專利名稱：一種非晶高k柵介質(zhì)堆棧及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非晶高k柵介質(zhì)堆棧及其制備方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，使得作為集成電路核心器件的金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管(MOSFET)的特征尺寸正以摩爾定律的速度縮小。高k材料HfO2已經(jīng)初步替代了傳統(tǒng)的SiO2用于45nm和32nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。然而，HfO2也存在著一些不足。例如，HfO2結(jié)晶溫度較低( 375°C)，在后續(xù)熱處理的過程中容易晶化，導(dǎo)致漏電流的增加；并且HfO2與Si之間容易形成硅化物的界面層，影響等效氧化層厚度(EOT)的減小，同時(shí)也增大了界面態(tài)密度(1011 IO12CnT2，而Si02/Si的界面態(tài)密度一般為IOiciCnT2);由于Hf-O鍵的離子鍵特性，以及HfO2薄膜在制備過程中易導(dǎo)致不完全氧化和較高數(shù)量的斷鍵，在HfO2中容易產(chǎn)生高密度的氧空位結(jié)構(gòu)缺陷，將進(jìn)一步增大了漏電流，嚴(yán)重影響了柵介質(zhì)層的電學(xué)特性。這些不足限制了 HfO2高k柵介質(zhì)在未來集成電路中的應(yīng)用。因此，如何對(duì)HfO2薄膜進(jìn)行改性提聞性能成為了當(dāng)如研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，向HfO2中摻雜稀土元素(如La、Gd、Y等)可以改善HfO2薄膜的熱力學(xué)穩(wěn)定性，減少HfO2中的缺陷，改善其能帶結(jié)構(gòu)等。CeO2具有較高的介電常數(shù)( 26)，較好的化學(xué)穩(wěn)定性，以及與Si具有較好的兼容性。但是CeO2-HfO2體系高k柵介質(zhì)的研究還未引起業(yè)內(nèi)關(guān)注。因此，如何獲得穩(wěn)定性好、可重復(fù)性好的CeO2-HfO2柵介質(zhì)薄膜就成為目前本技術(shù)領(lǐng)域急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種漏電流密度小、介電常數(shù)高的非晶高k柵介質(zhì)堆棧。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種非晶高k柵介質(zhì)堆棧的制備方法，以實(shí)現(xiàn)非晶高k柵介質(zhì)薄膜在Si襯底上的沉積。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:—種非晶高k柵介質(zhì)堆棧，該柵介質(zhì)堆棧包括單晶硅基片、采用磁控共濺射法在該單晶硅基片上沉積的非晶CeO2-HfO2薄膜、以及采用磁控濺射法或熱蒸發(fā)沉積法沉積的金屬柵電極。所述單晶硅基片作為襯底材料，其電阻系數(shù)為2 5 Ω * cm ;所述非晶CeO2-HfO2薄膜的厚度為5 20nm。所述的金屬柵電極可以為鉬(Pt)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)或氮化鉭(TaN)。所述非晶CeO2-HfO2薄膜作為柵介質(zhì)層的介電常數(shù)為16 25。所述非晶CeO2-HfOj^膜物理厚度為IOnm時(shí)，在柵壓為I伏下，非晶高k柵介質(zhì)堆棧的漏電流密度為5X 10_3A/cm2。一種上述非晶高k柵介質(zhì)堆棧的制備方法，該方法包括如下步驟:(I)將單晶硅基片和氧化鉿、氧化鈰陶瓷靶材分別放入磁控濺射設(shè)備中，將磁控濺射設(shè)備抽至高真空10_4Pa，按氧氣與氬氣的流量比為1: 10 1:1通入氧氣和氬氣混合氣體，在0.1 5Pa條件下，對(duì)氧化鉿和氧化鈰陶瓷靶材進(jìn)行磁控共濺射，在單晶硅基片上沉積形成非晶CeO2-HfO2薄膜；(2)采用磁控濺射法或熱蒸發(fā)沉積法向非晶CeO2-HfO2薄膜上沉積金屬柵電極，得到非晶高k柵介質(zhì)堆棧。所述氧化鉿、氧化鈰陶瓷靶材CeO2的純度大于99.95%。在步驟(I)中單晶硅基片與氧化鉿、氧化鈰陶瓷靶材之間的距離為20 50mm。所述步驟(I)在單晶硅基片上沉積形成的非晶CeO2-HfO2薄膜的厚度為5 20nm。所述步驟(I)中使用的單晶硅基片在使用之前，需要清洗除去其表面的有機(jī)污染物、微塵、金屬離子及氧化層。所述氧化鉿或氧化鈰陶瓷靶材可以采用固相燒結(jié)法制得，包括以下步驟:選擇純度為99.99%的氧化鉿(氧化鈰)粉末，將氧化鉿(氧化鈰)粉末置于120°C的烘箱內(nèi)3小時(shí)后，迅速在8MPa壓力，壓制5min，將粉末制成直徑為60mm、厚度為5mm的薄片；迅速真空封裝，然后進(jìn)行冷等靜壓去應(yīng)力工藝，壓力為IOOMPa ;將干燥的氧化鉿(氧化鈰)粉末鋪在純度為99.9%的Al2O3坩堝底部，將壓制好的薄片放入其中，再用干燥的氧化鉿(氧化鈰)粉末覆蓋薄片，蓋上陶瓷坩堝蓋，隨后將坩堝放入馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從室溫升至1500°C，燒結(jié)6h，再以2V /min的降溫速率降至室溫，即得氧化鉿(氧化鈰)陶瓷靶材。上述制備氧化鉿(氧化鈰)陶瓷靶材的方法易于操作，成本較低，并且所得靶材致密，不易開裂。本發(fā)明的有益效果為:(I)本發(fā)明的非晶高k柵介質(zhì)堆棧中柵介質(zhì)薄膜為非晶態(tài)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(2)本發(fā)明的非晶高k柵介質(zhì)堆棧具有較小的漏電流密度和較高的介電常數(shù)，非晶CeO2-HfO2薄膜材料的介電常數(shù)約為16，IOnm厚的該薄膜材料在柵壓為_1伏的時(shí)候，其漏電流密度僅為5X 10_3A/cm2。(3)本發(fā)明的非晶高k柵介質(zhì)堆棧的制備方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，所制備陶瓷薄膜適合高k柵介質(zhì)材料使用。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例2所制備的非晶高k柵介質(zhì)堆棧MOS結(jié)構(gòu)的高頻電容-電壓(C-V)曲線圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2所制備的非晶高k柵介質(zhì)堆棧MOS結(jié)構(gòu)的漏電流性能的曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受這些實(shí)施例的限制。實(shí)施例1選擇純度為99.99%的氧化鉿(氧化鈰)粉末，將氧化鉿(氧化鈰)粉末置于120°C的烘箱內(nèi)3小時(shí)后，迅速在8MPa壓力，壓制5min，將粉末制成直徑為60mm、厚度為5mm的薄片；迅速真空封裝，然后進(jìn)行冷等靜壓去應(yīng)力工藝，壓力為IOOMPa ;將干燥的氧化鉿(氧化鈰)粉末鋪在純度為99.9%的Al2O3坩堝底部，將壓制好的薄片放入其中，再用干燥的氧化鉿(氧化鈰)粉末覆蓋薄片，蓋上陶瓷坩堝蓋，隨后將坩堝放入馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從室溫升至1500°C，燒結(jié)6h，再以2V /min的降溫速率降至室溫，即得氧化鉿(氧化鈰)陶瓷靶材。實(shí)施例2非晶高k柵介質(zhì)堆棧的制備方法的具體步驟如下:(I)在磁控濺射設(shè)備中采用實(shí)施例1的氧化鉿(氧化鈰)陶瓷靶材，將氧化鉿(氧化鋪)陶瓷祀材預(yù)派射5min ；(2)采用如表I所示的標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝清洗電阻率為2 5 Ω.Cm的單晶硅基片，放入磁控濺射設(shè)備中，作為沉積薄膜的襯底材料；表I單晶硅基片襯底的標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝的具體操作流程
權(quán)利要求
1.一種非晶高k柵介質(zhì)堆棧，其特征在于:該柵介質(zhì)堆棧包括單晶硅基片、采用磁控共濺射法在該單晶硅基片上沉積的非晶CeO2-HfO2薄膜、以及采用磁控濺射法或熱蒸發(fā)沉積法沉積的金屬柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶高k柵介質(zhì)堆棧，其特征在于:所述金屬柵電極為鉬、氮化鈦、鎢或氮化鉭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶高k柵介質(zhì)堆棧，其特征在于:所述非晶CeO2-HfO2薄膜的厚度為5 20nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非晶高k柵介質(zhì)堆棧，其特征在于:所述非晶CeO2-HfO2薄膜作為柵介質(zhì)層的介電常數(shù)為16 25。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶高k柵介質(zhì)堆棧，其特征在于:所述非晶CeO2-HfO2薄膜物理厚度為IOnm時(shí)，在柵壓為I伏下，非晶高k柵介質(zhì)堆棧的漏電流密度為5X10_3A/cm2。
6.一種權(quán)利要求1所述非晶高k柵介質(zhì)堆棧的制備方法，其特征在于:該方法包括如下步驟: (1)將單晶硅基片和氧化鉿、氧化鈰陶瓷靶材分別放入磁控濺射設(shè)備中，將磁控濺射設(shè)備抽至高真空10_4Pa，按氧氣與氬氣的流量比為1: 10 1:1通入氧氣和氬氣的混合氣體，在0.1 5Pa條件下，對(duì)氧化鉿和氧化鈰陶瓷靶材進(jìn)行磁控共濺射，在單晶硅基片上沉積形成非晶CeO2-HfO2薄膜； (2)采用磁控濺射法或熱蒸發(fā)沉積法向非晶CeO2-HfO2薄膜上沉積金屬柵電極，得到非晶聞k棚介質(zhì)堆找。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述氧化鉿、氧化鈰陶瓷靶材的純度大于 99.95%。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:在步驟(I)中單晶硅基片與氧化鉿、氧化鈰陶瓷靶材之間的距離為20 50mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)在單晶硅基片上沉積形成的非晶CeO2-HfO2薄膜的厚度為5 20nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非晶高k柵介質(zhì)堆棧及其制備方法。該柵介質(zhì)堆棧包括單晶硅基片、采用磁控共濺射法在該單晶硅基片上沉積的非晶CeO2-HfO2薄膜、以及采用磁控濺射法或熱蒸發(fā)沉積法沉積的金屬柵電極。本發(fā)明采用特定的陶瓷燒結(jié)技術(shù)制備高純度的氧化鉿(氧化鈰)靶材，以單晶硅基片作為襯底材料，在基片上使用磁控共濺射的方法形成非晶CeO2-HfO2薄膜。該柵介質(zhì)堆棧中的非晶CeO2-HfO2薄膜具有較高的介電常數(shù)、較小的漏電流密度。該制備方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，所制備的陶瓷薄膜適合高k柵介質(zhì)材料使用。
文檔編號(hào)H01L21/285GK103165665SQ20111040853
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者屠海令, 楊萌萌, 杜軍 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院