一种高k薄膜MOS结构及其制备和检测方法技术

本发明专利技术公开了一种高k薄膜MOS结构及其制备和检测方法，所述MOS结构包括高k栅介质薄膜，所述薄膜由稀土靶材和钛靶材在含氧气体中溅射在衬底上得到。所述MOS结构的制备方法包括：清洗衬底，对靶材进行预处理；通入含氧气体，在衬底上溅射得到高k栅介质薄膜；在所述高k栅介质薄膜和衬底上溅射电极，得到所述MOS结构；对制备得到的MOS结构进行退火处理。所述检测方法是将高k栅介质薄膜溅射到石英衬底上，采集光谱进行禁带宽度检测。本发明专利技术所述制备方法简单，易于实现，制得的MOS结构具备优良的电学和光学性能；检测方法直观、操作方便。

【技术实现步骤摘要】
一种高k薄膜MOS结构及其制备和检测方法
本专利技术属于微电子领域，具体涉及MOS结构，特别涉及一种高k薄膜MOS结构及其制备和检测方法。
技术介绍
随着半导体技术的飞速发展，微纳电子制造技术越来越向高能、多功能、大容量和微型化方向发展，半导体芯片的集成度越来越高，晶体管尺寸也越来越小。目前，随着集成电路线宽缩小至28nm的技术节点的出现，传统SiO2栅介质薄膜出现了可靠性下降的问题，越来越多的研究者开始寻找新型高k栅介质材料替代SiO2来提高集成度。但是，现有技术中替代SiO2的栅介质材料的介电常数、导带偏移量及高温稳定性等性能均不理想，而且具有高介电常数(高k)的栅介质材料常常具有较小的禁带宽度，无法满足微电子领域中28nm线宽以下高端集成电路的需求。因此，目前亟需解决的问题是提供一种具有高介电常数、低漏电流密度和宽禁带宽度的栅介质材料及利用其的MOS结构。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，结果发现：采用稀土靶材和钛靶材在含氧气氛中溅射得到高k栅介质薄膜，将其制成MOS结构后进行退火处理，得到的MOS结构具有较小的漏电流密度、较大的介电常数和较宽的禁带宽度；同时将高k栅介质薄膜溅射在石英玻璃衬底上，然后采集吸收光谱，可以直观测定出薄膜的禁带宽度，操作简单方便，从而完成了本专利技术。具体来说，本专利技术的目的在于提供以下方面：第一方面，本专利技术提供了一种高k薄膜MOS结构，其中，所述高k薄膜MOS结构包括高k栅介质薄膜，所述薄膜由稀土靶材和钛靶材在含氧气体中溅射在衬底上得到。第二方面，本专利技术提供了一种第一方面所述高k薄膜MOS结构的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：步骤1，清洗衬底，对靶材进行预处理；步骤2，通入含氧气体，在衬底上溅射得到高k栅介质薄膜；步骤3，在所述高k栅介质薄膜和衬底上溅射电极，得到所述MOS结构；优选地，在步骤3之后还包括以下步骤：步骤4，对制备得到的MOS结构进行退火处理。第三方面，本专利技术提供了一种用于检测第一方面所述MOS结构的禁带宽度的方法，优选用于检测MOS结构中高k栅介质薄膜的禁带宽度，其中，所述检测方法包括以下步骤：步骤I，清洗衬底，对靶材进行预处理；步骤II，通入含氧气体，在衬底上溅射得到高k栅介质薄膜；步骤III，采集薄膜的吸收光谱，检测禁带宽度。本专利技术所具有的有益效果包括：(1)本专利技术所述的高k薄膜MOS结构，具有较高的禁带宽度、介电常数及较低的漏电流密度，耐高温性能较好；(2)本专利技术所述的高k薄膜MOS结构的制备方法，操作简单，条件易控，易于大规模生产；(3)本专利技术所述的高k薄膜MOS结构的制备方法，对MOS结构进行退火处理，能够补充薄膜中氧空位缺陷，提高薄膜的综合性能；(4)本专利技术所述的高k栅介质薄膜禁带宽度的检测方法，可以进行直观测量，简单易控，测量准确。附图说明图1示出本专利技术实施例1、5～7及对比例1中制备的产品的C-V特性曲线；图2示出本专利技术实施例1、5～7及对比例1中制备的产品的I-V特性曲线；图3示出本专利技术实施例1、5～7及对比例1中制备的产品的负平带偏移电压Vfb、氧化电荷密度Qox与介电常数k的变化曲线；图4示出本专利技术实施例2、8～11中制备的产品的(αhυ)2-hυ曲线。具体实施方式下面通过优选实施方式和实施例对本专利技术进一步详细说明。通过这些说明，本专利技术的特点和优点将变得更为清楚明确。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。第一方面，本专利技术提供了一种高k薄膜MOS结构，其中，所述高k薄膜MOS结构包括高k栅介质薄膜，所述薄膜由稀土靶材和钛靶材在含氧气体中溅射在衬底上得到。其中，所述薄膜为非晶氧化物薄膜，所述衬底为半导体衬底，优选为硅、砷化镓、磷化铟或锑化镓单晶片中的一种或多种。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述薄膜的厚度为15～25nm，优选为17～22nm，更优选为20nm。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述稀土靶材为镧、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钆或钇靶材中的一种或多种。在进一步优选的实施方式中，所述稀土靶材为镧、钐、铽、钪、钆或钇靶材中的一种或多种。在更进一步优选的实施方式中，所述稀土靶材为钆靶材。本专利技术人经过研究发现，稀土氧化物具有较高的介电常数和较宽的禁带宽度，而二氧化钛的介电常数高达80，将稀土氧化物与二氧化钛掺杂能够显著提高制备的栅介质薄膜材料的介电常数和禁带宽度，且能够提高薄膜与衬底接触的稳定性，阻止界面层的产生。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述含氧气体包括氧气和惰性气体。在进一步优选的实施方式中，所述惰性气体与氧气的流量比为(20～40)：10，优选为(25～35)：10，更优选为30:10。在更进一步优选的实施方式中，所述惰性气体为氩气。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述MOS结构还包括溅射在薄膜上层和衬底底层的金属电极。在进一步优选的实施方式中，所述金属电极选自金、银和钯电极中的一种或多种。在更进一步优选的实施方式中，所述金属电极为金电极。第二方面，本专利技术提供了一种高k薄膜MOS结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，清洗衬底，对靶材进行预处理。在本专利技术中，优选选择P型(100)，电阻率为1～10Ω·cm的单晶硅片为衬底，硅片大小优选为15mm×15mm。在本专利技术中，为了获得优质的薄膜，首先要清洗硅衬底，除去硅衬底表面的天然氧化层，得到清洁、平整的硅表面。其中，所述衬底的清洗包括以下步骤：(1)将硅片置于去离子水中进行超声处理5～15min，优选为7～12min；(2)在浓硫酸和双氧水的混合溶液中(体积比为2～4:1)煮沸10～20min，优选为12～18min；此步处理能够去除硅片表面的有机物；(3)用去离子水冲洗后，采用HF溶液清洗(例如浓度为10％的HF溶液)清洗20～40s，如30s；(4)用去离子水冲洗，然后在浓硝酸中煮沸1～5min(例如3min)；(5)用去离子水冲洗，并依次重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(3)；(6)用去离子水冲洗，在氨水和双氧水的混合水溶液(例如NH4OH:H2O2:H2O＝1:1.5:5)中煮沸2～8min(例如4min)；(7)重复步骤(3)，然后去离子水冲洗，再在浓HCl:H2O＝3:1混合溶液中煮沸；(8)向步骤(7)混合溶液中加入与浓HCl等量的H2O2；(9)去离子水冲洗，氮气吹干硅片。在本专利技术中，优选选择磁控溅射设备制备高k栅介质薄膜，将氮气吹干后的硅片迅速放入磁控溅射设备的真空腔内。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述靶材为稀土靶材和钛靶材，所述稀土靶材为镧、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钆或钇靶材中的一种或多种，优选为镧、钐、铽、钪、钆或钇靶材中的一种或多种，更优选为钆靶材。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述预处理包括以下步骤：步骤1-1，对靶材进行初步清洁。本专利技术人经过研究发现，现有技术中的陶瓷靶在进行磁控溅射的过程中容易受热开裂，因此在本专利技术中优选选择金属靶材。在本专利技术中，所述初步清洁指的是用细砂纸细致打磨金属靶材，以去除靶材表面天然形成的氧化皮。步骤1-2，将靶材安装至靶位，并抽真空。其中，将打磨好的靶材安装在靶位上，调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高k薄膜MOS结构，其特征在于，所述高k薄膜MOS结构包括高k栅介质薄膜，所述薄膜由稀土靶材和钛靶材在含氧气体中溅射在衬底上得到。

【技术特征摘要】
1.一种高k薄膜MOS结构，其特征在于，所述高k薄膜MOS结构包括高k栅介质薄膜，所述薄膜由稀土靶材和钛靶材在含氧气体中溅射在衬底上得到。2.根据权利要求1所述的MOS结构，其特征在于，所述稀土靶材为镧、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钆或钇靶材中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的MOS结构，其特征在于，所述含氧气体包括氧气和惰性气体，所述惰性气体与氧气的流量比为(20～40)：10。4.一种权利要求1至3之一所述高k薄膜MOS结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，清洗衬底，对靶材进行预处理；步骤2，通入含氧气体，在衬底上溅射得到高k栅介质薄膜；步骤3，在所述高k栅介质薄膜和衬底上溅射电极，得到所述MOS结构；优选地，在步骤3之后还包括以下步骤：步骤4，对制备得到的MOS结构进行退火处理。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1包括以下子步骤：步骤1-1，对靶材进行初步清洁；...

【专利技术属性】
技术研发人员：武燕庆，李栓，傅凯，林友宇，郑捷，李星国，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11