專利名稱：一種制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米特征尺寸半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一 種用于納米尺度互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體器件制造的高介電常數(shù)柵介
質(zhì)薄膜鉿硅氧氮(HfSiON)的制備方法，以解決隨著小尺寸器件柵介 質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題。
背景技術(shù)：
40多年來，集成電路技術(shù)按摩爾定律持續(xù)發(fā)展，特征尺寸不斷縮 小，集成度不斷提高，功能越來越強(qiáng)。隨著器件尺寸的不斷減小，柵 氧化層厚度隨之減薄。
目前，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOSFET)的特征尺寸已進(jìn)入 亞50納米，柵氧化層厚度將減小到1.2納米以下。柵氧化層如此之薄， 如果仍采用傳統(tǒng)氧化硅柵介質(zhì)，直接隧穿電流將成指數(shù)規(guī)律急增。
依據(jù)2005年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2005)預(yù)測，到 2008年，平面體硅器件氮化氧化硅柵介質(zhì)漏電流將達(dá)到9xl02A/cm2， 超過器件所能承受的極限，將開始采用高介電常數(shù)材料作為新型柵介 質(zhì)。在同樣等效氧化層厚度下，高介電常數(shù)材料具有更厚的物理厚度， 使柵與溝道間直接隧穿電流大大減小，功耗顯著降低。
雖然近幾年在高k/金屬柵研究領(lǐng)域已取得了很多成果，但仍然存 在許多問題沒有解決，如材料的熱穩(wěn)定性問題、遷移率下降、費(fèi)米釘 扎和可靠性等問題。
所以，2006年ITRS Roadmap對2005年的預(yù)測進(jìn)行了部分調(diào)整， 將高介電常數(shù)材料和金屬電極的引入從2008年推遲到2010年，其主 要原因是所有跡象表明2008年前將這些創(chuàng)新應(yīng)用于CMOS集成電路 實際生產(chǎn)是不可能的，還存在許多科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)問題需要解決。
近幾年，研究重點(diǎn)主要集中于鉿(Hf)基高k柵介質(zhì)材料。目前，HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜的制備工藝主要有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積和
原子層淀積等工藝，但是這些工藝對設(shè)備的要求較高，成本較高，效
率較低。
如何利用常規(guī)的設(shè)備制備高k柵介質(zhì)薄膜是半導(dǎo)體業(yè)界面臨的重 要問題。濺射淀積技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的薄膜淀積技術(shù)，具有成 本低、操作簡單和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，利用濺射淀積技術(shù)制備HfSiON高k 柵介質(zhì)薄膜有利于促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制備高介電常數(shù)柵介 質(zhì)薄膜HfSiON的方法，以解決隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而 帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜 HffiiON的方法，該方法包括 清洗硅片；
對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；
在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)的HfSiON柵介質(zhì)薄膜； 對淀積了 HfSiON柵介質(zhì)薄膜的硅片進(jìn)行超聲清洗； 對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火； 在退火后的硅片上形成金屬柵。
上述方案中，所述清洗硅片的步驟包括先用常規(guī)方法清洗，再 用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1至10分鐘，然后去離子水沖洗， 甩干。
上述方案中，所述常規(guī)方法為在3#液中清洗10分鐘，然后在1# 液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為5:1的H2S04+H202溶液，所述 l弁液是體積比為0.7:1:5的NH4OH+H202+H20溶液。
上述方案中，所述對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化的步驟包括在氮?dú)庵?00至800°C溫度下快速熱退火30至120秒，生成3至5 A的
氧化層。
上述方案中，所述在硅片上淀積高介電常數(shù)的HfSiON柵介質(zhì)薄 膜的步驟包括在濺射前將濺射室抽真空至8xl0々Torr，充入氬氣和氮 氣，工作壓強(qiáng)為5xl(r3Torr，濺射功率為300至500W，交替濺射鉿靶 和硅靶，逐層淀積形成HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜，通過改變氮?dú)饬髁?可改變薄膜中的氮含量，調(diào)整濺射功率和時間可改變薄膜的厚度與組 分。
上述方案中，所述超聲清洗的步驟包括采用丙酮超聲清洗5分 鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘，去離子水沖洗，甩干。
上述方案中，所述淀積后退火的步驟包括在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在500 至1000°C溫度下快速熱退火5至90秒。
上述方案中，所述形成金屬柵的步驟包括在Ar/N2的混合氣氛中 濺射鉭靶，在Ar氣中濺射鋁靶，淀積形成氮化鉭和鋁TaN/Al復(fù)合金 屬柵，其中TaN厚度為1000至300oA， Al厚度為5000至10000義。
上述方案中，該方法在形成金屬柵的步驟之后進(jìn)一步包括背面濺 鋁和合金，其中，所述背面濺鋁是在Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺 射Al電極，Al電極厚度為5000至IOOOO丄；所述合金是在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下350至500°C溫度下合金退火30至60分鐘。
(三)有益效果
本發(fā)明提供的這種制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜HfSiON的方法， 在同樣等效氧化層厚度下，高介電常數(shù)柵介質(zhì)具有比氮化氧化硅柵介 質(zhì)更厚的物理厚度，解決了隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來 柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題。采用本發(fā)明制備的 HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜厚度均勻，界面良好，結(jié)晶溫度高，熱力學(xué)穩(wěn) 定性好，介電常數(shù)高，制成的器件漏電流很小。
本發(fā)明提供的這種制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜HfSiON的方法， 采用磁控濺射工藝交替濺射鉿(Hf)靶和硅(Si) $巴，實現(xiàn)HfSiON高 k柵介質(zhì)薄膜的淀積，其前采用一步快速熱退火工藝生成極薄的氧化層改善界面特性，其后采用一步快速熱退火工藝對薄膜進(jìn)行加固，獲得 組分均勻的薄膜。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是(1)易于獲得極薄且厚度均勻 的薄膜；(2)易于實現(xiàn)薄膜的摻雜淀積；(3)薄膜組分均勻，無碳元 素等雜質(zhì)；(4)界面特性良好；(5)工藝簡單，成本低廉。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明
圖1是本發(fā)明提供的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜HfSiON的方法 流程圖2是依照本發(fā)明實施例制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜HfSiON的 工藝流程圖3是HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜磁控濺射淀積的示意圖4是利用本發(fā)明制備的HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜的高分辨率透
射電子顯微鏡照片(HRTEM);
圖5是利用本發(fā)明制備的HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜電容的"電容-
電壓(C-V)"測試曲線。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明采用磁控濺射工藝制備鉿硅氧氮(HfSiON)高介電常數(shù)柵 介質(zhì)薄膜，制備方法為在硅片經(jīng)過常規(guī)清洗后，為抑制自然氧化物 生成，采用氫氟酸/異丙醇/水溶液室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后 立即進(jìn)爐，用快速熱退火生長界面層，在氬氣或氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚?氛中利用磁控濺射技術(shù)交替濺射鉿(Hf)靶和硅(Si)耙，淀積形成 HfSiON高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜，淀積后進(jìn)行快速熱退火處理完成 HfSiON高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜，然后形成金屬柵電極以便電學(xué)測量。
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜 HfSiON的方法流程圖，該方法包括
步驟101:清洗硅片；在本步驟中，先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下
浸泡1至10分鐘，然后去離子水沖洗，甩干兩遍，立即進(jìn)爐；所述常 規(guī)方法為在3#液中清洗IO分鐘，然后在1#液中清洗5分鐘；所述3# 液是體積比為5:1的H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為0.7:1:5 的NH4OH+H202+H20溶液。
步驟102:對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；
在本步驟中，在氮?dú)庵?00至800°C溫度下快速熱退火30至120 秒，生成3至5A的氧化層。
步驟103:在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)的鉿硅氧氮HfSiON 柵介質(zhì)薄膜；
在本步驟中，在濺射前將濺射室抽真空至8xl(^Torr，充入氬氣和 氮?dú)猓ぷ鲏簭?qiáng)為5xl(T3Torr，濺射功率為300至500W，交替濺射鉿 靶和硅靶，逐層淀積形成HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜，通過改變氮?dú)饬?量可改變薄膜中的氮含量，調(diào)整濺射功率和時間可改變薄膜的厚度與 組分。
步驟104:對淀積了HfSiON柵介質(zhì)薄膜的硅片進(jìn)行超聲清洗； 在本步驟中，采用丙酮超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分 鐘，去離子水沖洗，甩干兩遍，立即進(jìn)爐。
步驟105:對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火；
在本步驟中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在500至1000。C溫度下快速熱退火 5至90秒。
步驟106:在退火后的硅片上形成金屬柵；
在本步驟中，在Ar/N2的混合氣氛中濺射鉭耙，在Ar氣中濺射鋁 靶，淀積形成氮化鉭和鋁TaN/Al復(fù)合金屬柵，其中TaN厚度為1000 至300()A， Al厚度為5000至IOOOO入。
該方法在形成金屬柵的步驟之后進(jìn)一步包括背面濺鋁和合金，其 中，所述背面濺鋁是在Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺射Al電極， Al電極厚度為5000至IOOOO丄；所述合金是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350至500°C 溫度下合金退火30至60分鐘。圖2示出了依照本發(fā)明實施例制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜HfSiON
的工藝流程圖。在本實施例中，采用的清洗液其配方為
3#液配方H2S04:H202=5:1 (體積比) 1#液配方NH4OH:H2O2:H2O=0.7:l:5 (體積比) 氫氟酸/異丙醇/水配方HF:IPA:H2O=(0.2至0.7)%/(0.01至0.04)%/1
本實施例的具體工藝步驟如下
1) 硅片清洗3#液清洗10分鐘，1#液清洗5分鐘，氫氟酸/異丙
醇/水溶液室溫下浸泡5分鐘，去離子水沖洗，甩干兩遍，立即進(jìn)爐。
2) 淀積前氧化600至800。C溫度下快速熱退火30至90秒，生 成3至5A的氧化層。
3) 高k薄膜淀積濺射前濺射室真空抽至8xl(r7Torr，充入氬氣 和氮?dú)猓ぷ鲏簭?qiáng)為5xlO—3Torr，濺射功率為300至500W，交替濺射 鉿靶和硅靶，逐層淀積形成HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜，通過改變氮?dú)?流量可改變薄膜中的氮含量，調(diào)整濺射功率和時間可改變薄膜的厚度 與組分。
4) 超聲清洗丙酮超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘， 去離子水沖洗，甩干兩遍，立即進(jìn)爐。
5) 淀積后退火在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，700至1000°C快速熱退火10至 60秒。
6) 金屬柵形成在Ar/N2的混合氣氛中濺射鉭靶，在Ar氣中濺 射鋁靶，淀積形成TaN/Al復(fù)合金屬柵，其中TaN厚度為1000至 3000A，A1厚度為5000至IOOOO義。
7) 背面濺鋁在Ar氣中，采用直流濺射工藝背面濺射A1電極， Al電極厚度為5000至10000 A 。
8) 合金在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，350至500°C溫度下合金退火30至60 分鐘。
圖3示出了 HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜磁控濺射淀積的示意圖。其 濺射淀積過程為在高真空環(huán)境下，高純氬氣被電離成等離子體，在 高壓的作用下交替轟擊鉿靶和硅靶，撞擊出鉿原子和硅原子，被撞擊出的鉿和硅與周圍氣氛中的氮相結(jié)合逐層淀積在硅片表面，通過改變 氮?dú)饬髁靠筛淖儽∧ぶ械牡?，調(diào)整濺射功率和時間可改變薄膜的 厚度與組分。
圖4清楚地顯示了利用本發(fā)明制備的HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜的 高分辨率透射電子顯微鏡照片(HRTEM)。 HfSiON厚度為28.6義，厚 度為3.9; ，HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜厚度均勻，界面平整、光滑。HRTEM 分析還指出，經(jīng)1000°C高溫退火HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜仍保持非晶 態(tài)，表明其結(jié)晶溫度高，熱力學(xué)穩(wěn)定性好；Si02界面層有效抑制了 HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜與硅襯底之間的反應(yīng)。界面Si02的存在及界 面的平整和光滑都有利于改善界面特性和器件電學(xué)特性。
對HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜進(jìn)行X射線光電子能譜(XPS)分析 表明，HfSiON薄膜中Hf、 Si、 O和N各元素的百分比含量分別為12.03 %、 17.12%、 54.65%和16.2%，薄膜中主要以Si-O-Hf化學(xué)鍵為主。
圖5示出了利用本發(fā)明制備的HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜電容的"電 容-電壓(C-V)"測試曲線。經(jīng)擬合計算得HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜的 介電常數(shù)為14。測試其漏電可得，在等效氧化層厚度(EOT)為IOA的 情況下，漏電僅為1.9x10—3A/cm2 (Vg=Vft—1V)。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的方法，其特征在于，該方法包括清洗硅片；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)的鉿硅氧氮HfSiON柵介質(zhì)薄膜；對淀積了HfSiON柵介質(zhì)薄膜的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火；在退火后的硅片上形成金屬柵。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的 方法，其特征在于，所述清洗硅片的步驟包括先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1至10 分鐘，然后去離子水沖洗，甩干。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的 方法，其特征在于，所述常規(guī)方法為在3#液中清洗10分鐘，然后在 1#液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為5:1的H2S04+H202溶液，所 述1#液是體積比為0.7:1:5的NH4OH+H202+H20溶液。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的 方法，其特征在于，所述對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化的步驟包括在氮?dú)庵?00至800°C溫度下快速熱退火30至120秒，生成3至 5義的氧化層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的 方法，其特征在于，所述在硅片上淀積高介電常數(shù)的HfSiON柵介質(zhì) 薄膜的步驟包括在濺射前將濺射室抽真空至8xl(^Torr，充入氬氣和氮?dú)?，工作?強(qiáng)為5xl0—3Torr，濺射功率為300至500W，交替濺射鉿靶和硅耙，逐 層淀積形成HfSiON高k柵介質(zhì)薄膜，通過改變氮?dú)饬髁靠筛淖儽∧?中的氮含量，調(diào)整濺射功率和時間可改變薄膜的厚度與組分D
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的 方法，其特征在于，所述超聲清洗的步驟包括采用丙酮超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘，去離子水 沖洗，甩干。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的方法，其特征在于，所述淀積后退火的步驟包括在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在500至1000°C溫度下快速熱退火5至90秒。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的方法，其特征在于，所述形成金屬柵的步驟包括在Ar/N2的混合氣氛中濺射鉭靶，在Ar氣中濺射鋁靶，淀積形成 氮化鉭和鋁TaN/Al復(fù)合金屬柵，其中TaN厚度為1000至3000A ， Al 厚度為5000至IOOOO義。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜鉿硅氧氮的 方法，其特征在于，該方法在形成金屬柵的步驟之后進(jìn)一步包括背面 濺鋁和合金，其中，所述背面濺鋁是在Ar氣中采用直流濺射工藝背面 濺射Al電極，Al電極厚度為5000至10000A;所述合金是在氮?dú)獗?護(hù)下350至500°C溫度下合金退火30至60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜HfSiON的方法，該方法包括清洗硅片；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)的HfSiON柵介質(zhì)薄膜；對淀積了HfSiON柵介質(zhì)薄膜的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火；在退火后的硅片上形成金屬柵。利用本發(fā)明，解決了隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題。
文檔編號H01L21/28GK101447420SQ200710178280
公開日2009年6月3日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者徐秋霞, 柴淑敏, 許高博 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所