專利名稱：一種改善高阻soi襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，涉及一種改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的 方法。
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)”。當(dāng)采用高阻SOI (HRSOI)襯底時(shí)，可切斷襯底 注入噪聲通道，降低電容耦合，減小與襯底相關(guān)的射頻損耗，進(jìn)而提高有源器件和無(wú)源器件 性能，尤其是HRSOI襯底在與射頻電路、壓控振蕩器和低噪聲放大器等合成時(shí)還可進(jìn)一步 突出模擬/數(shù)字混合電路的優(yōu)勢(shì)，使它們?cè)诠ぷ髌陂g具有更高、更穩(wěn)定的性能以適應(yīng)各種 工藝的變化和擾動(dòng)效應(yīng)。根據(jù)“摩爾定律”，單芯片上的晶體管數(shù)量應(yīng)當(dāng)每2年增加一倍。但是，作為電子元 器件柵介質(zhì)的傳統(tǒng)材料——Sio2W減薄有其內(nèi)在物理極限，超過(guò)此極限將導(dǎo)致器件的隧穿 漏電流、針孔缺陷、性能失效等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。因此，一些集成電路研究和制造機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi) 始探索，在集成電路當(dāng)中，采用一些取代SiO2的高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料，如Intel公司已研 發(fā)出45納米高k制程技術(shù)。HfO2薄膜具有較理想的介電常數(shù)、禁帶寬度、以及導(dǎo)價(jià)帶偏移，是公認(rèn)的可以替代 SiO2的高k柵介質(zhì)。但是Hf02薄膜的結(jié)晶溫度通常低于700°C，導(dǎo)致漏電增大、界面態(tài)密 度增大、電學(xué)性能重復(fù)性差等問(wèn)題出現(xiàn)；另外，Si和0元素在HfO2薄膜中的擴(kuò)散速率很高， 在界面和薄膜中非常容易形成鉿基酸化物以及鉿基硅酸鹽，進(jìn)而降低HfO2薄膜性能。注氧隔離技術(shù)制備的HRSOI襯底的頂層硅內(nèi)各種缺陷密度遠(yuǎn)大于體硅，在HRSOI 襯底上生長(zhǎng)HfO2薄膜過(guò)程中會(huì)造成界面層的過(guò)渡生長(zhǎng)以及0和Si的大量擴(kuò)散，嚴(yán)重制約 HRSOI上高k柵介質(zhì)技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì) 性能的方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，所述方法包括以下步 驟步驟一，將高阻SOI襯底進(jìn)行預(yù)處理，然后裝入薄膜沉積腔內(nèi)；步驟二，在高阻SOI襯底的上表面原位生長(zhǎng)厚度不大于Inm的Al2O3薄膜；步驟三，在所述Al2O3薄膜上原位生長(zhǎng)厚度不大于30nm的HfO2薄膜；步驟四，在所述HfO2薄膜上原位沉積吸氧金屬蓋帽層；步驟五，退火處理。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述薄膜沉積腔為超高真空電子束蒸發(fā)腔。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，步驟一中，所述預(yù)處理的具體方法為利用標(biāo)準(zhǔn)半 導(dǎo)體工藝對(duì)所述高阻SOI襯底進(jìn)行清洗，然后將清洗后的高阻SOI襯底放在稀釋的HF中浸 泡1分鐘。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟二中，所述Al2O3薄膜的詳細(xì)生長(zhǎng)方法為將 所述高阻SOI襯底加熱到300°C后，通過(guò)超高真空電子束蒸發(fā)Al2O3陶瓷靶，在所述高阻SOI 襯底的原位生長(zhǎng)Al2O3薄膜。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟三中，所述肚02薄膜的詳細(xì)生長(zhǎng)方法為通過(guò) 超高真空電子束蒸發(fā)HfO2陶瓷靶，在所述Al2O3薄膜的原位形成HfO2薄膜，所述HfO2薄膜 為非晶HfO2高1^柵介質(zhì)薄膜。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟四中，所述吸氧金屬蓋帽層的詳細(xì)生長(zhǎng)方法 為通過(guò)電子束蒸發(fā)金屬靶，在所述HfO2薄膜的原位形成吸氧金屬蓋帽層。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述金屬靶為Ti金屬靶，所述吸氧金屬蓋帽層為 Ti金屬蓋帽層。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟四中，所述吸氧金屬蓋帽層形成后，利用選擇 濕法刻飾未反映的吸氧金屬和反映產(chǎn)物。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟五中，所述退火處理的方法為在N2氣氛中進(jìn) 行3分鐘的700°C快速熱退火處理。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述Al2O3薄膜和HfO2薄膜的生長(zhǎng)溫度均保持在 300 "C。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明抑制了界面層生長(zhǎng)，有利于高k柵介質(zhì)等效柵氧 厚度的減薄，提高了高k柵介質(zhì)的結(jié)晶溫度，減少了界面層厚度和界面態(tài)密度，改善了高阻 SOI上高k柵介質(zhì)的電學(xué)性能。


圖1為有Al2O3阻擋層的高k柵介質(zhì)與沒(méi)有阻擋層的高k柵介質(zhì)的 EDX(EnergyDispersive X-Ray Fluoresence Spectrometer)兀素分布不意圖；圖2為有Al2O3阻擋層的HfO2柵介質(zhì)與沒(méi)有阻擋層的HfO2柵介質(zhì)的電學(xué)性能比較 示意圖；圖3為Ti蓋帽層保護(hù)下退火樣品和原位樣品的高分辨X射線反射率測(cè)量曲線和 擬合曲線，框圖為擬合模型；圖4為原位生長(zhǎng)樣品和吸氧金屬蓋帽層保護(hù)下退火處理后樣品的電學(xué)性能測(cè)試 圖；圖5為本發(fā)明所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法的流程 圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一
本實(shí)施例提供一種改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，用以抑 制HRSOI和HfO2之間界面層生長(zhǎng)和控制0和Si擴(kuò)散。HRSOI材料是包括頂層硅、隱埋氧 化層、襯底硅三層結(jié)構(gòu)的材料，中間的隱埋氧化層(BOX)與頂層硅和襯底硅都是直接的物 理接觸，隱埋氧化層起到電學(xué)隔離頂層硅和襯底硅的作用。厚膜絕緣體上的硅厚度不小于 200nm,阻擋層Al2O3厚度不大于lnm，退火保護(hù)氣氛為高純N2,后退火溫度不高于700°C。本 實(shí)施例主要是通過(guò)在HRSOI襯底和HfO2薄膜之間插入熱穩(wěn)定性好的Al2O3阻擋層(又稱 Al2O3薄膜)或在HfO2薄膜上原位覆蓋吸氧金屬蓋帽層實(shí)現(xiàn)的。[Al2O3阻擋層首先將HRSOI襯底利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗工藝進(jìn)行清洗，在稀釋的HF中浸泡1分 鐘，然后裝入薄膜沉積腔內(nèi)。HRSOI襯底溫度保持在300°C，原位生長(zhǎng)厚度小于Inm的Al2O3薄膜，然后生長(zhǎng)HfO2 薄膜。HfO2薄膜的生長(zhǎng)溫度保持在300°C，有利于均勻薄膜的生長(zhǎng)，同時(shí)提高薄膜和襯底之 間的粘著力。Al2O3的厚度過(guò)大會(huì)限制高k柵介質(zhì)棧的等效柵氧厚度的縮小，過(guò)小會(huì)影響薄 膜的均勻性和抑制HfO2結(jié)晶的作用。最后薄膜在N2氣氛下進(jìn)行3分鐘的700°C快速熱退火處理，使薄膜更均勻，減小缺 陷密度。Al2O3阻擋層不僅能抑制后續(xù)退火過(guò)程中界面層的進(jìn)一步生長(zhǎng)，而且能降低0和Si 元素的擴(kuò)散率。吸氧金屬蓋帽層通過(guò)薄膜沉積方法在HRSOI襯底上生長(zhǎng)HfO2薄膜之后，原位形成吸氧金屬薄膜蓋 帽層，襯底溫度保持在300°C。吸氧金屬蓋帽層過(guò)薄無(wú)法起到阻止0擴(kuò)散的目的，過(guò)厚不利 于退火后的清洗工作，吸氧金屬蓋帽層厚度應(yīng)不大于30nm。將帶有吸氧金屬蓋帽層的HfO2棧結(jié)構(gòu)在N2氣氛中進(jìn)行3分鐘的700°C快速熱退 火處理，然后利用選擇濕法刻飾未反應(yīng)的吸氧金屬和反應(yīng)產(chǎn)物。Ti金屬薄膜可以阻止退火工作腔內(nèi)氧元素?cái)U(kuò)散到HfO2薄膜中，進(jìn)而抑制界面層生 長(zhǎng)。實(shí)施例二本實(shí)施例描述了實(shí)施例一所述的Al2O3阻擋層的詳細(xì)生長(zhǎng)過(guò)程，該過(guò)程包括以下 步驟(1)選取電阻率大于1000 Ω · cm的注氧隔離方法形成的HRSOI片，用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn) 工藝清洗后切成若干小片，在稀釋的HF酸中浸泡1分鐘去除HRSOI片表面的SiO2,放入超 高真空電子束蒸發(fā)腔內(nèi)；(2) HRSOI片加熱到300°C后，通過(guò)電子束蒸發(fā)Al2O3陶瓷靶，原位生長(zhǎng)Inm的Al2O3 薄膜；(3)電子束蒸發(fā)HfO2陶瓷靶，形成5nm的非晶HfO2高k柵介質(zhì)薄膜；(4)在N2氣氛保護(hù)下700°C快速退火3分鐘。本實(shí)施例所述的Al2O3阻擋層提高了 HfO2的結(jié)晶溫度，抑制了界面層的生長(zhǎng)，改善 了 HRSOI與高k柵介質(zhì)的界面平滑度。由圖1可以看出Al2O3阻擋層抑制了 Si元素的擴(kuò) 散，控制了硅酸鹽和硅酸化物的形成。由圖2可以看出具有Al2O3阻擋層的樣品電容率相對(duì)提高，平帶電壓相對(duì)偏移量小，這說(shuō)明有Al2O3阻擋層(with BL)的樣品的界面層厚度減小， 而且界面態(tài)密度降低，同時(shí)也說(shuō)明在HRSOI襯底和HfO2薄膜之間插入一層Al2O3阻擋層的 方法有利于提高柵介質(zhì)的電學(xué)性能。圖2的橫坐標(biāo)為柵偏置電壓(Gate bias)，縱坐標(biāo)為電 ^ (Capacitance)。實(shí)施例三本實(shí)施例描述了實(shí)施例一所述的吸氧金屬蓋帽層的詳細(xì)生長(zhǎng)過(guò)程，該過(guò)程包括以 下步驟(1)選取電阻率大于1000 Ω · cm的注氧隔離方法形成的HRSOI片，用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn) 工藝清洗后切成若干小片，在稀釋的HF酸中浸泡1分鐘去除表面SiO2，放入超高真空電子 束蒸發(fā)腔內(nèi)；(2)HRSOI片加熱到300°C，通過(guò)電子束蒸發(fā)HfO2陶瓷靶，形成5nm的非晶HfO2高 k柵介質(zhì)薄膜，然后電子束蒸發(fā)Ti金屬靶，原位形成30nm的Ti金屬蓋帽層；(3)然后在N2氣氛保護(hù)下700°C快速退火3分鐘，利用濕法選擇刻蝕掉未反應(yīng)的 Ti、反應(yīng)產(chǎn)物TiN以及Ti02。圖3顯示了吸氧金屬蓋帽層保護(hù)下退火樣品(annealed)和原位樣品 (as-deposited)的高分辨X射線反射率測(cè)量曲線和擬合曲線，框圖為擬合模型。由圖 3可知，原位生長(zhǎng)的樣品有2nm厚的界面層，該界面層分別由0.5nm HfAlSiO和1. 5nm Six(Si02)1_x(x<2)組成。在吸氧金屬蓋帽層保護(hù)下退火的樣品的界面層僅由l.Onm的 SiO2組成。這說(shuō)明吸氧金屬蓋帽層不僅抑制了退火過(guò)程中外界氧元素向薄膜內(nèi)部的擴(kuò)散， 同時(shí)使界面層分解，釋放出氧元素，形成類似于Si02/Si理想界面的結(jié)構(gòu)。圖4顯示了吸氧金屬蓋帽層保護(hù)下退火樣品和原位樣品的電學(xué)性能；其中圖(a) 表示電容曲線，圖(b)表示泄漏電流曲線。由圖4可見(jiàn)退火后樣品的最大積累電容增大，積 累與耗盡區(qū)之間曲線陡峭，而且泄漏電流降低。這說(shuō)明柵介質(zhì)的等效柵氧厚度減小，柵介質(zhì) 薄膜更加致密，界面態(tài)密度減小，這與圖3的結(jié)果是一致的，這說(shuō)明在HfO2柵介質(zhì)薄膜上原 位沉積吸氧金屬蓋帽層有利于提高柵介質(zhì)的熱穩(wěn)定性和電學(xué)性能。本發(fā)明所述方法改善了高k柵介質(zhì)的電學(xué)性能，其體現(xiàn)在抑制了界面層生長(zhǎng)，有 利于高k柵介質(zhì)等效柵氧厚度的減薄。沒(méi)有Al2O3阻擋層的樣品，界面層厚度大于3nm，且厚 度不均勻；而有Al2O3阻擋層的樣品，界面層厚度明顯減小，控制在Inm左右，且厚度均勻。本發(fā)明所述方法提高了高k柵介質(zhì)的熱穩(wěn)定性，其體現(xiàn)在提高了高k柵介質(zhì)的結(jié) 晶溫度。有Al2O3阻擋層的HfO2薄膜在700°C高溫退火之后仍然是非晶的，這有利于減小泄 漏電流；抑制了鉿基酸化物和鉿基硅酸鹽的生長(zhǎng)，使界面層主要由低缺陷密度的SiO2層構(gòu) 成；HRSOI與高k介質(zhì)薄膜之間的界面粗糙度明顯降低，這有利于提高半導(dǎo)體器件的載流子 遷移率，減小界面態(tài)密度，進(jìn)而減小泄漏電流和平帶電壓漂移，提高HfO2柵介質(zhì)的電容率。本發(fā)明采用超高真空電子束蒸發(fā)方法實(shí)現(xiàn)阻擋層、高k柵介質(zhì)層和吸氧金屬蓋帽 層原位生長(zhǎng)，避免了傳統(tǒng)硅襯底中采用多種方法制備帶來(lái)的工藝污染和復(fù)雜性。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例 中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí) 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明 的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟步驟一，將高阻SOI襯底進(jìn)行預(yù)處理，然后裝入薄膜沉積腔內(nèi)；步驟二，在高阻SOI襯底的上表面原位生長(zhǎng)厚度不大于1nm的Al2O3薄膜；步驟三，在所述Al2O3薄膜上原位生長(zhǎng)厚度不大于30nm的HfO2薄膜；步驟四，在所述HfO2薄膜上原位沉積吸氧金屬蓋帽層；步驟五，退火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于所述薄膜沉積腔為超高真空電子束蒸發(fā)腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于步驟一中，所述預(yù)處理的具體方法為利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝對(duì)所述高阻SOI襯底進(jìn)行 清洗，然后將清洗后的高阻SOI襯底放在稀釋的HF中浸泡1分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于步驟二中，所述Al2O3薄膜的詳細(xì)生長(zhǎng)方法為將所述高阻SOI襯底加熱到300°C后， 通過(guò)超高真空電子束蒸發(fā)Al2O3陶瓷靶，在所述高阻SOI襯底的原位生長(zhǎng)Al2O3薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于步驟三中，所述HfO2薄膜的詳細(xì)生長(zhǎng)方法為通過(guò)超高真空電子束蒸發(fā)HfO2陶瓷靶， 在所述Al2O3薄膜的原位形成HfO2薄膜，所述HfO2薄膜為非晶HfO2高k柵介質(zhì)薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于步驟四中，所述吸氧金屬蓋帽層的詳細(xì)生長(zhǎng)方法為通過(guò)電子束蒸發(fā)金屬靶，在所述 HfO2薄膜的原位形成吸氧金屬蓋帽層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于所述金屬靶為Ti金屬靶，所述吸氧金屬蓋帽層為Ti金屬蓋帽層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于步驟四中，所述吸氧金屬蓋帽層形成后，利用選擇濕法刻飾未反映的吸氧金屬和反映 產(chǎn)物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于步驟五中，所述退火處理的方法為在隊(duì)氣氛中進(jìn)行3分鐘的700°C快速熱退火處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，其特征 在于所述Al2O3薄膜和HfO2薄膜的生長(zhǎng)溫度均保持在300°C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改善高阻SOI襯底上高介電常數(shù)柵介質(zhì)性能的方法，該方法包括以下步驟步驟一，將高阻SOI襯底進(jìn)行預(yù)處理，然后裝入薄膜沉積腔內(nèi)；步驟二，在高阻SOI襯底的上表面原位生長(zhǎng)厚度不大于1nm的Al2O3薄膜；步驟三，在所述Al2O3薄膜上原位生長(zhǎng)厚度不大于30nm的HfO2薄膜；步驟四，在所述HfO2薄膜上原位沉積吸氧金屬蓋帽層；步驟五，退火處理。本發(fā)明抑制了界面層生長(zhǎng)，有利于高k柵介質(zhì)等效柵氧厚度的減薄，提高了高k柵介質(zhì)的結(jié)晶溫度，減少了界面層厚度和界面態(tài)密度，改善了高阻SOI上高k柵介質(zhì)的電學(xué)性能。
文檔編號(hào)H01L21/283GK101924030SQ201010231639
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20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;上海新傲科技股份有限公司