專利名稱：一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法
技術領域：
本發明屬于無機非金屬材料加工工藝及其應用，尤其涉及采用射頻磁控濺射制備高k柵介質薄膜的工藝方法。
背景技術：
隨著超大規模集成電路集成度的提高，半導體器件的特征尺寸按摩爾定律不斷縮小。高性能CMOS器件的柵介質層等效氧化物厚度(EOT)縮小至Inm以下時，傳統SW2柵介質受隧穿效應的影響，柵漏電流過大，因此需要尋找能夠在保持和增大柵極電容的同時， 使柵介質層仍保持足夠物理厚度的新型高k柵介質材料來限制隧穿效應的影響。HfO2因具有較高的介電常數、較大的禁帶寬度和良好的熱穩定性，很有希望成為替代傳統SiA的新型高k材料。但由于HfO2結晶溫度較低(約為400°C -600°C )，結晶態 HfO2柵介質薄膜對器件性能具有不利影響。為提高HfO2薄膜的結晶化溫度，研制與開發以 HfO2為基的多元系柵介質薄膜材料是有效途徑之一。

發明內容
本發明的目的是采用射頻反應磁控濺射技術，制備出具有高的結晶溫度的理想的HfLaO薄膜。本發明采用如下技術方案一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，以單晶硅片為襯底，包括襯底清洗和薄膜沉積的步驟，襯底的清洗為本領域技術人員所熟知的常規操作，在此不做贅述，所述薄膜沉積的步驟是采用射頻磁控濺射技術，金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，調節金屬La靶的濺射入射功率，其范圍為40 100w，室溫下在襯底單晶硅片上同時濺射沉積2小時，得到 HfLaO薄膜；所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子總量(即[La/ (La+Hf)])的比為17 37%。本發明，濺射時Hf靶和La靶的靶面法線方向分別與單晶硅片的法線方向成45°。本發明，濺射真空室抽至本底真空度為8. 0 X IO-4Pa,以Ar和仏的混合氣氛作為反
應氣氛；本發明，所述Ar的表觀質量流量為30cm7min，O2的表觀質量流量為5cm7min。本發明，濺射時的工作氣壓為lPa。本發明，所述金屬Hf靶和金屬La靶的純度為99. 99%。本發明，所述襯底單晶硅片為η型(100)取向的單晶硅片。稀土氧化物La2O3電學性能優越，具有較高的介電常數(k 30)、寬的帶隙 (5. 8eV)、大的導帶偏移量(2. 3eV)且結晶溫度較高(大約1100°C )，在HfO2中摻入稀土元素La后形成Hf(H)LiixOy薄膜，可提高HfO2的結晶溫度。本發明的核心在于采用射頻磁控濺射技術，在Ar、O2混合氣體中，通過調節La、Hf兩種金屬靶材的入射功率，較好地控制薄膜中La/Hf原子比，其中，金屬La的含量控制在 17 37%，從而在半導體襯底材料上沉積具有高的結晶溫度和熱學穩定性、表面平整、結構致密的非晶態HfLaO柵介質薄膜作為高介電柵介質薄膜材料。相比于現有技術，本發明采用射頻磁控濺射工藝方法制備的沉積態HfLaO薄膜為理想的非晶態結構，結晶化溫度高，薄膜經900°C高溫退火后仍為非晶態，具有優良的熱穩定性，非晶薄膜表面非常平整，表面粗糙度僅為0. 7nm,結構致密，薄膜的&為5. 77eV 5. 9eV，是以HfO2為基礎的理想的多元系高介電柵介質薄膜材料。


圖1為不同La摻入量的HfLaO薄膜XRD圖譜；圖 2 為 900-950°C退火 HfLaO(La ^ 37% )XRD 圖譜；圖3為HfLaO薄膜AFM形貌和表面粗糙度。
具體實施例方式下面的實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。實施例中采用的主要設備為JGPG450型高真空磁控濺射系統。實施例1一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf (鉿)靶和金屬La(鑭)靶，采用射頻磁控濺射技術，調節金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為 40w,室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質薄膜，其中[La/La+Hf] 原子含量比為17% ；濺射時，Hf靶和La靶的靶面法線方向分別與單晶Si襯底的法線方向成45°左右；濺射真空室抽至本底真空度8. OX 10_4Pa，Ar和O2表觀質量流量分別為30Cm7min、5Cm7 min ；濺射過程中的工作氣壓均為IPa ；沉積時間為2小時；沉積溫度為室溫。實施例2一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf靶和金屬La靶，采用射頻磁控濺射技術，調節金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為60w，室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比為25% ；其它工藝過程與工藝參數同實施例1。實施例3一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf靶和金屬La靶，采用射頻磁控濺射技術，調節金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為80w，室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比為33% ；其它工藝過程與工藝參數同實施例1。實施例4
一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，在Ar和O2混合氣氛下，在η型(100) 取向的單晶Si襯底上，使用純度均為99. 99%金屬Hf靶和金屬La靶，采用射頻磁控濺射技術，調節金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率變化為100w，室溫條件下，Hf靶和La靶進行濺射共沉積，得到HfLaO柵介質薄膜，其中[La/La+Hf]原子含量比為37% ；其它工藝過程與工藝參數同實施例1。對于柵介質材料而言，最理想的結晶學狀態為非晶結構。圖1為原位沉積的不同 La摻入量的HfLaO薄膜的X射線衍射譜圖，可見，原位沉積的氧化鑭薄膜為非晶結構，而原位沉積的HfO2薄膜已經結晶，與標準粉末衍射圖譜(JCPDS No. 74-1506)相比，位于2 θ =24. 28° ,28. 26° ,31. 38° ,34. 36°、50. 18和55. 56°處的衍射峰分別歸屬于單斜相 Hi-HfO2 的(110)、(-111)、(111)、(002)、(220)和(013)晶面。當薄膜中 La 摻入量為 17% 時，雖然HfLaO薄膜也發生結晶現象，但是發生相變，生成具有螢石結構立方相c-LaHfOx。 當La摻入量從25%變化到37%時，隨著La摻入量的增加，在譜圖上除Si基片(200)衍射峰外沒有任何特征衍射峰出現，說明薄膜未結晶，薄膜結構呈非晶態。薄膜熱學穩定性測定是將沉積的薄膜在氮氣氣氛中進行退火處理，退火溫度范圍為700°C 950°C，升溫速率為15°C/min，退火時間為30min，退火后自然冷卻至室溫。如圖 2所示，La摻入量為37%，退火溫度達到900°C時，HfLaO薄膜仍呈現非晶態。AFM形貌分析顯示，不同La摻入量對HfLaO薄膜表面形貌有很大的影響，如圖3可見，隨著La摻入量的增加，表面島尺寸明顯減小，島密度增大。統計表明，2X2 μ m2范圍內薄膜的表面粗糙度逐漸降低，其中沉積態HfLaO薄膜(La 37%)的表面粗糙度RMS僅為 0. 7nm。可見，當La摻入量為25 37%時，薄膜結構為非晶態，表面島尺寸較小，表面平整。光學性能測試分析結果表明，當入射光λ = 632. 8nm時，沉積態HfLaO薄膜的折射率(η為1. 77 1. 87)高于沉積態HfO2薄膜的折射率(n = 1. 76)。薄膜折射率與結構致密性密切相關，高的折射率對應于更加致密的膜層。由于沉積態HfO2薄膜經常呈現疏松的柱狀結構，薄膜折射率較低，而在HfLaO復合薄膜中摻入適量的La會使疏松的柱狀結構得到一定程度的改善，從而提高薄膜折射率，獲得更加致密的柵介質薄膜材料。
權利要求
1.一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，以單晶硅片為襯底，包括襯底清洗和薄膜沉積的步驟，其特征在于，所述薄膜沉積的步驟是采用射頻磁控濺射技術，金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率為40 100w，室溫下在襯底單晶硅片上同時濺射沉積2小時，得到HfLaO薄膜；所述HfLaO薄膜中，La原子含量占La原子和Hf原子總量的比為17 37%。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，濺射時Hf靶和La靶的靶面法線方向分別與單晶硅片的法線方向成45°，在固定Hf靶的濺射入射功率的情況下，通過調節La靶的濺射入射功率，得到HfLaO薄膜。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，濺射真空室抽至本底真空度為 8.0X10-4Pa,以Ar和仏的混合氣氛作為反應氣氛；所述Ar的表觀質量流量為30cm3/min，O2的表觀質量流量為5cm3/min。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，濺射時的工作氣壓為lPa。
5.根據權利要求1 4中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述金屬Hf靶和金屬La靶的純度為99. 99%。
6.根據權利要求1 4中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述襯底單晶硅片為η型取向的單晶硅片。
全文摘要
一種制備HfLaO高介電柵介質薄膜的方法，以單晶硅片為襯底，包括襯底清洗和薄膜沉積的步驟，所述薄膜沉積的步驟是采用射頻磁控濺射技術，金屬Hf靶的濺射入射功率為120w，金屬La靶的濺射入射功率為40～100w，室溫下在襯底單晶硅片上同時濺射沉積2小時，得到HfLaO薄膜。本發明通過調節La、Hf兩種金屬靶材的入射功率，較好地控制薄膜中La/Hf原子比，從而在半導體襯底材料上沉積具有高的結晶溫度和熱學穩定性、表面平整、結構致密的非晶態HfLaO柵介質薄膜作為高介電柵介質薄膜材料。
文檔編號H01L21/283GK102437040SQ20111036655
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者李智 申請人:大連大學