專利名稱：一種禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)薄膜材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子材料領域，具體涉及一種禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)(高
k)薄膜材料及其制備方法。
背景技術：
近年來，以硅集成電路為核心的微電子技術得到了迅速的發(fā)展，集成電路芯片 的發(fā)展基本上遵循摩爾定律，即半導體芯片的集成度以每18個月翻一番的速度增長，金 屬氧化物半導體MOS晶體管的特征尺寸不斷地縮小，集成度越來越高，柵介質的的等效 氧化物厚度已經(jīng)降到lnm以下。然而，當傳統(tǒng)柵介質&02的厚度減小到原子尺寸時，由 于量子隧穿效應的影響，&02將失去介電性能，致使器件無法正常工作。為了解決這些 問題，目前許多新的工藝和材料正在得到廣泛地研究。在柵介質和襯底材料的研究上主 要有1)采用高介電常數(shù)(高k)的材料來替代Si02作為柵介質層；2)采用具有更高載流
子遷移率的襯底材料，例如III-V族半導體、Ge、 SiGe等。要取代Si02成為MOS晶體 管器件里的柵介質，高k材料必須具有與Si(VSi系統(tǒng)相似的性質，并且與當前的半導體 制造工藝兼容。因此，作為候選的高k材料，要滿足以下幾方面的要求l)具有高的介 電常數(shù)和高的勢壘；2)在Si上有良好的熱穩(wěn)定性；3)薄膜是非晶態(tài)的；4)具有良好的界 面品質；5)很好的工藝兼容性等。這樣在自然界中找到適合作為柵介質的高k介質是很 不容易的。礎205和八1203都是比較常見的高介電常數(shù)介質材料。礎205的特點在于介電 常數(shù)高，根據(jù)文獻報道達到35 50，可惜它的禁帶寬度只有3.4eV左右。A1203具有作 為高介電常數(shù)柵介質的許多天賦，其禁帶寬度在8.8eV，在高溫下依然保持非晶態(tài)，與Si 襯底形成界面的界面態(tài)密度很低，但是其介電常數(shù)只有9，不能進一步滿足技術帶發(fā)展的 需求。由此可見，這兩種常見材料都無法單獨作為柵介質。若把礎205和^203組合在 一起，使其既能有礎205介電常數(shù)高，又能兼容^203熱穩(wěn)定性好、禁帶寬度大的特點， 那么我們面臨的問題就可以得到解決，大大提高半導體芯片的性能。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種熱穩(wěn)定性好、禁帶寬度大和介電常數(shù)高 的高k薄膜材料及其制備方法。 為達到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供一種采用原子層淀積的方法來制備的高 介電常數(shù)(高k)薄膜材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于該薄膜利用了 Nb205和A1203的協(xié)同作用， 彌補了 "203介電常數(shù)較低的缺陷，同時將"203熱穩(wěn)定好的特點融入到薄膜當中，使其 具有高介電常數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性的特點。 本發(fā)明提供的一種禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)(高k)薄膜材料，為Nb205 和A1203組成的一種二元金屬氧化物，其組成通式為(N^OXA^O^—x，其中x為摩爾分 數(shù)，0 < x < 1，優(yōu)選0.1&《0.9，通過控制x的值來調節(jié)(N^OXALO^-x薄膜中Nb205和A1203的含量，可以實現(xiàn)其禁帶寬度在3.4 8.8eV范圍內連續(xù)可調。 本發(fā)明還提出了一種禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)(高k)薄膜材料的制備方
法，即采用原子層淀積的方法，該方法包括下列步驟 ①.提供一半導體襯底將其置入反應腔內；使用Nb(OC2H5)5作為淀積Nb205的金屬反應源，使用三甲基鋁作為淀積"203的金屬反應源，使用水作為原子層淀積的氧化源； ②.打開金屬反應源閥門，將金屬反應源引入反應腔，金屬反應源吸附到襯底表
面上；對于Nb(OC2H5)5金屬反應源，用105Pa氣壓的惰性氣體(或N2)將Nb(OC2H5)5金
屬反應源引入反應腔，Nb(OC2H5)5吸附到襯底表面上；如果是三甲基鋁(TMA)金屬反應
源，利用其蒸汽壓將TMA金屬反應源引入反應腔，TMA吸附到襯底上； ③.關閉金屬反應源閥門，把多余的反應源利用真空泵抽走； .打開水源閥門，利用蒸汽壓將水源引入反應腔，與吸附在襯底表面的金屬反
應源發(fā)生化學反應，形成單原子層氧化物； ⑤.關閉水源閥門，把多余的水和反應產(chǎn)物利用真空泵抽走，完成一種金屬氧化物單原子層淀積的ALD循環(huán)； ⑥.根據(jù)步驟②③④⑤的方法，交替進行礎205和A1203的ALD循環(huán)，得到(NbAXMOA—x薄膜；其中，通過控制交替Nb205和A1203的ALD循環(huán)次數(shù)來控制(N^OXA^O^-x薄
膜中x的值。所述反應腔內的真空背景為10、10，a，該反應腔內的溫度為100-600°C。


圖1是本發(fā)明三個實施例的(N^O^MO^—x薄膜的禁帶寬度測試結果。其中
縱坐標為吸收系數(shù)與光子能量之積的平方，橫坐標為光子能量。可見，三個實施例的薄
膜樣品禁帶寬度分別為4.35eV， 4.71eV和5.05eV。 圖2是制備(Nb205)。.75(Al203)。.25薄膜的ALD流程圖。 圖3是制備(Nb205)。.83(Al203)。.17薄膜的ALD流程圖。 圖4是制備(Nb205)o.9(Al203)0.！薄膜的ALD流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖與參考實例對本發(fā)明作更加詳細的說明，本發(fā)明所示的實施例僅僅是對(N^05)x(Al20》h中的x取3個特定的值0.75、 0.83禾P 0.9，但這不應該被認為是限制本發(fā)明的范圍，(N^OXA^O^-x中的x為摩爾分數(shù)，在0 < x < 1范圍內都為本發(fā)明的范圍。 實施例l，(礎205)。.75(八1203)。.25薄膜的制備。 圖2是采用原子層淀積方法(ALD)制備(Nb205)。.75(Al203)。.25薄膜的流程圖，具體工藝步驟如下 1、以Si襯底為例。用濃硫酸、雙氧水、稀釋的氫氟酸、氨水、稀鹽酸和去離子水標準RCA流程將Si襯底清洗。
2、將清洗過的Si襯底放入ALD反應腔內，腔內設置為102Pa 104Pa的真空背 景，反應溫度設置為200°C 300°C。 3、選擇Nb(OC2H丄和三甲基鋁(TMA)作為原子層淀積金屬反應源，以水作為 原子層淀積氧化源。 4、引入Nb(OC2H丄源至反應腔，然后關閉Nb(OC2H丄源閥門，抽氣一段時間 至多余反應源被抽走；將水源引入至反應腔，然后關閉水源閥門，抽氣一段時間至多余 水和反應產(chǎn)物被抽走。我們定義這樣一個過程為1個Nb205循環(huán)。 5、引入TMA源至反應腔，然后關閉TMA源閥門，抽氣一段時間至多余反應源 被抽走；將水源引入至反應腔，然后關閉水源閥門，抽氣一段時間至多余水和反應產(chǎn)物 被抽走。我們定義這樣一個過程為1個A1203循環(huán)。 在ALD淀積過程中，我們把通入3個Nb205循環(huán)和1個A1203循環(huán)(即兩者的循 環(huán)數(shù)比為3 : 1，對應于兩者含量比例0.75 : 0.25)作為一個(礎205)。.75(八1203)。.25反應循 環(huán)。 總的生長過程為淀積20個(礎205)。.75(從03)。.25反應循環(huán)，結束生長后自然冷卻， 獲得所需薄膜。 制備獲得的(Nb205)。.75(Al203)。.25薄膜禁帶寬度為5.05eV，參見附圖1。
實施例2，(礎205)。.83(八1203)。.17薄膜的制備。 圖3是采用原子層淀積方法(ALD)制備(Nb205)。.83(Al203)。,7薄膜的流程圖，具體 工藝步驟如下 1、以Si襯底為例。用濃硫酸、雙氧水、稀釋的氫氟酸、氨水、稀鹽酸和去離 子水標準RCA流程將Si襯底清洗。 2、將清洗過的Si襯底放入ALD反應腔內，腔內設置為102Pa 103Pa的真空背 景，反應溫度設置為300。C 40(TC。 3、選擇Nb(OC2H丄和三甲基鋁(TMA)作為原子層淀積金屬反應源，以水作為 原子層淀積氧化源。 4、引入Nb(OC2H丄源至反應腔，然后關閉Nb(OC2H丄源閥門，抽氣一段時間 至多余反應源被抽走；將水源引入至反應腔，然后關閉水源閥門，抽氣一段時間至多余 水和反應產(chǎn)物被抽走。我們定義這樣一個過程為1個Nb205循環(huán)。 5、引入TMA源至反應腔，然后關閉TMA源閥門，抽氣一段時間至多余反應源 被抽走；將水源引入至反應腔，然后關閉水源閥門，抽氣一段時間至多余水和反應產(chǎn)物 被抽走。我們定義這樣一個過程為1個A1203循環(huán)。 在ALD淀積過程中，我們把通入5個Nb205循環(huán)和1個A1203循環(huán)(對應于兩者 的含量比例為0.83 : 0.17)作為一個(Nb205)。.83(Al203)。,7反應循環(huán)。 總的生長過程為淀積20個(Nb205)。.83(Al203)。.17反應循環(huán)，結束生長后自然冷卻， 獲得所需薄膜。 制備獲得的(Nb205)。.83(Al203)。.17薄膜禁帶寬度為4.71eV，參見附圖1。 實施例3， (Nb205)。.9(Al203)。j薄膜的制備。 圖4是采用原子層淀積方法(ALD)制備(Nb205)。.9(Al203)。，薄膜的流程圖，具體 工藝步驟如下
1、以Si襯底為例。用濃硫酸、雙氧水、稀釋的氫氟酸、氨水、稀鹽酸和去離 子水標準RCA流程將Si襯底清洗。 2、將清洗過的Si襯底放入ALD反應腔內，腔內設置為102Pa的真空背景，反應 溫度設置為300°C 350°C。 3、選擇Nb(OC2H丄和三甲基鋁(TMA)作為原子層淀積金屬反應源，以水作為 原子層淀積氧化源。 4、引入Nb(OC2H丄源至反應腔，然后關閉Nb(OC2H丄源閥門，抽氣一段時間 至多余反應源被抽走；將水源引入至反應腔，然后關閉水源閥門，抽氣一段時間至多余 水和反應產(chǎn)物被抽走。我們定義這樣一個過程為1個Nb205循環(huán)。 5、引入TMA源至反應腔，然后關閉TMA源閥門，抽氣一段時間至多余反應源 被抽走；將水源引入至反應腔，然后關閉水源閥門，抽氣一段時間至多余水和反應產(chǎn)物 被抽走。我們定義這樣一個過程為1個A1203循環(huán)。 在ALD淀積過程中，我們把通入9個Nb205循環(huán)和1個A1203循環(huán)(對應于兩者
的含量比例為0.9 : 0.1)作為一個(Nb205)Q.9(Al203)Qj反應循環(huán)。 總的生長過程為淀積20個(Nb205)。.9(Al203)ai反應循環(huán)，結束生長后自然冷卻， 獲得所需薄膜。本發(fā)明利用了 Nb205和A1203的協(xié)同作用，使該(N^OXA^O^—x薄膜具有高介 電常數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性的特點，而且x在0〈x〈l可調，通過控制x的值可以調節(jié) (Nb205)x(Al203)k薄膜中Nb2O^P A1203的含量，可以實現(xiàn)其禁帶寬度在3.4 8.8eV范圍
內連續(xù)可調。這種鈮鋁氧薄膜在晶體管制造領域中有著廣泛的應用前景。
權利要求
一種禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)薄膜材料，其特征是，該薄膜材料是由Nb2O5和Al2O3組成的二元氧化物，其通式為(Nb2O5)x(Al2O3)1-x，其中x為摩爾分數(shù)，且0＜x＜1，該薄膜材料的禁帶寬度在3.4～8.8eV范圍內連續(xù)可調。
2. —種如權利要求1所述的禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)薄膜材料的制備方法，其特征是，采用原子層淀積方法，具體步驟如下① .提供一半導體襯底，將其置入反應腔內；使用礎(0(:2115)5作為淀積礎205的金屬反應源，使用三甲基鋁作為淀積"203的金屬反應源，使用水作為原子層淀積的氧化源；② .打開金屬反應源閥門，將金屬反應源引入反應腔，金屬反應源吸附到襯底表面上；③ .關閉金屬反應源閥門，把多余的反應源利用真空泵抽走；④ .打開水源閥門，利用蒸汽壓將水源引入反應腔，與吸附在襯底表面的金屬反應源發(fā)生化學反應，形成單原子層氧化物；⑤ .關閉水源閥門，把多余的水和反應產(chǎn)物利用真空泵抽走，完成一種金屬氧化物單原子層淀積的ALD循環(huán)； .根據(jù)步驟②③④⑤的方法，交替進行N^05和A^03的ALD循環(huán)，得到(礎205)X(Al203)h薄膜；改變交替Nb205和A1203的ALD循環(huán)的比例來控制(N^OXA^O^—x薄膜中x的值。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征是，所述反應腔內的真空背景為l(y 10卞a，該反應腔內的溫度為100 6Q(TC。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子材料領域，具體公開了一種禁帶寬度連續(xù)可調的高介電常數(shù)(高k)薄膜材料及其制備方法。本發(fā)明所述的禁帶寬度連續(xù)可調的高k薄膜材料組成通式為(Nb2O5)x(Al2O3)1-x，其中x為摩爾分數(shù)，0＜x＜1，通過控制x的值來調節(jié)(Nb2O5)x(Al2O3)1-x薄膜中Nb2O5和Al2O3的含量，可以實現(xiàn)其禁帶寬度在3.4～8.8eV范圍內連續(xù)可調。該高k薄膜材料采用原子層淀積的方法來制備。本發(fā)明的優(yōu)點在于該薄膜利用了Nb2O5和Al2O3的協(xié)同作用，彌補了Al2O3介電常數(shù)較低的缺陷，同時將Al2O3熱穩(wěn)定好的特點融入到薄膜當中，使其具有高介電常數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性的特點。
文檔編號H01L29/43GK101692460SQ20091019720
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權日2009年10月15日
發(fā)明者丁士進, 孫清清, 張衛(wèi), 徐巖, 王鵬飛 申請人:復旦大學