专利名称：基于soi衬底的高介电常数材料栅结构及其制备方法
技术领域：
本发明介绍一种基于SOI衬底生长的可进行高温处理的高介电常数材料栅结构 及其制备方法，属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术：
随着微电子技术的迅猛发展，高性能、高集成度、多功能IC的研发对材料的要求 越来越苛刻，绝缘体上的硅(Silicon-on-insulator SOI)材料是新型硅基集成电路材料， 被誉为“21世纪的新型硅基集成电路技术”，与体硅相比，SOI具有无闩锁、高速、低压、低功 耗和抗辐照等优点。另外伴随着器件特征尺寸的不断减小，为保证栅对沟道有很好的控制 能力，SiO2栅介质层的厚度会越来越薄，此时栅与沟道间的直接隧穿电流将变得非常显著， 由此带来了栅对沟道控制的减弱和器件功耗的增加；除此以外，超薄Si02栅介质层还存在 长期可靠性、硼穿透以及均勻性等限制。克服这些限制的有效方法之一是采用高介电常数 的新型绝缘介质材料(high-k材料)。采用high-k材料以后，在保证对沟道有相同控制能 力的条件下，栅绝缘介质介电常数的增加将使栅介质层的物理厚度增大，从而可以很有效 的克服这些限制。然而，high-k栅氧化物与硅形成的界面尚不能和SiO2比拟，一般态密度 要比SiO2( ΙΟ"1/—)高两个数量级。这将直接导致沟道载流子迁移率的降低。此外对生 长的高介电常数材料进行后期退火可显著改善其介电性能，但是某些具有较高介电常数的 金属氧化物在较低的退火温度下就容易晶化，导致多晶薄膜的形成，而多晶晶界作为氧的 通道，是产生漏电流的一个重要因素；同时，由于晶体的各向异性，多晶薄膜中晶粒取向的 重复性将导致薄膜介电和电学性能的重复性变差。中国专利200310108275. 9揭示了一种高介电常数材料栅结构及其制备工艺。在 硅片表面氧化生长一非常薄的氮氧化硅层作为高介电常数材料与硅衬底之间的界面缓冲 区，以便有效隔离高介电常数材料中的杂质元素与硅衬底间的扩散；在高介电常数材料表 面进行氮化处理或者淀积一薄层氮化硅，把高介电常数材料覆盖住，并作为高介电常数材 料与多晶硅的界面层，同时阻挡来自P+多晶的硼穿透。但是，其用的衬底是Si，它不具备利用SOI衬底的上述优点，另外，该专利是在衬 底上直接生长SiON，在高介电常数材料层之上生长的一层SiN。中国专利200310108275. 9 使用的是多晶硅栅电极，多晶硅栅电极与高介电常数材料之间容易产生大量缺陷，还会降 低器件电子迁移率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高介电常数材料栅结构及其制备方法，以便有效的解 决以下问题(1)高介电常数材料与SOI衬底之间的界面态问题.(2)高介电常数材料层中 的杂质元素与SOI顶层硅之间的扩散，以及SiO2层在后期热处理过程中的再生长问题。(3) 高介电常数金属氧化物在较低的退火温度下容易晶化的问题。(4)金属栅电极杂质元素向 高介电常数材料层中的扩散问题。
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为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案基于SOI衬底的高介电常数 材料栅结构，该结构包括位于SOI衬底1上的SiO2层2、位于SiO2层上的AlN层3、位于AlN 层上的含铝的高介电常数复合薄膜4、位于含铝的高介电常数复合薄膜上的Al2O3膜层5以 及位于Al2O3膜层上的金属栅电极6。本发明制备的栅结构为多层材料结构，其中最上层为溅射生长的金属电极，接着 是超薄Al2O3膜层厚度约为3 5埃，中间含铝的高介电常数复合薄膜厚度为3 40埃，再 下一层的AlN层厚度为3 5埃，最底层SiO2厚度2 3埃。本发明还包括一种基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构的制备方法，其依次包 括以下步骤1)采用PEALD系统中的O2等离子体工艺对SOI衬底进行预处理，去除其表面吸附 的杂质气体，并且生成一层SiO2层；2)采用ALD工艺在SiO2层上沉积一层AlN层；3)采用ALD工艺在AlN层上沉积一层含铝的高介电常数复合薄膜，该复合薄膜中 的Al2O3的含量为25% 33% ；4)在生长含铝的高介电常数复合薄膜后生长出Al2O3膜层。优选的，在进行步骤1)之前还包括以下步骤将切割好的SOI衬底放入第一 溶液中超声清洗去除衬底表面的金属污染物，接着用去离子水漂洗，然后将SOI衬底放 入稀释的第二溶液中去除表面氧化物，最后用干燥的氮气将其吹干；所述第一溶液为 NH4OH H2O2 H2O体积比为2 1 7的溶液，所述第二溶液为HF H2O体积比为1 50 的溶液。本发明首先对清洁的SOI衬底表面进行O2等离子体处理，从而在衬底表面形成一 层超薄SiO2,接着在其上生长一层超薄的A1N，这层AlN将有效隔离高介电常数层中的杂质 元素与SOI顶层硅之间的扩散，以及阻止下方SiO2层在后期热处理过程中的再生长。着在 AlN上沉积一层含铝的高介电常数复合薄膜，该复合薄膜可在较高退火温度下仍保持非晶 特性(800 1100°C )。最后在复合薄膜上再沉积一层用来阻挡电极杂质向高介电常数材 料扩散的超薄Al2O3膜层，并溅射生长金属电极。
附图1为此多层材料的高介电常数栅结构示意图。其中，1是SOI衬底，2是SiO2层，3是AlN层，4含铝的是高介电常数复合薄膜层， 5是Al2O3层，6是金属栅电极。
具体实施例方式实施例1请参照图1所示，基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，该结构包括位于SOI衬 底1上的SiO2层2、位于SiO2层上的AlN层3、位于AlN层上的含铝的高介电常数复合薄膜 4、位于含铝的高介电常数复合薄膜上的Al2O3膜层5以及位于Al2O3膜层上的金属栅电极。所述含铝的高介电常数复合薄膜材料可以为(HfO2)x(Al2O3)1^ (La2O3)x(Al2O3) (ZrO3) x (Al2O3) (Ta2O5) x (Al2O3) ^、 (Gd2O3) χ (Al2O3) ^ 等。复合薄膜中的 Al2O3 含量为25% 33%。所述Al2O3膜层5的厚度约为3 5埃，中间含铝的高介电常数复合薄膜厚度为 3 40埃，再下一层的AlN层厚度为3 5埃，最底层SiO2厚度2 3埃。本发明还包括一种基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构的制备方法，其依次包 括以下步骤1.清洗并干躁，将切割好的SOI衬底放入(体积比=NH4OH H2O2 H2O = 2:1: 7)的溶液中超声清洗15分钟去除衬底表面的金属污染物，接着用去离子水漂洗， 然后将衬底放入稀释的HF溶液中(体积比HF H2O = 1 50) 10秒左右去除表面氧化 物。最后用干燥的氮气将其吹干。2.采用PEALD系统中的O2等离子体工艺对SOI衬底进行预处理，去除表面吸附的 杂质气体，并且生成一层约为的2 3埃SiO2层。其中，PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)是才皆等离子增强原子 层沉积，其是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。该技术是 本领域的公知常识，在此不再赘述。3.利用ALD (Atomic Layer D印osition，原子层沉积)工艺在SiO2层上沉积一层 3 5埃的AlN层。具体的做法为首先铝源(TMA)以氩气携带下脉冲进入反应腔，化学吸附在衬底 表面，脉冲时间大约为1.5秒，然后用氩气吹走剩余的铝源，氩气吹洗时间为2. 5秒，接着 NH3在氩气的携带下脉冲进入反应腔并与已经化学吸附的铝源发生反应，过量的NH3以及反 应生成的副产物由氩气吹洗带出反应腔。4.利用ALD工艺在AlN层上沉积一层3 40埃含铝的高介电常数复合薄膜层。 其中，含铝的高介电常数复合薄膜材料可以为(HfO2)x(Al2O3)1Y (La2O3)x(Al2O3)1Y (ZrO3) ,(Al2O3) i-x> (Ta2O5)x(A1203) i-x> (Gd2O3)x (Al2O3) ^x 等.复合薄膜中的 Al2O3 含量为 25 % 33 % ο具体的做法是首先金属源(例如Hf、La、&、Ta、Gd等等，)以氩气携带下脉冲进 入反应腔，化学吸附在衬底表面，脉冲时间大约为1.5秒，然后用氩气吹走剩余的金属源， 氩气吹洗时间为2. 5秒，接着H2O或O3在氩气的携带下脉冲进入反应腔并与已经化学吸 附的金属源发生反应，此乃一个反应循环，如此进行3 4个循环后，进行一个反应循环的 Al2O3生长，具体操作同上，3 4个循环的(Hf、La、Zr、Ta、Gd)氧化物的生长与1个循环的 Al2O3的生长构成一个大的反应周期，调节反应周期的个数，便可以控制生长薄膜的厚度。最 后对生长好的薄膜进行快速退火，以提高薄膜质量。步骤4中0. 67 < χ < 0. 75。5.利用ALD工艺在含铝的高介电常数复合薄膜层上生长一层超薄Al2O3层。具体的做法为首先铝源以氩气(该载气也可以为氮气)携带下脉冲进入反应腔， 化学吸附在衬底表面，脉冲时间大约为1.5秒，然后用氩气吹走剩余的金属源，氩气吹洗时 间为2. 5秒，接着H2O或O3在氩气的携带下脉冲进入反应腔并与已经化学吸附的铝源发生 反应。6.最后，溅射生长金属栅电极。实施例2本实施例中也可以不清洗或干燥(省略步骤1)，直接将切割好的SOI衬底采用PEALD工艺中进行步骤2的处理，然后采用ALD工艺进行步骤3-5的处理。本实施例中的其 他工艺步骤与实施例1相同。本发明采用SOI衬底材料，先以O2等离子体对顶层硅进行处理，生成一层超薄 的SiO2层，因此可以拥有良好的Si02/Si界面层，众所周知，Si02/Si之间的界面态好过中 国专利200310108275. 9使用的SiON/Si的界面态；本发明在这层超薄的SiO2上生长的 氮化铝(AlN)薄膜将有效隔离高介电常数层中的杂质元素与SOI顶层硅之间的扩散，以 及阻止下方SiO2层在后期热处理过程中的再生长。接着采用原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)的方法在AlN上沉积一层含铝的高介电常数复合薄膜，该复合薄膜可在 较高退火温度下仍保持非晶特性。最后在复合薄膜上再沉积一层用来阻挡电极杂质向高介 电常数材料扩散的超薄Al2O3膜层以及溅射生长栅金属电极。上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉 此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发 明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，其特征在于该结构包括位于SOI衬底(1)上的SiO2层(2)、位于SiO2层上的AlN层(3)、位于AlN层上的含铝的高介电常数复合薄膜(4)、位于含铝的高介电常数复合薄膜上的Al2O3膜层(5)以及位于Al2O3膜层上的金属栅电极(6)。
2.如权利要求1所述的基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，其特征在于所述 Al2O3膜层(5)的厚度为3 5埃。
3.如权利要求1所述的基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，其特征在于所述含 铝的高介电常数复合薄膜的厚度为3 40埃。
4.如权利要求1所述的基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，其特征在于所述AlN 层的厚度为3 5埃。
5.如权利要求1所述的基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，其特征在于所述SiO2 的厚度为2 3埃。
6.基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下 步骤1)采用PEALD系统中的O2等离子体工艺对SOI衬底进行预处理，去除其表面吸附的杂 质气体，并且生成一层SiO2层；2)采用ALD工艺在SiO2层上沉积一层AlN层；3)采用ALD工艺在AlN层上沉积一层含铝的高介电常数复合薄膜，该复合薄膜中的 Al2O3的含量为25% 33% ；4)在生长含铝的高介电常数复合薄膜后生长出Al2O3膜层。
7.如权利要求6所述的基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构的制备方法，其特征在 于，在进行步骤1)之前还包括以下步骤将切割好的SOI衬底放入第一溶液中超声清洗去 除衬底表面的金属污染物，接着用去离子水漂洗，然后将SOI衬底放入稀释的第二溶液中 去除表面氧化物，最后用干燥的氮气将其吹干；所述第一溶液为NH4OH H2O2 H2O体积比 为2 1 7的溶液，所述第二溶液为HF H2O体积比为1 50的溶液。5)如权利要求1或6所述的基于SOI衬底的高介电常数材料栅结构，其特征在于 所述含铝的高介电常数复合薄膜的材料为(HfO2)x(Al2O3)1Y (La2O3)x(Al2O3)1^ (ZrO3) ,(Al2O3) i-x> (Ta2O5) X(Al2O3)H 或(Gd2O3) x (Al2O3) ^ 中的一种，其中 0. 67 ≤ X ≤ 0.75，该复 合薄膜中的Al2O3的含量为25 % 33 %。
全文摘要
本发明介绍了一种基于SOI衬底生长的可进行高温处理的高介电常数材料栅结构及其制备方法。该栅结构的制备与现有CMOS工艺中高温处理步骤相兼容。首先通过O2等离子体对SOI表面进行预处理，同时SOI衬底表面将形成一层超薄的SiO2界面层，接着在这层超薄的SiO2上利用原子层沉积(ALD)方式生长一层超薄的氮化铝(AlN)，这层AlN将有效隔离高介电常数层中的杂质元素与SOI顶层硅之间的扩散，以及阻止下方SiO2层在后期热处理过程中的再生长。接着在AlN上沉积一层含铝的高介电常数复合薄膜，该含铝的高介电常数复合薄膜可在较高退火温度下仍保持非晶特性。最后在复合薄膜上再沉积一层用来阻挡电极杂质向高介电常数材料扩散的超薄Al2O3膜层，并溅射生长金属电极。
文档编号H01L21/28GK101950757SQ20101022568
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者何大伟, 俞跃辉, 宋朝瑞, 徐大伟, 王中健, 程新红 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所