爐在氮氣氛中800℃-950℃下,快速退火0.5-3分鐘。
      上述步驟(1)中所述的鋁酸鋯陶瓷靶材,是由純ZrO2和Al2O3粉末,按1∶1比例用球磨混合后,在10-15MPa壓力下進行冷壓成圓片,然后在1200℃-1300℃下燒結(jié)5-8小時制成,優(yōu)選的冷壓壓力12MPa,優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1250℃,燒結(jié)時間為6小時,襯底材料是選用電阻率為2-3Ω.cm的n型硅片(100),經(jīng)丙酮或酒精超聲清洗3-5分鐘,連續(xù)清洗兩次,然后用去離子水超聲清洗3-5分鐘,連續(xù)清洗兩次,再用流動的去離子水沖洗數(shù)遍,最后用氫氟酸去除表面的SiO2。
      上述步驟(3)中,充入生長室中的氧氣,在薄膜生長過程中生長室中優(yōu)選的氧氣氛壓強保持在20Pa;上述步驟(4)中所述的電阻爐可在20℃-900℃之間任何一溫度保持恒定,加熱硅襯底優(yōu)選的設(shè)定溫度為300℃;上述步驟(5)中所述的脈沖激光器,是氟化氪(KrF)準分子激光器,其波長為248nm,脈沖寬度為30ns,單脈沖能量50-600mJ,能量密度為2.0J/cm2;上述步驟(6)中薄膜的后處理工藝是采用快速退火熱處理爐在氮氣氛中優(yōu)選的退火溫度為900℃,退火時間為1分鐘。
      以上所制得的鋁酸鋯薄膜的微結(jié)構(gòu)分析可運用如下儀器X射線衍射分析儀,型號為D/MAX-RA;非晶ZAO粉末微分差熱掃描分析儀,型號為NETZSCH STA 449C。
      介電和電學性能測量運用如下儀器HP 4294A阻抗/相位分析儀和HP 4140B皮安/直流電壓源。
      下面結(jié)合對ZAO薄膜的性能測試結(jié)果,來進一步說明本發(fā)明的有益效果將ZAO薄膜在襯底溫度為300℃生長后,經(jīng)高溫800℃~950℃快速熱退火3分鐘后的XRD衍射圖圖2中顯示,ZAO薄膜在經(jīng)900℃高溫快速熱退火后,仍保持非晶態(tài)。而在950℃退火后,圖2中出現(xiàn)ZrO2四方相(101)面的衍射峰和較弱的ZrO2單斜相(020)面的衍射峰,但沒有出現(xiàn)Al2O3的結(jié)晶峰。這表明ZAO薄膜在900℃高溫下,仍能保持非晶態(tài)。
      從圖3顯示,在室溫下,于20Pa氧氣氛中把ZAO非晶膜沉積在Si片上,然后用刀片輕輕刮下。樣品的溫度掃描速率定為20℃/min。在溫度為944℃時,有一尖銳的放熱峰,它表明在該溫度下,ZAO發(fā)生了從非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。
      從圖4顯示,我們通過測量Pt/ZAO/Pt的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結(jié)構(gòu),得到在1兆赫茲時,ZAO的介電常數(shù)是16.8。其值大于SiO2的介電常數(shù)3.9和Al2O3的介電常數(shù)8.9,為中等值。它滿足下一代高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料的要求。
      從圖5顯示,生長在n-Si襯底上7nm厚的ZAO薄膜的電容電壓曲線以及相應(yīng)的漏電流電壓J-V曲線樣品經(jīng)過800℃1分鐘的快速熱退火后處理。由此曲線所計算得到的等效氧化物厚度EOT為1.9nm,該值略大于1.6nm,即假設(shè)在薄膜和Si襯底之間完全沒有低介電常數(shù)的界面層所計算得到的等效氧化物厚度值。這表明在ZAO薄膜和Si襯底之間存在較薄的界面層,相應(yīng)的漏電流為6.8mA/cm2。
      3、有益效果從上述對ZAO薄膜的性能測試結(jié)果,可明顯地看出本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有下列優(yōu)點(1)制備的鋁酸鋯(ZAO)薄膜為非晶態(tài)且具有高的熱力學穩(wěn)定性,其晶化溫度在900℃以上,可承受補償性金屬氧化物半導體(CMOS)工藝所需的退火處理而不晶化;(2)介電系數(shù)為16.8,其值大于SiO2的介電系數(shù)3.9和Al2O3的介電系數(shù)8.9,滿足了高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料的要求,且在ZAO/n-Si界面形成的SiOx界面層厚度不超過2個原子層;(3)利用該薄膜制備的Pt/ZrAlO3/n-Si的金屬-介電薄膜-半導體(MIS)結(jié)構(gòu),經(jīng)測試顯示ZAO的EOT小于2nm,在1伏電壓下,其漏電流小于10mA/cm2,對應(yīng)于物理厚度7納米ZAO薄膜所測得等效氧化物厚度(EOT)為1.9nm,漏電流為6.8mA/cm2,上述各項性能指標已達到國際上同行得到的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料研究的較高水平,同時可滿足功耗要求不高的半導體中MOSFET的實際應(yīng)用要求。基本滿足當今半導體工業(yè)后續(xù)高溫熱處理的要求。


      圖1用PLD技術(shù)制備ZAO薄膜生長系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖1-ZAO陶瓷靶 2-激光束3-透鏡 4-真空泵 5-襯底臺 6-襯底材料 7-電阻爐 8-生長室 9-通氧氣孔圖2ZAO薄膜的X射線衍射圖在襯底溫度為300℃生長后,經(jīng)高溫800℃~950℃快速熱退火3分鐘后的XRD衍射圖,其中x軸表示2θ(角度),y軸表示強度(任意)。
      圖3ZAO非晶粉末的微分差熱掃描分析,其中x軸表示溫度(單位攝氏度),y軸表示微分示差分析。
      圖4ZAO薄膜的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率變化曲線,其中x軸表示頻率(單位赫茲),y軸(左)表示介電常數(shù)(單位εr)和y軸(右)介電損耗(單位tanδ)。
      圖5ZAO薄膜的電容電壓曲線和相應(yīng)的漏電流電壓曲線,其中x軸表示柵極電壓(單位伏特),y軸表示電容(單位皮法)。
      具體實施例方式
      采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù),使用ZrAlO3陶瓷靶材,在氧氣中制備鋁酸鋯薄膜的方法,其制備步驟為1、將鋁酸鋯陶瓷靶材固定在靶臺上把硅襯底材料固定在襯底臺上,電阻爐安置在襯底臺下方、靶臺、襯底臺、電阻爐均放置在生長室中,生長室左側(cè)開有一個氧氣的孔,右側(cè)上部開口處放置石英玻璃的透鏡,下部開口接真空泵(機械泵和分子泵);2、用機械泵將生長室8抽真空達8Pa,再分子泵抽真空達1×10-2Pa;3、向生長室內(nèi)充入氧氣,使薄膜生長過程中,生長室內(nèi)保持20Pa的氧氣氛;4、用電阻爐加熱襯底臺,使硅襯底溫度設(shè)定在300℃;5、用KrF準分子激光器,波長為248nm,脈沖寬度30ns,單脈沖能量50-600mJ,能量密度為2.0J/cm2,啟動激光器,使激光束通過石英玻璃透鏡聚焦在鋁酸鋯靶材上,在制膜過程中,靶臺和襯底以恒定速度旋轉(zhuǎn),使激光束等離子體均勻地沉積在硅襯底上,制成厚度為7nm的超薄膜,在原位降溫到室溫;6、將鋁酸鋯薄膜用快速退火熱處理爐在氧氣氛中900℃,退火1分鐘。
      上述所述的鋁酸鋯陶瓷靶材是由ZrO2和Al2O3粉末,按1∶1的比例,用球磨充分混合后,用12MPa壓力進行冷壓成圓片,然后在1250℃下燒結(jié)6小時制成;所述的襯底材料是選用3Ω.cm的n型硅片(100),用丙酮在超聲器中清洗4分鐘,連續(xù)清洗兩次,然后用去離子水在超聲器中清洗5分鐘,清洗兩次,再用流動去離子水沖洗2次,最后用氫氟酸去除表面的SiO2。
      權(quán)利要求
      1.一種應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯薄膜,其特征在于在氧氣氛中,用脈沖激光剝離鋁酸鋯(ZrAlO3)陶瓷靶,在硅襯底上沉積而制成鋁酸鋯(ZrAlO3)非晶薄膜,該薄膜的介電系數(shù)為16.8,等效氧化物厚度小于2nm,在1伏電壓下,其漏電流小于10mA/cm2。
      2.一種應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯(ZrAlO3)薄膜的制備方法,其特征是采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù),使用ZrAlO3陶瓷靶材,在氧氣氛中制備鋁酸鋯薄膜,具體步驟如下(1)將鋁酸鋯陶瓷靶材安置在靶臺1上,將硅襯底6放置在襯底臺5上,電阻爐7放置在襯底臺下方,靶臺1、襯底臺5、襯底6、電阻爐7均放置在生長室8內(nèi),在生長室左側(cè)的一個通氧氣的孔9,右側(cè)上部開口放置透鏡3,下部開口接真空泵4;(2)用機械泵將生長室8抽真空達10Pa以下,再用分子泵抽真空達1×10-2Pa;(3)從通氧氣孔9向生長室8內(nèi)充入氧氣,使生長室內(nèi)保持10-25Pa的氧氣氛;(4)用電阻爐7加熱襯底臺5,使硅襯底達設(shè)定溫度250℃-450℃;(5)啟動脈沖激光器,使激光束通過透鏡聚焦在鋁酸鋯靶材上,在制膜過程中,靶臺1和襯底臺5以恒定的速度旋轉(zhuǎn),從而使激光束等離子體均勻地沉積在硅襯底上,制成厚度為5nm-10nm的薄膜,并在原位降溫到室溫;(6)將薄膜用快速退火熱處理爐在氮氣氛中800℃-950℃下,快速退火0.5-3分鐘。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于步驟(1)所述的鋁酸鋯陶瓷靶材,是用純ZrO2和Al2O3粉按1∶1的摩爾比經(jīng)球磨混和后,在10-15MPa壓力下進行冷壓成圓片,然后在1200-1300℃下燒結(jié)5-8小時制成。
      4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于鋁酸鋯陶瓷靶材的優(yōu)選冷壓壓力為12MPa,燒結(jié)溫度為1250℃,燒結(jié)時間為6小時。
      5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于步驟(1)中所述的襯底材料是選用電阻2-3Ω.cm的n-Si(100),經(jīng)丙酮或灑精超聲清洗3-5分鐘,連續(xù)清洗兩次,然后用去離子水超聲清洗3-5分鐘,連續(xù)清洗兩次,再用流動的去離子水沖洗,最后用氫氟酸去除表面的SiO2。
      6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于步驟(3)中向生長室8內(nèi)充入的氧氣,優(yōu)選為20Pa氧氣氛。
      7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于步驟(4)中所述的電阻爐可在20℃-900℃之間任何一溫度保持恒定加熱硅襯底,優(yōu)選的加熱為300℃。
      8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于步驟(5)中所述的脈沖激光器是氟化氪(KrF)準分子激光器產(chǎn)生,波長248nm,脈沖寬度30ns,單脈沖能量50-600mJ,能量密度2.0J/cm2。
      9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁酸鋯薄膜的制備方法,其特征在于步驟(6)中薄膜的后處理工藝采用的快速退火處理爐在氮氣氛中優(yōu)選的退火溫度為900℃,退火時間為1分鐘。
      全文摘要
      本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料鋁酸鋯及其薄膜的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是利用脈沖激光沉積技術(shù),在1250℃溫度下,把氧化鋯和氧化鋁粉末經(jīng)球磨混和后,再冷壓成型成圓片然后燒結(jié)達6小時得鋁酸鋯陶瓷靶材;在氧氣氛的生長室中進而制得鋁酸鋯薄膜。該發(fā)明提供的鋁酸鋯薄膜具有高的熱力學穩(wěn)定性,并具有較高介電系數(shù)和低漏電流。該材料的性能指標已經(jīng)達到國際上同行得到的高介電系數(shù)柵電介質(zhì)材料研究所達到的較高水平,同時也可滿足功耗要求不高的半導體中場效管的實際應(yīng)用要求。
      文檔編號H01L29/786GK1450660SQ0311346
      公開日2003年10月22日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
      發(fā)明者劉治國, 朱俊 申請人:南京大學
      網(wǎng)友詢問留言 已有0條留言
      • 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊!
      1