基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构及制备方法，主要解决传统高K金属栅结构栅氧化层介电常数低和栅极金属向栅氧化层扩散的问题。该高K金属栅结构在Si衬底上自下而上包含La基高k栅介质薄膜(1)、TiN阻挡层(2)、Ti氧元素吸附层(3)以及重金属Pt栅电极(4)，其中La基高k栅介质薄膜采用厚度为4‑10nm的La

High K metal grid structure of La based dielectric material based on Si substrate and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of Si substrate La based dielectric materials with high K metal gate structure and system based, mainly to solve the traditional high K metal gate structure of gate oxide layer of low dielectric constant and gate metal to gate oxide diffusion problems. La contains high k gate dielectric films from the high K metal gate structure on Si substrate (1), TiN (2), Ti barrier layer of oxygen adsorption layer (3) and Pt heavy metal gate electrode (4), the La high k gate dielectric film with a thickness of 4 10nm La

【技术实现步骤摘要】
基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构及制备方法
本专利技术属于半导体材料与器件
，特别涉及一种高K金属栅结构及制备方法，可用于制造高介电性能的金属氧化物半导体场效应晶体管，和大规模集成电路的生产与制备。
技术介绍
随着集成电路的集成度不断减小，金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的尺寸不断减小，相应的栅氧化物厚度也不断减小。截止到2005年，65nm的光刻技术已经趋于成熟，在高性能的场效应晶体管器件中作为栅电介质膜的SiO2层的厚度已减至1nm左右，即仅为几个原子层的间距。随着氧化物厚度的不断减少，由电子隧穿引起的漏电呈指数增长，由此引起的高功耗和可靠性问题越来越严峻，同时过薄的栅氧化物也不足以挡住栅介质和晶圆中杂质的扩散，会造成阈值电压漂移，影响器件性能。为了解决上述问题，Intel公司在2007年改进65nm工艺，采用高k栅介质材料HfO2取代传统栅电介质膜SiO2层，由高k栅氧化层+金属栅极结构取代传统的SiO2+多晶硅栅极结构已被应用于其MOSFET工艺中。高介电常数材料在保持电容密度不变的同时可以有较大的物理厚度，解决了SiO2因为接近物理厚度极限而产生的漏电及可靠性等问题。然而HfO2的相对介电常数仅约为14，随着器件尺寸的持续等比例缩小，HfO2已经不能满足集成电路发展的需求，需要引入介电常数更大的栅介质材料。稀土金属氧化物中最具代表性的La系化合物，如La2O3、LaAlO3、HfLaOx和LaLuO3等，因其拥有大于5.5eV的禁带宽度、高的栅极击穿场强、介电常数为25和良好的热稳定性，将成为下一代最有希望的高介电常数材料之一。但是由于晶圆Si在La基高k栅介质薄膜中的高扩散系数，会很容易形成低介电常数的界面层，这样就会增大等效氧化层厚度，恶化器件界面特性。另一方面，传统的高K金属栅结构直接在高k栅氧化层之上淀积重金属作为栅电极导电层，由于重金属离子会向高k栅氧化层扩散，且会在高k栅氧化层中引入杂质，将严重影响高K金属栅结构的总体质量，增大栅极漏电流，从而影响器件的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构及制备方法，以减小La基高k栅介质薄膜与晶圆界面处界面层的厚度，减弱重金属离子在高k栅氧化层中的扩散，从而改善高K金属栅结构的电学特性，提高器件的可靠性。为实现上述目的，本专利技术基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构，在Si衬底上自下而上包括La基高k栅介质薄膜和重金属Pt栅电极(4)，其特征在于：La基高k栅介质薄膜(1)与重金属Pt栅电极(4)之间增设有TiN阻挡层(2)和Ti氧元素吸附层(3)；该TiN阻挡层(2)的厚度为2-3nm，位于La基高k栅介质薄膜(1)之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向La基高k栅介质薄膜(1)扩散；该Ti氧元素吸附层(3)厚度为4-6nm，位于TiN阻挡层(2)之上，以在热退火工艺过程中吸附La基高k栅介质薄膜(1)与晶圆Si界面处的氧元素。为实现上述目的，本专利技术基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构的制作方法，包括如下步骤：(1)对Si晶圆进行清洗；(2)采用原子层淀积方法在Si晶圆上淀积厚度为4-10nm的La2O3或LaAlO3或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3的La基高k栅介质薄膜；(3)将淀积La基高k栅介质薄膜的基片在500-700℃真空氛围下进行60-90s快速热退火；(4)热退火后，采用电子束蒸镀法在La基高k栅介质薄膜上淀积2-3nm厚的TiN薄膜；(5)采用磁控溅射方法在TiN薄膜上淀积4-6nm厚的金属Ti薄膜；(6)采用磁控溅射方法在金属Ti薄膜上淀积100-150nm厚的金属Pt薄膜；(7)采用光刻工艺处理淀积的金属Pt薄膜，形成栅电极，得到La基高k栅介质材料的高K金属栅结构；(8)将La基高k栅介质材料的高K金属栅结构在300-500℃的97％N2/3％H2混合气体氛围中退火20-30分钟，完成对基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构的制备过程。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术采用La基高k栅介质材料作为栅氧化层，由于La基高k栅介质材料的介电常数比HfO2高出近1倍，因而可增大整体栅氧化层的介电常数，在等效氧化层厚度小于1nm时能保证栅氧化层具有较大的物理厚度，减小了由直接隧穿导致的栅极泄漏电流和器件的功耗；2.本专利技术采用TiN薄膜作为阻挡层，由于TiN在高温下化学稳定性好，不与Pt等金属反应，并具有良好的导电性，因而可以阻挡后续Pt金属淀积及热退火工艺中金属Pt向栅氧化层的扩散。3.本专利技术采用金属Ti薄膜作为氧元素吸附层，由于金属Ti与氧元素结合能力明显大于Si，故可在热退火工艺过程中通过远程吸附作用将栅氧化层与晶圆Si界面处的氧元素吸附至金属Ti薄层，从而减少了栅氧化层与晶圆Si界面处的氧元素含量，减薄了界面层厚度。附图说明图1为传统的高K金属栅结构示意图；图2为本专利技术基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构示意图；图3为本专利技术制备基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构的总流程图；图4为本专利技术中制备La2O3薄膜的子流程图；图5为本专利技术中制备Al2O3薄膜的子流程图；图6为本专利技术中制备LaAlO3薄膜的子流程图；图7为淀积一个循环的La2O3的脉冲时间示意图；图8为淀积一个循环的Al2O3的脉冲时间示意图。具体实施方式参照图1，传统的高K金属栅结构在Si衬底上自下而上包括：HfO2栅介质薄膜1和金属Pt栅电极2，其中：HfO2高k栅介质薄膜1的厚度为4-10nm；金属Pt栅电极2的厚度为100-150nm。参照图2，本专利技术基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构，在Si衬底上自下而上包括：La基高k栅介质薄膜1、TiN阻挡层2、Ti氧元素吸附层3以及重金属Pt栅电极4。其中，La基高k栅介质薄膜1厚度为4-10nm，该La基高k栅介质薄膜的材料包括La2O3或LaAlO3或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3，其主要作用是提高栅介质材料的介电常数；TiN阻挡层2厚度为2-3nm，其主要作用是阻挡后续Pt金属淀积及热退火工艺中金属Pt向栅氧化层的扩散；Ti氧元素吸附层3厚度为4-6nm，其主要作用是在热退火工艺过程中通过远程吸附作用将栅氧化层与晶圆Si界面处的氧元素吸附至金属Ti薄层，从而减少栅氧化层与晶圆Si界面处的氧元素含量以减薄界面层厚度；重金属Pt栅电极4厚度为100-150nm，其主要作用是作为导电栅电极。参照图3，以下给出本专利技术基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构的三种实施例。实施例1：制备La2O3高k栅介质材料的高K金属栅结构。步骤1，清洗硅晶圆。1a.用比例为5:1:1的NH4OH，H2O2和H2O配备SC-1溶液，用比例为1:50的HF和H2O配备HF溶液；1b.将Si晶圆片放在温度为75℃的SC-1溶液中一次清洗10分钟，并用去离子水冲洗2分钟，以除去Si片上的有机污染物或附着的颗粒；1c.将在SC-1溶液清洗后的Si晶圆片置于HF溶液中二次清洗60秒，并用去离子水中冲洗，以除去Si晶圆表面的自然氧化层SiO2；1d.将二次清洗后的Si晶圆片放在去离子水中用超声清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构及制备方法，在Si衬底上自下而上包括La基高k栅介质薄膜(1)和重金属Pt栅电极(4)，其特征在于：La基高k栅介质薄膜(1)与重金属Pt栅电极(4)之间增设有TiN阻挡层(2)和Ti氧元素吸附层(3)；该TiN阻挡层(2)的厚度为2‑3nm，位于La基高k栅介质薄膜(1)之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向La基高k栅介质薄膜(1)扩散；该Ti氧元素吸附层(3)厚度为4‑6nm，位于TiN阻挡层(2)之上，以在热退火工艺过程中吸附La基高k栅介质薄膜(1)与晶圆Si界面处的氧元素。

【技术特征摘要】
1.一种基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构及制备方法，在Si衬底上自下而上包括La基高k栅介质薄膜(1)和重金属Pt栅电极(4)，其特征在于：La基高k栅介质薄膜(1)与重金属Pt栅电极(4)之间增设有TiN阻挡层(2)和Ti氧元素吸附层(3)；该TiN阻挡层(2)的厚度为2-3nm，位于La基高k栅介质薄膜(1)之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向La基高k栅介质薄膜(1)扩散；该Ti氧元素吸附层(3)厚度为4-6nm，位于TiN阻挡层(2)之上，以在热退火工艺过程中吸附La基高k栅介质薄膜(1)与晶圆Si界面处的氧元素。2.根据权利要求书1所述的结构，其特征在于La基高k栅介质薄膜，采用La2O3或LaAlO3或La2O3/Al2O3叠层结构或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3材料。3.一种基于Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构的制备方法，包括如下步骤：(1)对Si晶圆进行清洗；(2)采用原子层淀积方法在Si晶圆上淀积厚度为4-10nm的La2O3或LaAlO3或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3的La基高k栅介质薄膜；(3)将淀积La基高k栅介质薄膜的基片在500-700℃真空氛围下进行60-90s快速热退火；(4)热退火后，采用电子束蒸镀法在La基高k栅介质薄膜上淀积2-3nm厚的TiN薄膜；(5)采用磁控溅射方法在TiN薄膜上淀积4-6nm厚的金属Ti薄膜；(6)采用磁控溅射方法在金属Ti薄膜上淀积100-150nm厚的金属Pt薄膜；(7)使用光刻工艺处理带有金属Pt薄膜的样品，使样品上淀积的金属Pt薄膜形成栅电极；(8)将形成栅电极的样品在300-500℃的97％N2/3％H2混合气体氛围中退火20-30分钟，完成Si衬底的La基介质材料高K金属栅结构的制备过程。4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(1)中对Si晶圆进行清洗，按如下步骤进行：(1.1)用比例为5:1:1的NH4OH，H2O2和H2O配备SC-1溶液，用比例为1:50的HF和H2O配备HF溶液；(1.2)将Si晶圆片放在温度为75℃的SC-1溶液中一次清洗10分钟，并用去离子水冲洗2分钟，以除去Si片上的有机污染物或附着的颗粒；(1.3)将在SC-1溶液清洗后的Si晶圆片置于HF溶液中二次清洗60秒，并用去离子水中冲洗，以除去Si晶圆表面的自然氧化层SiO2；(1.4)将二次清洗后的Si晶圆片放在去离子水中用超声清洗5分钟，以除去表面的吸附颗粒，再用去离子水冲洗2分钟，并用高纯氮气吹干。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中用原子层淀积方法在清洗后的Si晶圆上淀积La基高k栅介质薄膜，按如下步骤进行：(2.1)在超净室内环境下，将清洗后的Si晶圆放入原子层淀积设备反应腔，再将腔体压强抽真空至9-20hPa，将温度加热到290-310℃，设定吹洗所用的氮气流量为150sccm，根据生长的La基高k栅介质薄膜的材料类型和厚度设定淀积La2O3的循环次数m和淀积Al2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红侠，汪星，赵璐，冯兴尧，王永特，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61