專利名稱：一種基于soi襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于微電 子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高性能、高集成度、多功能IC的研發(fā)對(duì)材料的要求 越來(lái)越苛刻，絕緣體上的硅(Silicon-on-insulator SOI)材料是新型硅基集成電路材料， 被譽(yù)為“21世紀(jì)的新型硅基集成電路技術(shù)”，與體硅相比，SOI具有無(wú)閂鎖、高速、低壓、低功 耗和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)。另外伴隨著器件特征尺寸的不斷減小，為保證柵對(duì)溝道有很好的控制 能力，SiO2柵介質(zhì)層的厚度會(huì)越來(lái)越薄，此時(shí)柵與溝道間的直接隧穿電流將變得非常顯著， 由此帶來(lái)了柵對(duì)溝道控制的減弱和器件功耗的增加；除此以外，超薄Si02柵介質(zhì)層還存在 長(zhǎng)期可靠性、硼穿透以及均勻性等限制?？朔@些限制的有效方法之一是采用高介電常數(shù) 的新型絕緣介質(zhì)材料(high-k材料)。采用high-k材料以后，在保證對(duì)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，從而可以很有效 的克服這些限制。然而，high-k柵氧化物與硅形成的界面尚不能和SiO2比擬，一般態(tài)密度 要比SiO2( lO^ycm2)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這將直接導(dǎo)致溝道載流子遷移率的降低。另一個(gè)不 可忽視的問(wèn)題在于high-k柵氧化物與金屬電極之間的擴(kuò)散問(wèn)題，金屬電極元素的擴(kuò)散會(huì) 導(dǎo)致high-k柵氧化物的介電性能大為降低。中國(guó)專利200310108275. 9揭示了一種高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)及其制備工藝。在 硅片表面氧化生長(zhǎng)一非常薄的氮氧化硅層作為高介電常數(shù)材料與硅襯底之間的界面緩沖 區(qū)，以便有效隔離高介電常數(shù)材料中的雜質(zhì)元素與硅襯底間的擴(kuò)散；，在高介電常數(shù)材料 表面利用CVD的方法或進(jìn)行氮化處理使其表面形成一薄層氮化硅將高介電常數(shù)材料覆蓋 住，并作為高介電常數(shù)材料與多晶硅的界面層，同時(shí)阻擋來(lái)自P+多晶的硼穿透。但是，其用的襯底是Si，它不具備利用SOI襯底的上述優(yōu)點(diǎn)，另外，該專利是在襯 底上直接生長(zhǎng)SiON，在高介電常數(shù)材料層之上生長(zhǎng)的一層SiN。中國(guó)專利200310108275. 9 使用的是多晶硅柵電極，多晶硅柵電極與高介電常數(shù)材料之間容易產(chǎn)生大量缺陷，還會(huì)降 低器件電子遷移率。而本發(fā)明采用SOI襯底材料，先以O(shè)2等離子體對(duì)頂層硅進(jìn)行處理，生成一層超薄 的SiO2層，因此可以擁有良好的Si02/Si界面層，眾所周知，Si02/Si之間的界面態(tài)好過(guò)中 國(guó)專利200310108275. 9使用的Si0N/Si的界面態(tài)；本發(fā)明在SiO2層上生長(zhǎng)的Si3N4層可以 有效隔離高介電常數(shù)材料層中的雜質(zhì)元素與SOI頂層硅之間的擴(kuò)散，以及阻止下方SiO2層 在后期熱處理過(guò)程中的再生長(zhǎng)。本發(fā)明直接對(duì)最上層的高介電常數(shù)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)?，?便生成高介電常數(shù)材料的氮氧化合物，通常高介電常數(shù)材料的氮氧化合物的介電常數(shù)是高 于SiN的。通過(guò)對(duì)high-k柵氧化物的氮化處理形成的氮氧化合物將有效阻止金屬柵電極 與高介電常數(shù)材料層之間的元素?cái)U(kuò)散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)及其制備方法，以便有效的解 決以下問(wèn)題(1)高介電常數(shù)材料與SOI襯底之間的界面態(tài)問(wèn)題.(2)高介電常數(shù)材料層中 的雜質(zhì)元素與SOI頂層硅之間的擴(kuò)散，以及SiO2層在后期熱處理過(guò)程中的再生長(zhǎng)問(wèn)題。(3) 金屬柵電極雜質(zhì)元素向高介電常數(shù)材料層中的擴(kuò)散問(wèn)題。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于SOI襯底的高介電常 數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括位于SOI襯底上的SiO2層、位于SiO2層上的Si3N4層、位于Si3N4 上的高介電常數(shù)氧化物層、以及位于高介電常數(shù)氧化物層上的高介電常數(shù)氮氧化合物層以 及位于高介電常數(shù)氮氧化合物層上的金屬柵電極6。本發(fā)明制備的柵結(jié)構(gòu)為多層材料結(jié)構(gòu)，其中，金屬柵電極下為高介電常數(shù)的氮氧 化合物層，厚度約為2 5埃，中間高介電常數(shù)材料層厚度為3 40埃，再下一層的Si3N4 層厚度為3 5埃，最底層SiO2厚度2 3埃。本發(fā)明還涉及一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法依 次包括包括以下步驟1)采用PEALD系統(tǒng)中的O2等離子體工藝對(duì)SOI襯底進(jìn)行預(yù)處理，去除其表面吸附 的雜質(zhì)氣體，并且生成一層SiO2層；2)采用ALD工藝在SiO2層上沉積一層Si3N4層；3)采用ALD工藝在Si3N4層上沉積一層高介電常數(shù)氧化物層；4)在生長(zhǎng)高介電常數(shù)氧化物層后通入N源，生長(zhǎng)出高介電常數(shù)氮氧化合物層；5)濺射生長(zhǎng)金屬柵電極。本發(fā)明通過(guò)對(duì)清潔的SOI襯底表面進(jìn)行O2等離子體處理，從而在襯底表面形成一 層超薄SiO2,接著在其上生長(zhǎng)一層超薄的Si3N4，這層Si3N4將有效隔離高介電常數(shù)層中的雜 質(zhì)元素與SOI頂層硅之間的擴(kuò)散，以及阻止下方SiO2層在后期熱處理過(guò)程中的再生長(zhǎng)。接 著在Si3N4上沉積一層高介電常數(shù)材料，并對(duì)高介電常數(shù)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡幚?，使得?介電常數(shù)材料上層形成一層高介電常數(shù)材料的氮氧化合物，這層氮氧化合物將有效阻止金 屬柵電極與高介電常數(shù)材料層之間的擴(kuò)散。


附圖1為此多層材料的高介電常數(shù)柵結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是SOI襯底，2是SiO2 層，3是Si3N4層，4是高介電常數(shù)氧化物層，5是高介電常數(shù)氮氧化合物層，6是金屬柵電極
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1請(qǐng)參照?qǐng)DI所示，一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)包括位于SOI 襯底1上的SiO2層2、位于SiO2層上的Si3N4層3、位于Si3N4上的高介電常數(shù)氧化物層4、 以及位于高介電常數(shù)氧化物層上的高介電常數(shù)氮氧化合物層5以及位于高介電常數(shù)氮氧 化合物層上的金屬柵電極6。一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括以下步驟步驟1，清洗并干燥，將切割好的SOI襯底放入第一溶液中超聲清洗15分鐘去除襯底表面的金屬污染物，接著用去離子水漂洗，然后將襯底放入稀釋的第二溶液中(體積比 為HF H2O = 1 50)20秒左右去除表面氧化物。最后用干燥的氮?dú)鈱⑵浯蹈?。所述?一溶液組分為體積比為2 1 7的NH4OH H2O2 H2O溶液。步驟2，在PEALD系統(tǒng)中以O(shè)2等離子體對(duì)襯底進(jìn)行預(yù)處理，去除表面吸附的雜質(zhì)氣 體，并且生成一層約為的2 3埃SiO2層。Jt^,PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition) i才皆 畠 ±曾
層沉積，其是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)诨妆砻娴姆椒?。該技術(shù)是 本領(lǐng)域的公知常識(shí)，在此不再贅述。步驟3，利用ALD方法在SiO2層上沉積一層3 5埃的Si3N4層。具體的做法是首先硅源以氬氣(該載氣也可以為氮?dú)?攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)腔， 化學(xué)吸附在襯底表面，脈沖時(shí)間大約為1. 5秒，然后用氬氣吹走剩余的硅源，氬氣吹洗時(shí)間 為2. 5秒，接著NH3在氬氣的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)腔并與已經(jīng)化學(xué)吸附的硅源發(fā)生反應(yīng)，過(guò) 量的NH3以及反應(yīng)生成的副產(chǎn)物由氬氣吹洗帶出反應(yīng)腔。ALD(Atomic Layer Deposition) 是指原子層沉積。步驟4，利用ALD方法在Si3N4層上沉積一層3 40埃高介電常數(shù)材料層。高介 電常數(shù)材料可以為氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(AL2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鋯(ZrO3)、氧化鉭 (Ta2O5)、氧化釓(Gd2O3)等。具體的做法是首先金屬源(例如Hf、AL、La、Zr、Ta、Gd等等，)以氬氣攜帶下脈 沖進(jìn)入反應(yīng)腔，化學(xué)吸附在襯底表面，脈沖時(shí)間大約為1. 5秒，然后用氬氣吹走剩余的金屬 源，氬氣吹洗時(shí)間為2. 5秒，接著H2O或O3在氬氣的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)腔并與已經(jīng)化學(xué)吸 附的金屬源發(fā)生反應(yīng)，過(guò)量的H2O或O3以及反應(yīng)生成的副產(chǎn)物由氬氣吹洗帶出反應(yīng)腔。步驟5，利用ALD方法在生長(zhǎng)高介電常數(shù)氧化物后期通入N源，從而生長(zhǎng)出厚度 2 5埃的高介電常數(shù)氮氧化合物。(該工藝為本領(lǐng)域公知技術(shù)，在此不再贅述)高介電常 數(shù)氮氧化合物材料可以為氮氧化鉿(HfOxNy)、氮氧化鋁(AlOxNy)、氮氧化鑭(LaOxNy)、氮氧化 鋯(&0xNy)、氮氧化鉭(TaOxNy)、氮氧化釓(GdOxNy)等。步驟5中X，y的取值說(shuō)明如下對(duì)于Hf(Zr)是 +4 價(jià)，那么 x，y 應(yīng)該是 l<x<4;l<y<4 ； x+y 彡 4。對(duì)于Al (La，Gd)是 +3 價(jià)，那么 x，y 應(yīng)該是 l<x<3;l<y<3 ； x+y 彡 3。對(duì)于Ta，是+5 價(jià)，那么 X，y 應(yīng)該是 l<x<5;l<y<5 ； x+y 彡 5。步驟6濺射生長(zhǎng)金屬柵電極。實(shí)施例2本實(shí)施例中也可以不清洗或干燥(省略步驟1)，直接將切割好的SOI襯底采用 PEALD工藝中進(jìn)行步驟2的處理，然后采用ALD工藝進(jìn)行步驟3-5的處理。本實(shí)施例中的其 他工藝步驟與實(shí)施例1相同。上述實(shí)施例僅列示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉 此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā) 明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)包括位于SOI襯底(1)上的SiO2層(2)、位于SiO2層上的Si3N4層(3)、位于Si3N4上的高介電常數(shù)氧化物層(4)、以及位于高介電常數(shù)氧化物層上的高介電常數(shù)氮氧化合物層(5)以及位于高介電常數(shù)氮氧化合物層上的金屬柵電極(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述高介電常數(shù)氮氧化合物層(5)的厚度為2 5埃。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述高介電常數(shù)氧化物層的厚度為3 40埃。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述Si3N4層的厚度為3 5埃。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述SiO2-的厚度為2 3埃。
6.一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法依次 包括以下步驟1)采用PEALD系統(tǒng)中的O2等離子體工藝對(duì)SOI襯底進(jìn)行預(yù)處理，去除其表面吸附的雜 質(zhì)氣體，并且生成一層SiO2層；2)采用ALD工藝在SiO2層上沉積一層Si3N4層；3)采用ALD工藝在Si3N4層上沉積一層高介電常數(shù)氧化物層；4)在生長(zhǎng)高介電常數(shù)氧化物層后通入N源，生長(zhǎng)出高介電常數(shù)氮氧化合物層；5)濺射生長(zhǎng)金屬柵電極。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)的制備方法，其特 征在于，在進(jìn)行步驟1)之前還包括以下步驟將切割好的SOI襯底放入第一溶液中超聲清 洗去除襯底表面的金屬污染物，接著用去離子水漂洗，然后將SOI襯底放入稀釋的第二溶 液中去除表面氧化物，最后用干燥的氮?dú)鈱⑵浯蹈?；所述第一溶液為體積比為2 1 7的 NH4OH H2O2 H2O溶液，所述第二溶液為體積比為1 50的HF H2O溶液。
8.如權(quán)利要求1或6所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述高介電常數(shù)氧化物層的材料為氧化鉿HfO2、氧化鋁AL2O3、氧化鑭La2O3、氧化鋯&03、氧 化鉭Ta205、以及氧化釓Gd2O3中的一種。
9.如權(quán)利要求1或6所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述高介電常數(shù)氮氧化合物層的材料為氮氧化鉿HfOxNy或氮氧化鋯&0xNy中的一種，其中， l<x<4;l<y<4 ； x+y 彡 4。
10.如權(quán)利要求1或6所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述高介電常數(shù)氮氧化合物層的材料為氮氧化鋁AlOxNy、氮氧化鑭LaOxNy或氮氧化釓 GdOxNy 中的一種，其中，1 <x<3;l<y<3 ； x+y ( 3。
11.如權(quán)利要求1或6所述的一種基于SOI襯底的高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述高介電常數(shù)氮氧化合物層的材料為氮氧化鉭TaOxNy，其中，1 < x<5;l<y<5; x+y ^ 5o
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種在SOI材料上制備多層高介電常數(shù)材料柵結(jié)構(gòu)的方法。首先通過(guò)O2等離子體對(duì)SOI表面進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)SOI襯底表面將形成一層超薄的SiO2界面層，接著在這層超薄的SiO2上利用原子層沉積(ALD)方式生長(zhǎng)一層超薄的Si3N4，這層Si3N4將有效隔離高介電常數(shù)材料層中的雜質(zhì)元素與SOI頂層硅之間的擴(kuò)散，以及阻止下方SiO2層在后期熱處理過(guò)程中的再生長(zhǎng)。接著在Si3N4上沉積一層高介電常數(shù)材料，并對(duì)高介電常數(shù)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡幚?，使得高介電常?shù)材料上層形成一層高介電常數(shù)的氮氧化合物，這層氮氧化合物將有效阻止金屬柵電極與高介電常數(shù)材料層之間的元素?cái)U(kuò)散。最后濺射生長(zhǎng)金屬電極。
文檔編號(hào)H01L29/51GK101950758SQ20101022569
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者何大偉, 俞躍輝, 宋朝瑞, 徐大偉, 王中健, 程新紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所