专利名称：高k栅介质材料及其制备方法
技术领域：
本发明属半导体领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)的应用领域，具体涉及一种高k栅介质材料及其制备方法， 该发明利用射频磁控溅射法制备了非晶Er203-A1203(ErA10)高K栅介
质复合氧化物薄膜。本发明提供了一种取代Si02的新型高k栅介质候选
材料，并提供了其制备方法。
背景技术：
随着集成电路中晶体管特征尺寸的减小，目前场效应管栅介质Si02
的厚度已经减少到了纳米量级。此时，受遂穿效应的影响，栅极漏电 流将随氧化层厚度的减小呈指数增长，成为一个不容忽视的问题。解
决这个问题的办法之一就是用高k材料替代Si02，这样使用更厚的介 质薄膜也可以得到一个大的电容值，同时也有效抑制了栅极漏电流的 上升。
对于栅介质应用，薄膜的平整度是一个重要的质量指标。在高场情 况下，介电薄膜/Si衬底下界面处的粗糙起伏会增加界面态密度，从而 对电学特性产生不良影响；上表面的粗糙度会对电极稳定性产生影响， 同时会通过远程库仑作用影响到载流子迁移率。整个薄膜由于粗糙度 的影响，厚度变得很不均匀，由此造成薄膜中电场分布的巨大波动， 这对器件工作的稳定性也是个严重的影响因素。当介质层厚度达到纳 米量级的情况下，粗糙度对各方面的影响就更不能忽视了。
与多晶和单晶材料相比，非晶氧化物高k材料具有易于制备，可 重复性好，没有晶粒边界以及可与传统生产工艺兼容等优点，因此， 非晶结构的材料被认为是最理想的高k栅介质候选材料。
在选择合适的材料，代替Si02的探索中，已经有很多材料被尝试
过。例如，过渡氧化物(Hf02[1], Zr02[2])，稀土氧化物(￥203[3]， La203[4〗， Ef203[5])和复合氧化物(HfA10[6]，HfSiON[7])等。其中，￡&03由于它相对较高的介电常数( 13)，大的导带偏移( 3.5eV)，宽的带隙( 7.6 eV)，以及与硅具有良好的化学稳定性，使它成为很有吸引力的高k栅 介质材料。在Si衬底上生长高k Er203薄膜已被一些研究小组报道[8]，但 是E&03高k栅介质材料要在微电子工艺中成功代替Si02薄膜，E&03薄 膜的热稳定性还有待提高，Chen[9]报道Er203的晶化温度相对较低 (500 600°C)，当薄膜从原来的非晶态转为多晶后，会引起漏电流增加 及沿晶界杂质扩散增大等缺点。 参考文献 Yan Z J， Xu & Wang Y Y， et al. Appl. Phys. Lett" 2004，85(1):85-87. [2] Sayan S， Nguyen N V, Ehrstein J，et ai. Appl. Phys. Lett"
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发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种半导 体工艺中有望取代Si02的高k栅介质材料。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案如下， 一种高k栅介质材
料，其化学组成为(Er203)'-x(Al203)x ， 0<X<1
前述的高k栅介质材料(Er203)k (A1203)X，当x选择0.3的时候， 可以获得最优的效果，当然，基于本发明的技术参数和制备工艺，通 过改变x的值，可以简单地得到本发明的不同实施例， 一般来讲，A1203 的加入会在很大程度上提高Er203的结晶温度，如通过在配比E&03和 Ab(V混合陶瓷靶时，增加或减少x的值，亦能得到类似本发明的效果 随着x的不断增加，复合薄膜的结晶温度会不断增加，并接近A1203 的结晶温度，但是k值会逐渐降低，反之则获得相反的效果。
本发明的(E&Os)^ (A1203)X为一种新型的氧化铒-氧化铝 (Er203-Al203， ErAlO)复合材料，这种复合材料解决了Er203作为高K 材料稳定性差的缺点，同时保留了它高介电常数等优点，这种材料作 为集成电路制造中Si02的替代材料极有竞争力，经XRD测量显示这种 高K栅介质材料具有良好的热稳定性；AFM图像显示这种高K栅介质材 料薄膜具有良好的平整度；(Er203)h(Al203)JiMOS结构电学测试得到 这种高K栅介质材料薄膜具有高的介电常数和低的漏电流密度。
本发明的另一方面，是提供一种上述高k栅介质材料的制备方法， 包括以下步骤
1、 选择半导体衬底，半导体衬底优选为硅片，如P型Si(100)衬底， 硅片电阻率为2 10^cm，衬底温度为室温，生长前经过表面处理；
2、 以Er203和Al2CV混合陶瓷靶为溅射靶，采用射频磁控溅射的方法 在上述半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，其化学组成
为(Er203)"x(Al2。3)x ， 0<x<lo
上述步骤更具体的是，将Er203和Al203的混合陶瓷靶，在P型Si(100) 衬底上，采用射频磁控溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，采用的混 合陶瓷靶材料纯度99.99 %， Al2O3占30y。摩尔比，射频功率为40 W， 溅射气体为Ar和02，氧分压比I^P(02)/((P(02)+P(Ar))为"/。，工作气压 为l.O Pa，电阻率2 10 Q，cm的P型(100)硅片生长前先用去离子水超声 清洗10 min，再用浓度为l n/。的HF酸腐蚀30 s以去除Si衬底的表面自然 氧化层，最后将其送进生长室，生长时间为30min,所得到的ErAlO薄膜厚度为32nm。
3、溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，经过氧气氛退火处理。 上述步骤中较优的是，在一个大气压下，氧气流量为150L/h的退 火炉中进行退火处理，退火时间为30min，退火温度为600 °C 900 °C， 适当的氧气退火能有效提高ErAlO薄膜的介电常数，并使得漏电流特 性得到一定的改善。
对于高k材料热稳定性方面的考虑不仅仅是器件本身有可能会工 作于高温度的环境，而且MOSFET的制造过程本身就会使用到900 °C 的注入杂质激活的热处理过程。热稳定性的好坏对高k材料是否兼容 于集成电路的制造工艺有着关键性的作用，然而大多数高k非晶氧化 物，在高温退火后会趋向于变成多晶氧化物，因为晶粒边界会导致高
的漏电流，从而导致器件的失效。
而本发明中，采用900 'C下氧气氛退火处理，与单晶Ef203的XRD 谱进行比较，测试了不同氧分压对ErAlO薄膜C-V特性的影响，以及1% 氧分压下的ErAlO薄膜的I-V曲线(见具体实施方式
和附图)，实验结果 表明，用本发明制作的ErAlO薄膜是非晶材料，并具有良好的热稳定性、 良好的平整度和高K值。
当退火温度选择在600 。C的时候，测试表明其具有更好的平整度、 高介电常数和低漏电流。
本发明的有益效果如下本发明提供了一种具有良好的热稳定性、 良好的平整度和高K值栅介质材料，并且提供了这种高K值栅介质材 料ErAlO复合氧化物的制作方法，Al203具有较高的结晶温度，宽的带 隙，以及与Si衬底之间易形成良好的界面等优点，非晶Er203能和A1203 组成良好的ErAlO复合氧化物，取两者之长，解决非晶E&03薄膜热 稳定性不好等关键问题。这种高K值栅介质材料及其制备方法因为其 原料较为简单，制作工艺可应用于规模化生产，与现有的大规模半导 体生产工艺匹配，很有希望取代现在的Si02形成广泛应用，从而对半 导体、集成电路产业起到促进作用。用本发明制作的ErAlO薄膜是非 晶材料，并具有良好的热稳定性、良好的平整度、高K值和低漏电流。以下通过参照附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1是实施例1中不同氧分压下的薄膜的XRD;
图2是实施例l中ErAlO薄膜900r退火处理以及未退火ErAlO的 XRD谱，以及Er203单晶的XRD谱；
图3是实施例1中1 y。氧分压的样品的AFM图(rms-0.163 nm);
图4是实施例l中不同氧分压对ErA10薄膜C-V特性的影响。测试频 率为lMHz;
图5是实施例l中P/。氧分压下的ErAlO薄膜的I-V曲线； 图6是600 'C退火ErAlO薄膜的AFM图谱。
具体实施例方式
本发明高k栅介质材料的制备方法，包括以下步骤
选择P型Si(100)衬底，硅片电阻率为2 10Q'cm,衬底温度为室 温，将￡1"203和八1203的混合陶瓷靶，在P型Si(100)衬底上，采用射频 磁控溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，混合陶瓷靶材料纯度99.99 %， A1203占30 %摩尔比，射频功率为40 W，溅射气体为Ar和02， 氧分压比P-P(02)/((P(02)+P(Ar))为0 %、 1 %和3 %，工作气压为1.0 Pa， 电阻率2 10 Q*cm的P型(100)硅片生长前先用去离子水超声清洗10 min，再用浓度为1 %的HF酸腐蚀30s以去除Si衬底的表面自然氧化 层，最后将其送进生长室，生长时间为30min，所得到的ErAlO薄膜 厚度为32 nm。溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，在一个大气 压下，氧气流量为150 L/h的退火炉中进行退火处理，退火时间为30 min，退火温度为600 卯0 °C 。
上述方法中，采用JGP500D型超高真空多功能磁控溅射设备制备 ErAlO薄膜，用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征薄 膜的结构和形貌。薄膜的厚度用椭圆偏振仪测定，利用MOS结构的 C-V (HP 4284 LCR meter)、 I-V (Keithley 2400 sourcemeter)测试来获
7得薄膜的电学特性。
上述方法下，不同氧分压(0%、 1 %和3 M)下沉积的ErA10薄膜的 XRD谱如图1所示，从图中上可以看出不同氧偏压下制备的样品都没有 任何特征衍射峰出现，XRD测试结果表明，当衬底温度为室温时，利 用射频溅射法在Si(100)衬底上沉积的ErAlO薄膜处于非晶状态。
图2为90(TC下退火样品及单晶Er2O3的XRD谱，从图中可以看 出，薄膜在900 ""C退火过程中没有发生明显的晶化现象。而文献中对 外延生长E&03栅介质薄膜的热稳定性研究结果表明，不管是在氮气氛 下还是在氧气氛下，900 'C退火之后，Er203薄膜XRD分析显示出现了 Er2O3(400)衍射峰以及其他硅酸盐衍射峰，样品在高温下退火都是不稳
定的，显然，Al203的加入，极大的改善了 El"203薄膜的热稳定性和化
学稳定性。
图3是1 M氧分压下制备的ErA10薄膜的AFM图，从图中可见薄膜拥 有非常平整的表面。统计显示，薄膜的表面均方根粗糙度(rms)仅为 0.163 nm，这一平整度远远低于单晶￡&03薄膜(rms约0.7nm)和非晶 Er203 (0118约0.3 0.511111)的粗糙度。如此平整的表面有利于在薄膜和 金属之间获得陡峭的界面，从而得到更小的漏电流密度。
薄膜的电学特性使用MOS结构进行测量，首先在ErAlO薄膜上沉积 面积约为2.4xl0"4 cr^的Al电极，然后打磨掉背面自然氧化的Si02层后 蒸上约150 nm厚的Al电极形成MOS电容。
图4显示了氧分压对ErMO薄膜的高频(1 MHz)C-V曲线的影响，从 图中可以看出，随着氧分压从0%增加到1%， C-V曲线积累区电容从 5.8xlO'WF增加到6.3xlO'i。F，对应当氧分压为l %时能得到最大的积累 区电容，电容值为6.3^0'1(^下，可以计算出整个薄膜的有效介电常数 为9.5。
图5为MOS电容(1 0/。氧分压)的I-V特性曲线，曲线表现出典型的肖 特基二极管的特性，在偏压为-lV时，漏电流大小为3.5xl(^A，此时漏 电流密度为1.46xlO'SA/cm2。如此小的漏电流密度，已经完全可以满足 快速增长的低功耗器件市场的需要。图6示出了600 'C下退火ErAlO薄膜的AFM图谱，AFM测试结果统计 得到薄膜的表面均方根粗糙度(rms)仅为0.133 nm，并且600 。C氧气 氛退火使ErAlO薄膜的介电常数得到了提高并使漏电流特性也得到了 改善，退火后样品的有效介电常数达到了15，在-L5V偏压下，漏电流 密度仅为2.0><10'7 A/cm2。氧气退火消除了薄膜中原有的缺陷，并使得 薄膜更加致密，表面更加平整。表明其具有更好的平整度、高介电常 数和低漏电流。
权利要求
1、一种高k栅介质材料，其化学组成为(Er2O3)1-x(Al2O3)x，0＜x＜1。
2、 根据权利要求l所述的一种高k栅介质材料，其特征在于 所述高k栅介质材料是以E&03和Al203混合陶瓷靶为溅射靶，采用 射频磁控溅射的方法在半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶复合氧化 物薄膜。
3、 根据权利要求2所述的一种高k栅介质材料，其特征在于 所制备的ErAlO非晶复合氧化物薄膜为(￡1"203)0.7(八1203)0.3。
4、 一种高k栅介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤a、选择半导体衬底；b、以Er203和Ab03混合陶瓷靶为溅射靶， 采用射频磁控溅射的方法在上述半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶 复合氧化物薄膜；c、溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，经过 氧气氛退火处理，退火温度为600。C 90(TC。
5、 根据权利要求4所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其 特征在于半导体衬底为P型Si(100)衬底，硅片电阻率为2 10 Q，cm。
6、 根据权利要求5所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其 特征在于b步骤中，电阻率2 10 Q《m的P型(100)硅片生长前先 用去离子水超声清洗10 min，再用浓度为1 %的HF酸腐蚀30 s以去 除Si衬底的表面自然氧化层，然后送进生长室，生长时间为30min， 衬底温度为室温，所得到的ErA10薄膜厚度为32nm。
7、 根据权利要求6所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其 特征在于薄膜生长的方法为溅射法，采用Er203和A1203的混合陶 瓷靶，在P型Si(100)衬底上，用射频磁控溅射形成ErAlO非晶复合 氧化物薄膜，混合陶瓷靶材料纯度99.99 %， ^203占30%摩尔比， 射频功率为40 W，溅射气体为Ar和02，氧分压比 P-P(02)/((P(02)+P(Ar))为1 %，工作气压为1.0 Pa。
8、 根据权利要求4所述的一种高k栅介质材料的制备方法，其 特征在于c步骤中，在一个大气压下，氧气流量为150 L/h的退火 炉中进行退火处理，退火时间为30min。
全文摘要
本发明公开了一种高k栅介质材料及其制备方法，属于半导体技术领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的应用领域，这种高k栅介质材料为氧化铒-氧化铝(Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>，ErAlO)复合材料，采用射频磁控溅射制备方法，溅射靶为Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>混合陶瓷靶，在P型Si(100)衬底上制备得到ErAlO非晶栅介质复合氧化物薄膜，经检测，本发明的ErAlO薄膜具有良好的热稳定性、良好的平整度和低的漏电流密度，可取代SiO<sub>2</sub>成为一种新型高k栅介质材料。
文档编号H01L29/51GK101635308SQ20091010201
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月27日 优先权日2009年8月27日
发明者方泽波, 伟 陈 申请人:绍兴文理学院