專利名稱：一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機非金屬材料加工工藝及其應(yīng)用，尤其涉及采用射頻磁控濺射制備高k柵介質(zhì)薄膜的工藝方法。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路集成度的提高，半導體器件的特征尺寸按摩爾定律不斷縮小。高性能CMOS器件的柵介質(zhì)層等效氧化物厚度(EOT)縮小至Inm以下時，傳統(tǒng)SW2柵介質(zhì)受隧穿效應(yīng)的影響，柵漏電流過大，因此需要尋找能夠在保持和增大柵極電容的同時， 使柵介質(zhì)層仍保持足夠物理厚度的新型高k柵介質(zhì)材料來限制隧穿效應(yīng)的影響。HfO2因具有較高的介電常數(shù)、較大的禁帶寬度和良好的熱穩(wěn)定性，很有希望成為替代傳統(tǒng)SiA的新型高k材料。但由于HfO2結(jié)晶溫度較低(約為400°C -600°C )，結(jié)晶態(tài) HfO2柵介質(zhì)薄膜對器件性能具有不利影響。為提高HfO2薄膜的結(jié)晶化溫度，研制與開發(fā)以 HfO2為基的多元系柵介質(zhì)薄膜材料是有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用射頻反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，制備出具有高的結(jié)晶溫度的理想的HfLaO薄膜。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，以單晶硅片為襯底，包括襯底清洗和薄膜沉積的步驟，襯底的清洗為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)操作，在此不做贅述，所述薄膜沉積的步驟是采用射頻磁控濺射技術(shù)，金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，調(diào)節(jié)金屬La靶的濺射入射功率，其范圍為40 100w，室溫下在襯底單晶硅片上同時濺射沉積2小時，得到 HfLaO薄膜；所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子總量(即[La/ (La+Hf)])的比為17 37%。本發(fā)明，濺射時Hf靶和La靶的靶面法線方向分別與單晶硅片的法線方向成45°。本發(fā)明，濺射真空室抽至本底真空度為8. 0 X IO-4Pa,以Ar和仏的混合氣氛作為反
應(yīng)氣氛；本發(fā)明，所述Ar的表觀質(zhì)量流量為30cm7min，O2的表觀質(zhì)量流量為5cm7min。本發(fā)明，濺射時的工作氣壓為lPa。本發(fā)明，所述金屬Hf靶和金屬La靶的純度為99. 99%。本發(fā)明，所述襯底單晶硅片為η型(100)取向的單晶硅片。稀土氧化物La2O3電學性能優(yōu)越，具有較高的介電常數(shù)(k 30)、寬的帶隙 (5. 8eV)、大的導帶偏移量(2. 3eV)且結(jié)晶溫度較高(大約1100°C )，在HfO2中摻入稀土元素La后形成Hf(H)LiixOy薄膜，可提高HfO2的結(jié)晶溫度。本發(fā)明的核心在于采用射頻磁控濺射技術(shù)，在Ar、O2混合氣體中，通過調(diào)節(jié)La、Hf兩種金屬靶材的入射功率，較好地控制薄膜中La/Hf原子比，其中，金屬La的含量控制在 17 37%，從而在半導體襯底材料上沉積具有高的結(jié)晶溫度和熱學穩(wěn)定性、表面平整、結(jié)構(gòu)致密的非晶態(tài)HfLaO柵介質(zhì)薄膜作為高介電柵介質(zhì)薄膜材料。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用射頻磁控濺射工藝方法制備的沉積態(tài)HfLaO薄膜為理想的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶化溫度高，薄膜經(jīng)900°C高溫退火后仍為非晶態(tài)，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，非晶薄膜表面非常平整，表面粗糙度僅為0. 7nm,結(jié)構(gòu)致密，薄膜的&為5. 77eV 5. 9eV，是以HfO2為基礎(chǔ)的理想的多元系高介電柵介質(zhì)薄膜材料。


圖1為不同La摻入量的HfLaO薄膜XRD圖譜；圖 2 為 900-950°C退火 HfLaO(La ^ 37% )XRD 圖譜；圖3為HfLaO薄膜AFM形貌和表面粗糙度。
具體實施例方式下面的實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例中采用的主要設(shè)備為JGPG450型高真空磁控濺射系統(tǒng)。實施例1一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf (鉿)靶和金屬La(鑭)靶，采用射頻磁控濺射技術(shù)，調(diào)節(jié)金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為 40w,室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質(zhì)薄膜，其中[La/La+Hf] 原子含量比為17% ；濺射時，Hf靶和La靶的靶面法線方向分別與單晶Si襯底的法線方向成45°左右；濺射真空室抽至本底真空度8. OX 10_4Pa，Ar和O2表觀質(zhì)量流量分別為30Cm7min、5Cm7 min ；濺射過程中的工作氣壓均為IPa ；沉積時間為2小時；沉積溫度為室溫。實施例2一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf靶和金屬La靶，采用射頻磁控濺射技術(shù)，調(diào)節(jié)金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為60w，室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質(zhì)薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比為25% ；其它工藝過程與工藝參數(shù)同實施例1。實施例3一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf靶和金屬La靶，采用射頻磁控濺射技術(shù)，調(diào)節(jié)金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為80w，室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質(zhì)薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比為33% ；其它工藝過程與工藝參數(shù)同實施例1。實施例4
一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf靶和金屬La靶，采用射頻磁控濺射技術(shù)，調(diào)節(jié)金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為100w，室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質(zhì)薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比為37% ；其它工藝過程與工藝參數(shù)同實施例1。對于柵介質(zhì)材料而言，最理想的結(jié)晶學狀態(tài)為非晶結(jié)構(gòu)。圖1為原位沉積的不同 La摻入量的HfLaO薄膜的X射線衍射譜圖，可見，原位沉積的氧化鑭薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，而原位沉積的HfO2薄膜已經(jīng)結(jié)晶，與標準粉末衍射圖譜(JCPDS No. 74-1506)相比，位于2 θ =24. 28° ,28. 26° ,31. 38° ,34. 36°、50. 18和55. 56°處的衍射峰分別歸屬于單斜相 Hi-HfO2 的(110)、(-111)、(111)、(002)、(220)和(013)晶面。當薄膜中 La 摻入量為 17% 時，雖然HfLaO薄膜也發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，但是發(fā)生相變，生成具有螢石結(jié)構(gòu)立方相c-LaHfOx。 當La摻入量從25%變化到37%時，隨著La摻入量的增加，在譜圖上除Si基片(200)衍射峰外沒有任何特征衍射峰出現(xiàn)，說明薄膜未結(jié)晶，薄膜結(jié)構(gòu)呈非晶態(tài)。薄膜熱學穩(wěn)定性測定是將沉積的薄膜在氮氣氣氛中進行退火處理，退火溫度范圍為700°C 950°C，升溫速率為15°C/min，退火時間為30min，退火后自然冷卻至室溫。如圖 2所示，La摻入量為37%，退火溫度達到900°C時，HfLaO薄膜仍呈現(xiàn)非晶態(tài)。AFM形貌分析顯示，不同La摻入量對HfLaO薄膜表面形貌有很大的影響，如圖3可見，隨著La摻入量的增加，表面島尺寸明顯減小，島密度增大。統(tǒng)計表明，2X2 μ m2范圍內(nèi)薄膜的表面粗糙度逐漸降低，其中沉積態(tài)HfLaO薄膜(La 37%)的表面粗糙度RMS僅為 0. 7nm。可見，當La摻入量為25 37%時，薄膜結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)，表面島尺寸較小，表面平整。光學性能測試分析結(jié)果表明，當入射光λ = 632. 8nm時，沉積態(tài)HfLaO薄膜的折射率(η為1. 77 1. 87)高于沉積態(tài)HfO2薄膜的折射率(n = 1. 76)。薄膜折射率與結(jié)構(gòu)致密性密切相關(guān)，高的折射率對應(yīng)于更加致密的膜層。由于沉積態(tài)HfO2薄膜經(jīng)常呈現(xiàn)疏松的柱狀結(jié)構(gòu)，薄膜折射率較低，而在HfLaO復合薄膜中摻入適量的La會使疏松的柱狀結(jié)構(gòu)得到一定程度的改善，從而提高薄膜折射率，獲得更加致密的柵介質(zhì)薄膜材料。
權(quán)利要求
1.一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，以單晶硅片為襯底，包括襯底清洗和薄膜沉積的步驟，其特征在于，所述薄膜沉積的步驟是采用射頻磁控濺射技術(shù)，金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率為40 100w，室溫下在襯底單晶硅片上同時濺射沉積2小時，得到HfLaO薄膜；所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子總量的比為17 37%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，濺射時Hf靶和La靶的靶面法線方向分別與單晶硅片的法線方向成45°，在固定Hf靶的濺射入射功率的情況下，通過調(diào)節(jié)La靶的濺射入射功率，得到HfLaO薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，濺射真空室抽至本底真空度為 8.0X10-4Pa,以Ar和仏的混合氣氛作為反應(yīng)氣氛；所述Ar的表觀質(zhì)量流量為30cm3/min，O2的表觀質(zhì)量流量為5cm3/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，濺射時的工作氣壓為lPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述金屬Hf靶和金屬La靶的純度為99. 99%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述襯底單晶硅片為η型取向的單晶硅片。
全文摘要
一種制備HfLaO高介電柵介質(zhì)薄膜的方法，以單晶硅片為襯底，包括襯底清洗和薄膜沉積的步驟，所述薄膜沉積的步驟是采用射頻磁控濺射技術(shù)，金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率為40～100w，室溫下在襯底單晶硅片上同時濺射沉積2小時，得到HfLaO薄膜。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)La、Hf兩種金屬靶材的入射功率，較好地控制薄膜中La/Hf原子比，從而在半導體襯底材料上沉積具有高的結(jié)晶溫度和熱學穩(wěn)定性、表面平整、結(jié)構(gòu)致密的非晶態(tài)HfLaO柵介質(zhì)薄膜作為高介電柵介質(zhì)薄膜材料。
文檔編號H01L21/283GK102437040SQ20111036655
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者李智 申請人:大連大學