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基于Si襯底的鉿基鋁酸鹽高K金屬柵結(jié)構(gòu)及制備方法與流程

文檔序號(hào):12275107閱讀:來源:國知局

技術(shù)特征:

1.一種基于Si襯底的鉿基鋁酸鹽高K金屬柵結(jié)構(gòu),其特征在于:在Si襯底上自下而上包括鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜(1)、TiN阻擋層(2)、Ti氧元素吸附層(3)以及重金屬Pt柵電極(4),該TiN阻擋層(2)的厚度為2-3nm,用以阻擋金屬Ti及重金屬Pt向La基高k柵介質(zhì)薄膜擴(kuò)散;該Ti氧元素吸附層(3)的厚度為4-6nm,用以吸附在熱退火工藝過程中鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜與襯底Si界面處的氧元素。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Si襯底的鉿基鋁酸鹽高K金屬柵結(jié)構(gòu),其特征在于:鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜,采用Al2O3/HfO2疊層結(jié)構(gòu)或HfO2/Al2O3疊層結(jié)構(gòu)或HfAlOx材料,其厚度為4-10nm。

3.一種基于Si襯底的鉿基鋁酸鹽高K金屬柵結(jié)構(gòu)的制備方法,包括如下步驟:

1)對Si襯底進(jìn)行清洗;

2)采用原子層淀積方法在Si襯底上淀積厚度為4-10nm的HfAlO3或HfO2/Al2O3疊層結(jié)構(gòu)或Al2O3/HfO2疊層結(jié)構(gòu)的Hf基高k柵介質(zhì)薄膜;

3)將淀積鉿基高k柵介質(zhì)材料的基片在500-600℃真空氛圍下進(jìn)行60-90s快速熱退火;

4)熱退火后,采用電子束蒸鍍法在鉿基高k柵介質(zhì)薄膜上淀積2-3nm厚的TiN薄膜;

5)采用磁控濺射方法在TiN薄膜上淀積4-6nm厚的金屬Ti薄膜;

6)采用磁控濺射方法在金屬Ti薄膜上淀積100-150nm厚的金屬Pt薄膜;

7)使用光刻工藝處理帶有金屬Pt薄膜的樣品,使樣品上淀積的金屬Pt薄膜形成柵電極;

8)將形成柵電極的樣品在300-400℃的97%N2/3%H2混合氣體氛圍中退火20-30分鐘,完成基于Si襯底的鉿基鋁酸鹽高K金屬柵結(jié)構(gòu)的制備。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其中步驟1)中對Si晶圓進(jìn)行清洗,按如下步驟進(jìn)行:

(1.1)用比例為5:1:1的NH4OH,H2O2和H2O配備SC-1溶液,用比例為1:50的HF和H2O配備HF溶液;

(1.2)將Si晶圓片放在溫度為75℃的SC-1溶液中一次清洗10分鐘,并用去離子水沖洗2分鐘,以除去Si片上的有機(jī)污染物或附著的顆粒;

(1.3)將在SC-1溶液清洗后的Si晶圓片置于HF溶液中二次清洗60秒,并用去離子水中沖洗,以除去Si晶圓表面的自然氧化層SiO2;

(1.4)將二次清洗后的Si晶圓片放在去離子水中用超聲清洗5分鐘,以除去表面的吸附顆粒,再用去離子水沖洗2分鐘,并用高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,所述步驟2)中用原子層淀積方法在清洗后的Si襯底上淀積鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜,按如下步驟進(jìn)行:

(2.1)在超凈室內(nèi)環(huán)境下,將清洗后的Si襯底放入原子層淀積設(shè)備反應(yīng)腔,再將腔體壓強(qiáng)抽真空至9-20hPa,將溫度加熱到290-310℃,設(shè)定吹洗所用的氮?dú)饬髁繛?50sccm,根據(jù)生長的鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜的材料類型和厚度設(shè)定淀積HfO2的循環(huán)次數(shù)m和淀積Al2O3的循環(huán)次數(shù)n;

(2.2)在Si襯底上淀積一個(gè)四乙基甲基胺基鉿脈沖,淀積時(shí)間為0.1s,該反應(yīng)生成淀積HfO2過程中吸附型產(chǎn)物Hf-O-Hf-[N(CH3)(C2H5)]*和氣體副產(chǎn)物H[N(CH3)(C2H5)];

(2.3)對未能成功在Si襯底上淀積的四乙基甲基胺基鉿和淀積飽和后未能參與淀積的四乙基甲基胺基鉿及淀積HfO2過程中所生成的氣體副產(chǎn)物H[N(CH3)(C2H5)]進(jìn)行吹洗,吹洗時(shí)間為4.0s;

(2.4)在淀積四乙基甲基胺基鉿后的Si襯底上再淀積一個(gè)臭氧脈沖,淀積時(shí)間為0.3s,使淀積HfO2過程中吸附型產(chǎn)物Hf-O-Hf-[N(CH3)(C2H5)]*與臭氧中的氧原子發(fā)生交換反應(yīng),生成有機(jī)副產(chǎn)物、O2和目標(biāo)產(chǎn)物Hf-OH*;

(2.5)對未成功與吸附型產(chǎn)物Hf-O-Hf-[N(CH3)(C2H5)]*反應(yīng)和反應(yīng)達(dá)到飽和后未能參與淀積HfO2過程中反應(yīng)的臭氧以及有機(jī)副產(chǎn)物和O2進(jìn)行吹洗,吹洗時(shí)間為10s;

(2.6)重復(fù)步驟(2.2)至(2.5)m次;

(2.7)在完成步驟(2.5)的Si襯底上淀積一個(gè)三甲基鋁脈沖,淀積時(shí)間為0.1s,該反應(yīng)生成淀積Al2O3過程中的吸附型產(chǎn)物Al-O-Al-CH3*和氣體副產(chǎn)物CH4

(2.8)對未能成功在Si襯底上淀積的三甲基鋁和淀積飽和后未能參與淀積的三甲基鋁及淀積Al2O3過程中所生成的副產(chǎn)物CH4進(jìn)行吹洗,吹洗時(shí)間為3.0s;

(2.9)在淀積三甲基鋁后的Si襯底上再淀積一個(gè)臭氧脈沖,淀積時(shí)間為0.5s,使淀積Al2O3過程中吸附型產(chǎn)物Al-O-Al-CH3*與臭氧中的氧原子發(fā)生交換反應(yīng),生成淀積Al2O3過程中的氣體副產(chǎn)物CH2O、O2和目標(biāo)產(chǎn)物Al-OH*;

(2.10)對未成功與三甲基鋁反應(yīng)和反應(yīng)達(dá)到飽和后未能參與淀積Al2O3反應(yīng)的臭氧以及副產(chǎn)物CH2O和O2進(jìn)行吹洗,吹洗時(shí)間為4.0s;

(2.11)重復(fù)步驟(2.7)至(2.10)n次;

(2.12)重復(fù)步驟(2.6)和(2.11),直到鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜的厚度達(dá)到要求。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法,其特征在于,所述步驟3)中的退火工藝,按如下步驟進(jìn)行:

(3.1)將完成鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜淀積的Si片放入快速熱退火爐腔體中,通入氮?dú)獯祾呖焖贌嵬嘶馉t腔體內(nèi)的,氮?dú)獯祾邥r(shí)間為5min;

(3.2)將快速熱退火爐腔體的壓強(qiáng)抽真空至1hPa;

(3.3)以15-20℃/s的升溫速率將快速熱退火爐腔體溫度加熱到500-600℃,并將此溫度保持60-90s;

(3.4)向快速熱退火爐腔體中持續(xù)通入氮?dú)?,直至腔體溫度降至100℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,所述步驟7)中的光刻工藝,按如下步驟進(jìn)行:

(7.1)在淀積的金屬Pt薄膜上旋轉(zhuǎn)涂光刻膠,并將光刻膠烘干;

(7.2)對金屬Pt薄膜上的光刻膠進(jìn)行曝光并顯影,形成柵電極圖案;

(7.3)對曝光并顯影的光刻膠進(jìn)行后烘以固化光刻膠;

(7.4)使用CF4等離子體對固化光刻膠后的Si晶圓進(jìn)行刻蝕,刻蝕深度至鉿基鋁酸鹽高k柵介質(zhì)薄膜,形成柵電極;

(7.5)將等離子體刻蝕后的Si晶圓依次置于丙酮溶液、乙醇、去離子水中超聲清洗5min,洗掉金屬Pt薄膜上剩余的光刻膠,再用高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,所述步驟1)、步驟2)和步驟7)中的吹洗及步驟3)和步驟8)中的吹掃降溫,其工藝條件如下:

所用的氣體為99.999%的高純氮?dú)猓?/p>

氮?dú)饬髁吭O(shè)定為100-150sccm。

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