专利名称：一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料加工工艺及其应用，尤其涉及采用射频磁控溅射制备高k栅介质薄膜的工艺方法。
背景技术：
随着超大规模集成电路集成度的提高，半导体器件的特征尺寸按摩尔定律不断缩小。高性能CMOS器件的栅介质层等效氧化物厚度(EOT)缩小至Inm以下时，传统SW2栅介质受隧穿效应的影响，栅漏电流过大，因此需要寻找能够在保持和增大栅极电容的同时， 使栅介质层仍保持足够物理厚度的新型高k栅介质材料来限制隧穿效应的影响。HfO2因具有较高的介电常数、较大的禁带宽度和良好的热稳定性，很有希望成为替代传统SiA的新型高k材料。但由于HfO2结晶温度较低(约为400°C -600°C )，结晶态 HfO2栅介质薄膜对器件性能具有不利影响。为提高HfO2薄膜的结晶化温度，研制与开发以 HfO2为基的多元系栅介质薄膜材料是有效途径之一。
发明内容
本发明的目的是采用射频反应磁控溅射技术，制备出具有高的结晶温度的理想的HfLaO薄膜。本发明采用如下技术方案一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，以单晶硅片为衬底，包括衬底清洗和薄膜沉积的步骤，衬底的清洗为本领域技术人员所熟知的常规操作，在此不做赘述，所述薄膜沉积的步骤是采用射频磁控溅射技术，金属Hf靶的溅射入射功率为120w，调节金属La靶的溅射入射功率，其范围为40 100w，室温下在衬底单晶硅片上同时溅射沉积2小时，得到 HfLaO薄膜；所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子总量(即[La/ (La+Hf)])的比为17 37%。本发明，溅射时Hf靶和La靶的靶面法线方向分别与单晶硅片的法线方向成45°。本发明，溅射真空室抽至本底真空度为8. 0 X IO-4Pa,以Ar和仏的混合气氛作为反
应气氛；本发明，所述Ar的表观质量流量为30cm7min，O2的表观质量流量为5cm7min。本发明，溅射时的工作气压为lPa。本发明，所述金属Hf靶和金属La靶的纯度为99. 99%。本发明，所述衬底单晶硅片为η型(100)取向的单晶硅片。稀土氧化物La2O3电学性能优越，具有较高的介电常数(k 30)、宽的带隙 (5. 8eV)、大的导带偏移量(2. 3eV)且结晶温度较高(大约1100°C )，在HfO2中掺入稀土元素La后形成Hf(H)LiixOy薄膜，可提高HfO2的结晶温度。本发明的核心在于采用射频磁控溅射技术，在Ar、O2混合气体中，通过调节La、Hf两种金属靶材的入射功率，较好地控制薄膜中La/Hf原子比，其中，金属La的含量控制在 17 37%，从而在半导体衬底材料上沉积具有高的结晶温度和热学稳定性、表面平整、结构致密的非晶态HfLaO栅介质薄膜作为高介电栅介质薄膜材料。相比于现有技术，本发明采用射频磁控溅射工艺方法制备的沉积态HfLaO薄膜为理想的非晶态结构，结晶化温度高，薄膜经900°C高温退火后仍为非晶态，具有优良的热稳定性，非晶薄膜表面非常平整，表面粗糙度仅为0. 7nm,结构致密，薄膜的&为5. 77eV 5. 9eV，是以HfO2为基础的理想的多元系高介电栅介质薄膜材料。
图1为不同La掺入量的HfLaO薄膜XRD图谱；图 2 为 900-950°C退火 HfLaO(La ^ 37% )XRD 图谱；图3为HfLaO薄膜AFM形貌和表面粗糙度。
具体实施例方式下面的实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。实施例中采用的主要设备为JGPG450型高真空磁控溅射系统。实施例1一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，在Ar和O2混合气氛下，在η型(100) 取向的单晶Si衬底上，使用纯度均为99. 99%金属Hf (铪)靶和金属La(镧)靶，采用射频磁控溅射技术，调节金属Hf靶的溅射入射功率为120w，金属La靶的溅射入射功率变化为 40w,室温条件下，Hf靶和La靶进行溅射共沉积，得到HfLaO栅介质薄膜，其中[La/La+Hf] 原子含量比为17% ；溅射时，Hf靶和La靶的靶面法线方向分别与单晶Si衬底的法线方向成45°左右；溅射真空室抽至本底真空度8. OX 10_4Pa，Ar和O2表观质量流量分别为30Cm7min、5Cm7 min ；溅射过程中的工作气压均为IPa ；沉积时间为2小时；沉积温度为室温。实施例2一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，在Ar和O2混合气氛下，在η型(100) 取向的单晶Si衬底上，使用纯度均为99. 99%金属Hf靶和金属La靶，采用射频磁控溅射技术，调节金属Hf靶的溅射入射功率为120w，金属La靶的溅射入射功率变化为60w，室温条件下，Hf靶和La靶进行溅射共沉积，得到HfLaO栅介质薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比为25% ；其它工艺过程与工艺参数同实施例1。实施例3一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，在Ar和O2混合气氛下，在η型(100) 取向的单晶Si衬底上，使用纯度均为99. 99%金属Hf靶和金属La靶，采用射频磁控溅射技术，调节金属Hf靶的溅射入射功率为120w，金属La靶的溅射入射功率变化为80w，室温条件下，Hf靶和La靶进行溅射共沉积，得到HfLaO栅介质薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比为33% ；其它工艺过程与工艺参数同实施例1。实施例4
一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，在Ar和O2混合气氛下，在η型(100) 取向的单晶Si衬底上，使用纯度均为99. 99%金属Hf靶和金属La靶，采用射频磁控溅射技术，调节金属Hf靶的溅射入射功率为120w，金属La靶的溅射入射功率变化为100w，室温条件下，Hf靶和La靶进行溅射共沉积，得到HfLaO栅介质薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比为37% ；其它工艺过程与工艺参数同实施例1。对于栅介质材料而言，最理想的结晶学状态为非晶结构。图1为原位沉积的不同 La掺入量的HfLaO薄膜的X射线衍射谱图，可见，原位沉积的氧化镧薄膜为非晶结构，而原位沉积的HfO2薄膜已经结晶，与标准粉末衍射图谱(JCPDS No. 74-1506)相比，位于2 θ =24. 28° ,28. 26° ,31. 38° ,34. 36°、50. 18和55. 56°处的衍射峰分别归属于单斜相 Hi-HfO2 的(110)、(-111)、(111)、(002)、(220)和(013)晶面。当薄膜中 La 掺入量为 17% 时，虽然HfLaO薄膜也发生结晶现象，但是发生相变，生成具有萤石结构立方相c-LaHfOx。 当La掺入量从25%变化到37%时，随着La掺入量的增加，在谱图上除Si基片(200)衍射峰外没有任何特征衍射峰出现，说明薄膜未结晶，薄膜结构呈非晶态。薄膜热学稳定性测定是将沉积的薄膜在氮气气氛中进行退火处理，退火温度范围为700°C 950°C，升温速率为15°C/min，退火时间为30min，退火后自然冷却至室温。如图 2所示，La掺入量为37%，退火温度达到900°C时，HfLaO薄膜仍呈现非晶态。AFM形貌分析显示，不同La掺入量对HfLaO薄膜表面形貌有很大的影响，如图3可见，随着La掺入量的增加，表面岛尺寸明显减小，岛密度增大。统计表明，2X2 μ m2范围内薄膜的表面粗糙度逐渐降低，其中沉积态HfLaO薄膜(La 37%)的表面粗糙度RMS仅为 0. 7nm。可见，当La掺入量为25 37%时，薄膜结构为非晶态，表面岛尺寸较小，表面平整。光学性能测试分析结果表明，当入射光λ = 632. 8nm时，沉积态HfLaO薄膜的折射率(η为1. 77 1. 87)高于沉积态HfO2薄膜的折射率(n = 1. 76)。薄膜折射率与结构致密性密切相关，高的折射率对应于更加致密的膜层。由于沉积态HfO2薄膜经常呈现疏松的柱状结构，薄膜折射率较低，而在HfLaO复合薄膜中掺入适量的La会使疏松的柱状结构得到一定程度的改善，从而提高薄膜折射率，获得更加致密的栅介质薄膜材料。
权利要求
1.一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，以单晶硅片为衬底，包括衬底清洗和薄膜沉积的步骤，其特征在于，所述薄膜沉积的步骤是采用射频磁控溅射技术，金属Hf靶的溅射入射功率为120w，金属La靶的溅射入射功率为40 100w，室温下在衬底单晶硅片上同时溅射沉积2小时，得到HfLaO薄膜；所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子总量的比为17 37%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，溅射时Hf靶和La靶的靶面法线方向分别与单晶硅片的法线方向成45°，在固定Hf靶的溅射入射功率的情况下，通过调节La靶的溅射入射功率，得到HfLaO薄膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，溅射真空室抽至本底真空度为 8.0X10-4Pa,以Ar和仏的混合气氛作为反应气氛；所述Ar的表观质量流量为30cm3/min，O2的表观质量流量为5cm3/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，溅射时的工作气压为lPa。
5.根据权利要求1 4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述金属Hf靶和金属La靶的纯度为99. 99%。
6.根据权利要求1 4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述衬底单晶硅片为η型取向的单晶硅片。
全文摘要
一种制备HfLaO高介电栅介质薄膜的方法，以单晶硅片为衬底，包括衬底清洗和薄膜沉积的步骤，所述薄膜沉积的步骤是采用射频磁控溅射技术，金属Hf靶的溅射入射功率为120w，金属La靶的溅射入射功率为40～100w，室温下在衬底单晶硅片上同时溅射沉积2小时，得到HfLaO薄膜。本发明通过调节La、Hf两种金属靶材的入射功率，较好地控制薄膜中La/Hf原子比，从而在半导体衬底材料上沉积具有高的结晶温度和热学稳定性、表面平整、结构致密的非晶态HfLaO栅介质薄膜作为高介电栅介质薄膜材料。
文档编号H01L21/283GK102437040SQ20111036655
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者李智 申请人:大连大学