專利名稱：一種單晶高k柵介質(zhì)材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種單晶高K柵介質(zhì)材料及其制備方法，屬于半導體技術領域。
背景技術：
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-半導體-場效晶體管(MOSFET)的特征尺寸正以摩爾定律的 速度縮小。高k材料已經(jīng)初步替代了傳統(tǒng)的SiO2用于45nm和32nm技術節(jié)點。然而，隨著器件集成度以及運算速度的更進一步提高，當前的高k材料(HfxSiyOzNy)的等效氧化層厚度(EOT)低于O. 5nm以下時，由于量子隧穿效應的影響，其將失去其介電性能，導致器件無法正常工作，這對微電子器件的性能、可靠性和壽命產(chǎn)生很大的負面影響。因此，必須使用新的更高介電常數(shù)(高高K)材料來替代它，能夠在保持和增大柵極電容的同時，使柵介質(zhì)層仍然保持足夠的物理厚度來限制量子隧穿效應的影響。La2O3被認為最具有潛質(zhì)的稀土高k材料，但是在制備過程中容易產(chǎn)生非晶態(tài)；非晶態(tài)的La2O3結晶溫度比較低；容易使得溝道遷移率降低。然而立方相氧化鑭的介電常數(shù)為 30，帶隙為 5. 5eV，可以實現(xiàn)在立方相溝道材料上的外延生長，以緩解溝道遷移率的降低，從而滿足下一代超大集成電路所用高高k介電材料的要求(>20)。高的運算速度需要高遷移率溝道材料來實現(xiàn)，III-V半導體(如GaAs、InGaAs, InP等)作為溝道材料替代Si溝道已成為必然趨勢之一。其中考慮到費米能級釘扎效應、高頻、耐輻射、耐擊穿以及電子遷移率的大小因素，磷化銦(InP)相對其它溝道材料有很強的競爭力。因此，如何獲得立方相的La2O3柵介質(zhì)薄膜以及如何在立方相InP溝道材料上實現(xiàn)立方相La2O3柵介質(zhì)薄膜的外延生長就成為目前本技術領域急需解決的問題。
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)高的單晶高K柵介質(zhì)材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，以實現(xiàn)單晶高K柵介質(zhì)薄膜在InP溝道材料上的外延生長。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種單晶高K柵介質(zhì)材料，該柵介質(zhì)材料包括單晶P型InP基片和采用脈沖激光燒蝕法在該單晶P型InP基片上外延生長的立方相La2O3單晶薄膜，其中所述單晶P型InP基片作為溝道材料，其電阻系數(shù)為I 10Ω · cm ;所述單晶薄膜的厚度為I 10nm。一種單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，該方法包括如下步驟(I)將單晶P型InP基片和氧化鑭陶瓷靶材分別放入脈沖激光燒蝕設備中，單晶P型InP基片與氧化鑭陶瓷靶材之間的距離為10 50mm; (2)抽至高真空10_7Pa，升溫至600°C，并保持15min，調(diào)整激光燒蝕的能量密度為2 20J/cm2、脈沖次數(shù)為10 200次、脈沖頻率O. 5 2. 5Hz，對氧化鑭陶瓷靶材進行脈沖激光燒蝕，在單晶P型InP基片上沉積形成厚度為I IOnm的立方相La2O3薄膜，得到單晶高K柵介質(zhì)材料。在脈沖激光燒蝕過程中，所采用的激光燒蝕能量密度、脈沖頻率的大小、基片的溫度及靶材與基片的距離綜合影響了 InP基片上所形成的薄膜的晶體結構，基片溫度和基片與靶材之間距離優(yōu)化確定后，所設定激光燒蝕能量密度、脈沖頻率的大小為上述范圍時薄膜的晶體結構為單晶態(tài)，小于上述范圍時薄膜的晶體結構為非晶態(tài)，大于上述范圍時薄膜的微觀結構為多晶態(tài)。所述步驟(I)中使用的單晶P型InP基片的電阻系數(shù)為I 10Ω · cm，在使用之前，首先采用標準清洗工藝清洗除去其表面的有機污染物、微塵、金屬離子及氧化層，放入真空室后，升溫至600°C加熱15min的目的是為了去除殘留在其表面的氧化物。所述氧化鑭陶瓷靶材在進行脈沖激光燒蝕之前，先進行預濺射2 5min，使氧化鑭陶瓷靶材表面干凈新鮮，再開始向單晶P型InP基片上燒蝕沉積立方相氧化鑭薄膜。燒蝕沉積時間優(yōu)選為I IOmin,更優(yōu)選為3 7min。
所述單晶P型InP基片與氧化鑭陶瓷靶材之間的距離優(yōu)選為30 40mm。所述氧化鑭陶瓷靶材通過如下步驟制得選擇純度為99. 9%的氧化鑭粉末，將氧化鑭粉置于120°C的烘箱內(nèi)3小時后，迅速在5 IOMPa壓力，壓制5 15min,將粉末制成直徑為40mm、厚度為7mm的薄片；迅速真空封裝，然后進行冷等靜壓去應力工藝壓力為IOOMPa;將干燥的氧化鑭粉末鋪在純度為99. 9%的Al2O3坩堝底部，將壓制好的薄片放入其中，再用干燥的氧化鑭粉末覆蓋薄片，蓋上陶瓷坩堝蓋，隨后將坩堝放入馬弗爐中，以2V /min的升溫速率從室溫升至1300 1550°C，燒結5 10h，再以10 20°C /min的降溫速率降至室溫，即得氧化鑭陶瓷靶材。上述制備氧化鑭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
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ο本發(fā)明的有益效果為(1)本發(fā)明的單晶高K柵介質(zhì)材料中薄膜內(nèi)的立方相氧化鑭均為單晶態(tài)，晶體結構穩(wěn)定；(2)本發(fā)明的單晶高K柵介質(zhì)材料具有非常小的漏電流密度和較高的介電常數(shù)，立方相氧化鑭單晶薄膜材料的介電常數(shù)約為30，2. 5nm厚的該薄膜材料在偏壓為-I伏的時候，其漏電流密度僅為2X10_4A/Cm2。(3)本發(fā)明單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法可靠，重復性好，所制備陶瓷薄膜適合高K柵介質(zhì)材料使用，外延的氧化鑭與InP溝道材料形成的堆棧層可作為下一代超大集成電路的候選結構之一。下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。
圖I為本發(fā)明實施例2所制備的單晶高K柵介質(zhì)材料的HRTEM譜圖；該圖為高分辨投射電鏡針對外延La2O3層/InP溝道堆棧結構的分析圖譜；圖右上角為結構圖中單晶氧化鑭與單晶磷化銦區(qū)域(如白色方框所標)的傅里葉變化衍射斑點。圖2為本發(fā)明實施例2所制備的單晶高K柵介質(zhì)材料MOS電容結構高頻電容-電壓(C-V)曲線圖。圖3為本發(fā)明實施例2所制備的單晶高K柵介質(zhì)材料薄膜漏電流性能的曲線圖。
具體實施例方式實施例I
選擇純度為99. 9%的氧化鑭粉末，將氧化鑭粉置于120°C的烘箱內(nèi)3小時后，迅速在5 IOMPa壓力，壓制5 15min,將粉末制成直徑為40mm、厚度為7mm的薄片；迅速真空封裝，然后進行冷等靜壓去應力工藝，壓力為IOOMPa ;將干燥的氧化鑭粉末鋪在純度為99. 5%的Al2O3坩堝底部，將壓制好的薄片放入其中，再用干燥的氧化鑭粉末覆蓋薄片，蓋上陶瓷坩堝蓋，隨后將坩堝放入馬弗爐中，以2V /min的升溫速率從室溫升至1300 1550°C，燒結5 10h，再以10 20°C /min的降溫速率降至室溫，即得氧化鑭陶瓷靶材。實施例2單晶高K柵介質(zhì)薄膜材料的制備方法的具體步驟如下(I)在激光脈沖沉積設備中采用實施例I的氧化鑭陶瓷靶材，將氧化鑭陶瓷靶材預派射2 5min ；(2)采用如表I所示的標準清洗工藝清洗電阻率為I 10 Ω *cm的單晶P型InP 基片，放入激光脈沖沉積設備中，作為沉積薄膜的襯底材料；表IInP標準清洗工藝的具體操作流程
權利要求
1.一種單晶高K柵介質(zhì)材料,其特征在于該柵介質(zhì)材料包括單晶P型InP基片和采用脈沖激光燒蝕法在該單晶P型InP片上外延生長的立方相氧化鑭單晶薄膜，其中所述單晶P型InP基片作為溝道材料，其電阻系數(shù)為I 10 Ω · cm ;所述單晶薄膜的厚度為I IOnm0
2.—種權利要求I所述單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(I)將單晶P型InP基片和氧化鑭陶瓷靶材分別放入脈沖激光燒蝕設備中，單晶P型InP基片與氧化鑭陶瓷靶材之間的距離為15 50mm ； (2)抽至高真空10_7Pa，升溫至600°C，調(diào)整激光燒蝕的能量密度為4. 5 12. 5J/cm2、脈沖次數(shù)為100 500次、脈沖頻率O. 5 10Hz，對氧化鑭陶瓷靶材進行脈沖激光燒蝕，在單晶P型InP基片上沉積形成厚度為I IOnm的立方相氧化鑭薄膜，得到單晶高K柵介質(zhì)材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于所述的單晶P型InP片的電阻系數(shù)為I 10 Ω · cm。
4.根據(jù)權利要求2所述的單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于在進行脈沖激光燒蝕之前先對所述氧化鑭陶瓷靶材進行預濺射，預濺射的時間為2 5min。
5.根據(jù)權利要求2所述的單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中對氧化鑭陶瓷靶材進行脈沖激光燒蝕的時間為I lOmin。
6.根據(jù)權利要求2所述的單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于所述單晶P型InP基片在使用之前，清洗除去其表面的有機污染物、微塵、金屬離子及氧化層。
7.根據(jù)權利要求2所述的單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于所述單晶P型InP基片與氧化鑭陶瓷靶材之間的距離為30 40mm。
8.根據(jù)權利要求2所述的單晶高K柵介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于所述氧化鑭陶瓷靶材通過如下方法制得 選擇純度為99. 9%的氧化鑭粉末，將氧化鑭粉置于120°C的烘箱內(nèi)3小時后，迅速在5 IOMPa壓力，壓制5 15min,將粉末制成直徑為40mm、厚度為7mm的薄片；迅速真空封裝，然后進行冷等靜壓去應力工藝壓力為IOOMPa ;將干燥的氧化鑭粉末鋪在純度為99. 5%的Al2O3坩堝底部，將壓制好的薄片放入其中，再用干燥的氧化鑭粉末覆蓋薄片，蓋上陶瓷坩堝蓋，隨后將坩堝放入馬弗爐中，以2V /min的升溫速率從室溫升至1300 1550°C，燒結5 10h，再以10 20°C /min的降溫速率降至室溫，即得氧化鑭陶瓷靶材。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單晶高K柵介質(zhì)材料及其制備方法。本發(fā)明的單晶高K柵介質(zhì)材料由單晶P型InP基片和在它上面沉積的氧化鑭的單晶薄膜組成。本發(fā)明采用特定的陶瓷燒結技術制備高純度的氧化鑭靶材，以單晶P型InP片作為基片，在基片上使用激光脈沖沉積的方法形成氧化鑭的單晶薄膜，通過改變激光燒蝕的能量、脈沖頻率來調(diào)節(jié)薄膜的晶態(tài)。本發(fā)明制備的立方相氧化鑭高K柵介質(zhì)薄膜為單晶薄膜；并且具有較高的介電常數(shù)和非常小的漏電流密度。異質(zhì)外延高k氧化鑭與InP溝道材料形成的堆棧層適用于下一代超大集成電路。
文檔編號C30B23/02GK102732954SQ20111008104
公開日2012年10月17日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權日2011年3月31日
發(fā)明者屠海令, 張心強, 杜軍 申請人:北京有色金屬研究總院