專利名稱：一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域，具體是一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜及其制備 方法。
二背景技術(shù)：
目前，微電子產(chǎn)業(yè)的核心是集成電路，其發(fā)展水平通常標志著整個微電子技術(shù)工 業(yè)的發(fā)展水平。幾十年來，集成電路的發(fā)展一直遵循著摩爾定律。通過縮小器件尺寸， 不斷提高集成度。隨著集成電路的集成密度越來越大，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶 體管的特征尺寸越來越小，柵氧化層的厚度在不斷減薄。這使得目前柵介質(zhì)(Si02) 的厚度迅速逼近量子隧穿區(qū)域，在這個區(qū)域泄漏電流隨著厚度的減小，呈現(xiàn)指數(shù)級的 增長。由此帶來柵對溝道控制的減弱和柵介質(zhì)漏電流的陡增，從而嚴重影響器件的集 成度、可靠性和壽命，成為微電子技術(shù)進一步發(fā)展的限制性因素之一。
為了解決這一問題，須采用具有高介電常數(shù)(高Q的柵介質(zhì)材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02 柵介質(zhì)。采用高&材料后，在保證對溝道有相同控制能力的條件下，柵絕緣介質(zhì)介電 常數(shù)的增加將使柵介質(zhì)層的物理厚度增大，于是柵與溝道間的直接隧穿電流將大大減 小，從而提高柵介質(zhì)的可靠性。當(dāng)今普遍認為，如果柵氧化層厚度降至1.5nm以下， 高A:材料就必須代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02柵介質(zhì)(J. F. David, R. H. Dennard, E. Nowak, et al. "Device scaling limits of Si MOSFETs and their application dependencies". Proceedings of 正EE， 2001, 89(3): 259-288.)。因此，尋找性能良好的高A柵介質(zhì)材料迫在眉睫。
在選擇合適的材料來代替Si02的探索中，已經(jīng)有很多材料被嘗試過。其中，Hf02 材料的介電常數(shù)(25)和禁帶寬度(5.68eV)相對較高，基本符合柵介質(zhì)材料的要求， 而引起研究者們的極大關(guān)注。近年的研究表明，雖然Hf02材料有許多Si02無法比擬 的優(yōu)點，但HfD2的晶化溫度卻相對較低(300~500°C)，當(dāng)薄膜從原來的非晶態(tài)轉(zhuǎn)為多 晶后，有使漏電流增加的缺點。另外，氧在Hf02中擴散很快，在淀積和后續(xù)退火工藝 中在Hf02和Si襯底之間易形成較厚的界面過渡層Si02，從而影響等效柵氧化層厚度的減小。為了改善Hf02薄膜的性能，研究人員在Hf02中摻入其它元素制備各種Hf 基柵介質(zhì)薄膜。如在Hf02薄膜中分別摻入Al、 N、 Si等元素，制備出各種Hf基柵介 質(zhì)材料，包括HfAlO、 HfON、 HfSiO等。實驗結(jié)果顯示，這些材料都展示出了比較高 的晶化溫度(900 1000°C)，但是這些材料的介電常數(shù)卻大大降低，不利于用來解決 長期的工業(yè)需求。最近，德國人(G. Lupina, G. Kozlowski, J. Dab層ski， P. Dudek, G. Lippert, and H. —J. Miissig. "Dielectric and structural properties of thin SrHf03 layers on TiN，，. Appl. Phys. Lett. 2008， 93: 252907.)和瑞士人(C. Rossel, B. Mereu, C. Marchiori, D. Caimi, M. Sousa, A. Guiler, H. Siegwart, R. Germann， J. —P. Locquet, J. Fompeyrine, and J. Webb. "Field-effect transistors with SrHf03 as gate oxide". Appl, Phys. Lett. 2006， 89: 053506.)在Hf02薄膜中摻入Sr元素制備出SrHf03薄膜，雖然薄膜的介電常數(shù)較高(沉 積態(tài)約為21，晶化后約為35)，但薄膜在600。C退火后晶化，即薄膜的晶化溫度并沒 有明顯的改善。綜上所述，這些材料各有其優(yōu)缺點，不能夠同時滿足具有高介電常數(shù) 和高晶化溫度的性能要求。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的或者當(dāng)薄膜從原來的非晶態(tài)轉(zhuǎn)為多晶后使漏電流增加； 或者由于氧在Hf02中擴散很快，從而使界面氧化層厚度增大；或者薄膜在600。C退 火后晶化的不足，本發(fā)明提出了一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜及其制備方法。
本發(fā)明所提出的高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜包括質(zhì)量百分比為11~22%的Sr 元素，質(zhì)量百分比為39 46%的附元素，質(zhì)量百分比為28 34%的0元素和質(zhì)量百分 比為4~14%的N元素，總含量不超過100%。
本發(fā)明提出的高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜的制備方法包括以下步驟
步驟l，清洗Si襯底。將Si襯底放入0.3 0.6n/。的稀HF溶液中浸泡3 10分鐘， 并沖洗干凈；將Si襯底先后放入去離子水、丙酮和酒精中，分別超聲波清洗5 10分 鐘并吹干。
步驟2，預(yù)濺射。在射頻磁控共濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對氧化鍶靶和氧化鉿靶進 行預(yù)濺射5 10分鐘，除去靶表面的氧化層。
步驟3，沉積SrHfON薄膜。采用射頻磁控共濺射方法在經(jīng)過步驟1的Si襯底上 沉積SrHfON薄膜，工藝條件為襯底溫度20 30(TC、耙基距5.0 17.0 cm、濺射氣壓0.2 0.5Pa、氧化鍶耙濺射功率40 100 W、氧化鉿耙濺射功率80 120 W、 Ar氣 流量為8 20.0 SCCM、 N氣流量為2 12.0 SCCM。
步驟4，退火處理。對SrHfDN薄膜進行退火處理，工藝條件為退火溫度500 900。C、退火保護氣氛N2氣、退火時間0.5 1.5分鐘。
本發(fā)明制備的高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜具有較高的晶化溫度(900。C以上) 和較高的介電常數(shù)( 19)。 SrHfON薄膜具有較高的晶化溫度，因為SrHf03薄膜本身的 晶化溫度約為600。C， N的引入增加了薄膜中元素的種類，而實驗表明薄膜中所含的 元素種類越多薄膜的晶化溫度越高。SrHfON薄膜具有較高的介電常數(shù)，因為薄膜的 介電常數(shù)與化合物的化學(xué)鍵離子極性有關(guān)，當(dāng)SrHf03薄膜中引入的N原子取代部分O 原子的位置后，會使薄膜中化學(xué)鍵離子極性增強，因而SrHf03薄膜中摻入N元素后 仍然具有較高的介電常數(shù)。所以，本發(fā)明制備的SrHfON柵介質(zhì)薄膜不僅具有較高的 介電常數(shù)，而且明顯地改善了 SrHf03薄膜的晶化溫度。同時，SrHfON柵介質(zhì)薄膜比 常規(guī)的Hf02柵介質(zhì)薄膜具有結(jié)晶溫度高、界面產(chǎn)物少、漏電流密度低等優(yōu)點。這些優(yōu) 點，使SrHfON成為一種具有較好前景的高A柵介質(zhì)候選材料。
四

圖1為本發(fā)明制備的SrHfON薄膜在不同溫度退火后的XRD圖譜。 圖2為本發(fā)明制備的SrHfON薄膜在900°C退火后的TEM圖譜。 圖3為本發(fā)明制備的SrHfON薄膜在不同溫度退火后的介電常數(shù)。 圖4為本發(fā)明制備SrHfON薄膜的流程圖。
從圖l中可以看出，本發(fā)明制備的SrHfON薄膜在900。C退火后仍為非晶態(tài)，說 明SrHfON薄膜的晶化溫度在900°C以上。從圖2中可以看出，本發(fā)明制備的SrHfON 薄膜在900°C退火后與Si襯底之間形成的界面層厚度很薄，僅為7,03人，說明SrHfON 薄膜與Si襯底之間形成的界面產(chǎn)物很少。從圖3中可以看出，本發(fā)明制備的SrHfON 薄膜沉積態(tài)的介電常數(shù)為18.2，在900°C退火后的介電常數(shù)為19.3，說明本發(fā)明 SrHfON薄膜的介電常數(shù)較高。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
五具體實施方式
實施例一
本實施例所提出的SrHfON薄膜中Sr元素的質(zhì)量百分比為22%， Hf元素的質(zhì)量 百分比為44%， O元素的質(zhì)量百分比為30%, N元素的質(zhì)量百分比為4%，總含量不 超過100%。
本實施例的具體制備過程是
步驟1,清洗Si襯底。將Si襯底放入0.3%的稀HF溶液中浸泡10分鐘，去除襯 底表面的氧化物層，然后用清水沖洗干凈；再將Si襯底放入去離子水中，用超聲波清 洗儀清洗5分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入丙酮中，用超聲波清洗
儀清洗5分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入酒精中，用超聲波清洗儀
清洗5分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干。
步驟2，預(yù)濺射。在射頻磁控共濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對氧化鍶靶和氧化鉿耙進 行預(yù)濺射5分鐘，除去靶表面的氧化層。
步驟3，沉積SrHfON薄膜。采用射頻磁控共濺射方法在經(jīng)過步驟1的Si襯底上 沉積SrHfON薄膜，工藝條件為襯底溫度2(TC、靶基距17.0cm、濺射氣壓0.2 Pa、 氧化鍶靶濺射功率100 W、氧化鉿靶濺射功率IOOW、 Ar氣流量為20.0SCCM、 N氣 流量為2.0 SCCM。
步驟4，退火處理。對SrHfON薄膜進行退火處理，其工藝條件為退火溫度500°C、 退火保護氣氛N2氣、退火時間1.5分鐘。 實施例二
本實施例所提出的SrHfON薄膜中Sr元素的質(zhì)量百分比為19%， Hf元素的質(zhì)量 百分比為39%， 0元素的質(zhì)量百分比為28%， N元素的質(zhì)量百分比為14%，總含量不 超過100%。
本實施例的具體制備過程是
步驟1，清洗Si襯底。將Si襯底放入0.4%的稀HF溶液中浸泡7分鐘，去除襯底 表面的氧化物層，然后用清水沖洗干凈；再將Si襯底放入去離子水中，用超聲波清洗 儀清洗7分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入丙酮中，用超聲波清洗儀 清洗7分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入酒精中，用超聲波清洗儀清洗7分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干。
步驟2，預(yù)濺射。在射頻磁控共濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對氧化鍶靶和氧化鉿靶進 行預(yù)濺射7分鐘，除去靶表面的氧化層。
步驟3，沉積SrHfON薄膜。采用射頻磁控共濺射方法在經(jīng)過步驟l的Si襯底上 沉積SrHfON薄膜，工藝條件為襯底溫度10(TC、靶基距13.0 cm、濺射氣壓0.3 Pa、 氧化鍶靶濺射功率80W、氧化鉿靶濺射功率80 W、 Ar氣流量為8.0 SCCM、 N氣流量 為12.0 SCCM。
步驟4，退火處理。對SrHfON薄膜進行退火處理，其工藝條件為退火溫度650°C、 退火保護氣氛N2氣、退火時間1.2分鐘。 實施例三
本實施例所提出的SrHfON薄膜中Sr元素的質(zhì)量百分比為15%， Hf元素的質(zhì)量 百分比為44%， 0元素的質(zhì)量百分比為34%， N元素的質(zhì)量百分比為7%，總含量不 超過100%。
本實施例的具體制備過程是
步驟1 ，清洗Si襯底。將Si襯底放入0.5%的稀HF溶液中浸泡5分鐘，去除襯底 表面的氧化物層，然后用清水沖洗干凈；再將Si襯底放入去離子水中，用超聲波清洗 儀清洗9分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入丙酮中，用超聲波清洗儀 清洗9分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入酒精中，用超聲波清洗儀清 洗9分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干。
步驟2，預(yù)濺射。在射頻磁控共濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對氧化鍶靶和氧化鉿靶進 行預(yù)濺射9分鐘，除去靶表面的氧化層。 '
步驟3，沉積SrHfON薄膜。采用射頻磁控共濺射方法在經(jīng)過步驟1的Si襯底上 沉積SrHfON薄膜，工藝條件為襯底溫度20(TC、耙基距9.0cm、濺射氣壓0.4Pa、 氧化鍶靶濺射功率60 W、氧化鉿靶濺射功率100 W、 Ar氣流量為16.0 SCCM、 N氣 流量為5.0 SCCM。
步驟4，退火處理。對SrHfON薄膜進行退火處理，其工藝條件為退火溫度800'C、 退火保護氣氛N2氣、退火時間0.8分鐘。實施例四
本實施例所提出的SrHfON薄膜中Sr元素的質(zhì)量百分比為11%， Hf元素的質(zhì)量 百分比為46%， 0元素的質(zhì)量百分比為33%， N元素的質(zhì)量百分比為10%，總含量不 超過100%。
本實施例的具體制備過程是
步驟1 ，清洗Si襯底。將Si襯底放入0.6%的稀HF溶液中浸泡3分鐘，去除襯底 表面的氧化物層，然后用清水沖洗干凈；再將Si襯底放入去離子水中，用超聲波清洗 儀清洗10分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入丙酮中，用超聲波清洗儀 清洗10分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干；再將Si襯底放入酒精中，用超聲波清洗儀清 洗10分鐘，用吹風(fēng)機將Si襯底吹干。
步驟2，預(yù)濺射。在射頻磁控共濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對氧化鍶耙和氧化鉿耙進 行預(yù)濺射10分鐘，除去靶表面的氧化層。
步驟3，沉積SrHfON薄膜。采用射頻磁控共濺射方法在經(jīng)過步驟1的Si襯底上 沉積SrHfON薄膜，工藝條件為襯底溫度30(TC、革巴基距5.0 cm、濺射氣壓0.5Pa、 氧化鍶靶濺射功率40 W、氧化鉿耙濺射功率120 W、 Ar氣流量為12.0 SCCM、 N氣 流量為8.0 SCCM。
步驟4，退火處理。對SrHfON薄膜進行退火處理，其工藝條件為退火溫度900 °C、退火保護氣氛N2氣、退火時間0.5分鐘。
權(quán)利要求
1.一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜，其特征在于所提出的高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜包括質(zhì)量百分比為11～22％的Sr元素，質(zhì)量百分比為39～46％的Hf元素，質(zhì)量百分比為28～34％的O元素和質(zhì)量百分比為4～14％的N元素；總含量不超過100％。
2. —種制備權(quán)利要求l所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜的方法，其特征在于，所提出的高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜的制備方法包括以下步驟步驟l，清洗Si襯底。將Si襯底放入0.3 0.6。/。的稀HF溶液中浸泡3 10分鐘，并沖洗干凈；將Si襯底先后放入去離子水、丙酮和酒精中，分別超聲波清洗5 IO分鐘并吹千。步驟2，預(yù)濺射。在射頻磁控共濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對氧化鍶靶和氧化鉿耙進行預(yù)濺射5 10分鐘，除去靶表面的氧化層。步驟3，沉積SrHfON薄膜。采用射頻磁控共濺射方法在經(jīng)過步驟1的Si襯底上沉積SrHfON薄膜，工藝條件為襯底溫度20 30(TC、耙基距5.0 17.0 cm、濺射氣壓0.2 0.5Pa、氧化鍶耙濺射功率40 100 W、氧化鉿耙濺射功率80 120 W、Ar氣流量為8 20.0 SCCM、 N氣流量為2 12.0 SCCM。步驟4，退火處理。對SrHfON薄膜進行退火處理，工藝條件為退火溫度500 900°C、退火保護氣氛N2氣、退火時間0.5 1.5分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜及其制備方法。高介電常數(shù)柵介質(zhì)SrHfON薄膜包括質(zhì)量百分比分別為11～22％、39～46％、28～34％和4～14％的Sr元素、Hf元素、O元素和N元素，總含量不超過100％。用稀Hf溶液、去離子水、丙酮和酒精反復(fù)清洗Si襯底，在靶材經(jīng)過預(yù)濺射后，采用射頻磁控共濺射方法在Si襯底上沉積SrHfON薄膜，并退火處理，獲得SrHfON柵介質(zhì)薄膜。本發(fā)明制備的SrHfON柵介質(zhì)薄膜具有較高的介電常數(shù)，明顯改善了SrHfO₃薄膜的晶化溫度，具有晶化溫度高、界面產(chǎn)物少、漏電流密度低優(yōu)點，使SrHfON成為一種具有較好前景的高k柵介質(zhì)候選材料。
文檔編號H01L29/51GK101635307SQ200910023240
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者馮麗萍, 劉正堂 申請人:西北工業(yè)大學(xué)