专利名称：一种提高HfO<sub>2</sub>薄膜热稳定性并控制其与硅衬底界面生长的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种能够同时提高HfG2薄膜热稳定性和控制Hf02薄膜与 Si衬底间界面的方法，属于微电子工艺与制造领域、电介质材料科学领域和纳 米科学技术领域。
背景技术：
HK)2由于其适合的介电常数、禁带宽度，良好的化学稳定性，被公认为是 45 nm节点及以下工艺中最适合替代传统Si02的栅介质。使用等效厚度的高)t 材料(Hf02)替代SiO2不仅可以消除隧穿漏电流，而且可以使功耗降低10000倍。 然而由于Hf02较低的结晶温度(大概400°0及与硅衬底间的界面阻碍了它的 应用进程，国际上开展了大量的研究，普遍认为N的引入能够有效地提高Hf02 的结晶温度、改善Hf02与硅衬底间的界面。对于N的引入一般采用的方法是氮 气或氨气退火、离子注入、等离子增强、氮原子枪，然而这些方法会有一些负 面的效应限制其应用，比如采用氮气或氨气退火会在一定程度上破坏薄膜的 表面质量;而离子注入、等离子增强、氮原子枪等不仅成本太高，而且会引入氮
的量过高导致H幻2禁带宽度变小等等。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够同时提髙Hf02的结晶温度、控制Hf02与硅 衬底间的界面及其电学特性的方法。
本发明是这样实现的。它是在用脉冲激光沉积设备沉积Hf02薄膜的过程中 通入电离氮，通过掺入微量的氮提高Hf02的热稳定性并在薄膜生长的过程中控 制Hf02与硅衬底间的界面生长。
本发明的制备方法是
1、选用纯度为99.99%的1 02靶为沉积靶材，将HfD2靶放置在脉冲激光沉 积设备沉积室内的旋转靶托上，调节靶基距为4-5 cm，将清洗干净的硅片(P 型、电阻率为8-13Q .cm)放在沉积室内的基片托上。2、 将沉积室本底真空抽至2.0—2.5xlO"Pa，通入高纯氮气使沉积室真空在 10-20 Pa，然后启动高压电离装置，电离电压在1.5-2 kV。
3、 气体电离(有辉光)后，调节分子泵阀门控制沉积室气压在5-10Pa。
4、 调节靶台、基片托自转速率至5-8转/分钟，沉积过程中控制激光器频率 为4-5Hz，激光每个脉冲能量密度为3-4J/cm2,沉积时间为10-30分钟。
本发明与现有技术和工艺相比，具有明显的优点，我们采用电离氮的方式 引入氮，与氮气、氨气退火相比能够避免薄膜的一致性被破坏；和离子注入、 等离子增强、氮原子枪等方式相比不仅成本低、便于实现，而且还可以有效地 控制掺入的氮含量。同时原位电离氮制备的Hf02薄膜的电学性能也能得到较大 改善。
附图及说明
图1为用本发明制备的H幻2薄膜的X射线衍射测试结果
图2为用本发明制备的HfD2薄膜的横截面高分辨透射电镜照片
图3为实施例2的C-V测试结果
图4为沉积过程中无氮、有氮不电离和有电离氮(实施例2)的J-V测试结果
具体实施例方式
结合本发明的内容，提供以下实施例 实施例1:
1、 选用纯度为99.99%的Hf02靶为沉积靶材，将Hf02靶放置在脉冲激光沉 积设备沉积室内的旋转靶托上，调节靶基距为4cm，将清洗干净的硅片(P型、 电阻率为8-13Q .cm)放在沉积室内的基片托上。
2、 将沉积室本底真空抽至2.0""2.5xlO^Pa，通入高纯氮气保证沉积室氮气 偏压在15Pa，然后启动电离装置，电离电压在1.5kV。调解沉积室气压至6Pa。
3、 调节靶台、基片托自转速率至8转/分钟，沉积过程中控制激光器频率为 5 Hz，激光每个脉冲能量密度为4 J/cm2，沉积30分钟。
测试表明采用原位电离氮制备的HfD2薄膜为非晶态，并且在500°C下退火 半个小时依旧为非晶态，如图l，并且Hf02薄膜与硅衬底间无明显的界面层， 如图2，这表明原位电离氮沉积能够有效地改善Hf02薄膜与硅衬底间界面。和 未采用该工艺的样品相比，原位电离氮提高了 HfQ2的热稳定性并且在薄膜生长的过程中控制Hf02与硅衬底间的界面。 实施例2:
1、 选用纯度为99.99%的HfG2靶为沉积靶材，将Hf02靶放置在脉冲激光沉 积设备沉积室内的旋转靶托上，调节靶基距为4cm，将清洗千净的硅片(P型、 电阻率为8-13Q 'cm)放在沉积室内的基片托上。
2、 将沉积室本底真空抽至2.0—2.5xlO"Pa，通入高纯氮气保证沉积室氮气 偏压在15Pa，然后启动电离装置，电离电压在1.5kV。调解沉积室气压至6Pa。
3、 调节靶台、基片托自转速率至8转/分钟，沉积过程中控制激光器频率为 5 Hzr激光每个脉冲能量密度为4 J/cm2，沉积30分钟。再分别将制备的薄膜在 管式炉中50(TC下氮气和空气气氛退火30分钟。
4、 选用纯度为99.99^/o的Pt靶为溅射靶材，采用磁控溅射设备在步骤1制 得的样品背面溅射100nm厚的Pt底电极。
5、 选用纯度为99.99%的Pt靶为溅射靶材，采用磁控溅射设备在步骤3制得 的样品正面，通过覆盖掩膜板的方法溅射100nm厚的Pt电极图形。
测试表明由原位电离氮制备的HfD2薄膜构成的MOS电容器介电常数高达 27.7，最大电容为1039.3 PF,同薄膜沉积过程中无氮气及通氮气不电离相比，原 位电离氮制备的Hf02薄膜漏电流最小在栅极电压为-lV时漏电流密度为4.0X 10—7 mA/cm2，这表明采用原位电离氮制备的HfD2栅介质薄膜具有很好的介电性 能。
权利要求
1、一种能够同时提高HfO2的结晶温度、控制HfO2与Si衬底间的界面及其电学特性的方法，它以硅片为基片，其特征在于用脉冲激光沉积技术制备HfO2薄膜的过程中引入电离氮，其具体方法为a、选用纯度为99.99％的HfO2靶为沉积靶材，将HfO2靶放置在脉冲激光沉积设备沉积室内的旋转靶托上，调节靶基距为4～5cm，将清洗干净的Si片(P型、电阻率为8-13Ω·cm)放在沉积室内的基片托上；b、将沉积室本底真空抽至2.0-2.5×10-4Pa，通入高纯氮气，气压在10-20Pa，并用1.5-2.0kV高压将氮气电离，同时保证沉积室氮气分压在5-10Pa；c、调节靶台、基片托自转速率至5～8转/分钟，沉积过程中控制激光器频率为4～5Hz，激光每个脉冲能量密度为3～4J/cm2，沉积时间为10～30分钟。
全文摘要
本发明提出了一种能够同时提高HfO<sub>2</sub>的结晶温度、控制HfO<sub>2</sub>与Si衬底间的界面及其电学特性的方法。其特征在于用脉冲激光沉积技术制备HfO<sub>2</sub>薄膜的过程中引入电离氮。本发明采用成本较低的电离装置作为氮源，将电离氮引入到脉冲激光沉积设备制备的HfO<sub>2</sub>栅介质薄膜中，提高了HfO<sub>2</sub>的结晶温度、控制了HfO<sub>2</sub>与Si衬底间的界面，获得了具有非晶态、合适的介电常数、低漏电流和高界面质量的HfO<sub>2</sub>栅介质薄膜。
文档编号C23C14/54GK101550534SQ20091006215
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者芸 叶, 朱建华, 汪宝元, 毅 王, 浩 王 申请人:湖北大学