基于Ge衬底的铪基铝酸盐高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Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构及制备方法。主要解决传统氧化铪高K金属栅结构栅氧化层结晶温度低、栅氧化层/衬底界面层厚度大，及栅极金属离子向栅氧化层扩散的问题。该高K金属栅结构自下而上包含Ge衬底(1)、厚度为4‑10nm的铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)、厚度为2‑3nm的TiN阻挡层(3)、厚度为4‑6nm的Ti氧元素吸附层(4)以及厚度为100‑150nm重金属Pt栅电极(5)，其中，铪基铝酸盐高k栅介质薄膜采用HfAlO

Hafnium based aluminate high K metal grid structure based on Ge substrate and preparation method thereof

The invention discloses a hafnium base aluminate high K metal grid structure based on a Ge substrate and a preparation method thereof. The problems of low oxidation temperature, large thickness of gate oxide / substrate interface layer and diffusion of gate metal to gate oxide are mainly solved by conventional HfO2, high K metal gate structure and gate oxide. The high K metal gate structure bottom comprises a Ge substrate (1), the thickness of hafnium based aluminate high k gate dielectric film 4 10nm (2), a thickness of 2 3nm TiN barrier layer (3), the thickness of Ti 4 6nm oxygen adsorption layer (4) and a thickness of 100 150nm Pt metal gate electrode (5), among them, the high k gate dielectric films using hafnium based aluminate HfAlO

【技术实现步骤摘要】
基于Ge衬底的铪基铝酸盐高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
，特别涉及一种基于Ge衬底的铪基铝酸盐高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。目前硅仍是生产集成电路的主要半导体材料。但是,硅集成电路已接近其物理极限,其速度和集成密度很难进一步大幅度提高。Ge作为最早被研究的半导体材料，至今仍然有很大的发展潜力。Ge与硅相比，其具有较大的电子和空穴迁移率，可用于高频大功率器件中，且Ge的禁带宽度较小，适用于低压电路以减小功耗。然而Ge的自然氧化层GeOx的性能较差且不稳定，使Ge衬底与栅氧化层的界面特性变差，进而恶化栅介质的电学特性。随着器件尺寸的等比例缩小，氧化物厚度不断减薄，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衬底中杂质的扩散，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作为栅介质材料，高K金属栅结构被应用于其MOSFET工艺。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，解决了传统栅介质材料SiO2因为接近物理厚度极限而产生的漏电及可靠性等问题。尽管铪氧化物HfO2已经被应用于集成电路中，然而，无掺杂的HfO2在经过400-450℃高温退火处理后，材料会出现结晶，导致较大的栅泄漏电流，并使得氧空位或者掺杂物通过晶粒边界，向介质内部扩散。相比较与无掺杂的HfO2，在HfO2介质材料中掺入Al组分可以提高介质材料和硅衬底之间的界面稳定性，同时能很大程度的提高介质材料的结晶温度。并且，掺入Al后的介质材料的带隙宽度也会有一定程度的增大。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，重金属离子会向高k栅氧化层扩散，在高k栅氧化层中引入杂质，这会严重影响高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Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构及制备方法，以提高高k栅氧化层的结晶温度，减小铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与Ge衬底界面处的界面层厚度，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，本专利技术的基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构，自下而上包括：Ge衬底、铪基铝酸盐高k栅介质薄膜和重金属Pt栅电极，其特征在于：铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与重金属Pt栅电极之间增设有TiN阻挡层和Ti氧元素吸附层；该TiN阻挡层的厚度为2-4nm，位于铪基铝酸盐高k栅介质薄膜之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向铪基铝酸盐高k栅介质薄膜扩散；该Ti氧元素吸附层的厚度为3-6nm，位于TiN阻挡层之上，用以在热退火工艺过程中吸附铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与Ge衬底界面处的氧元素。为实现上述目的，本专利技术制备基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构的方法，包括如下步骤：1)对Ge衬底进行清洗；2)采用原子层淀积方法在Ge衬底上淀积厚度为6-10nm的HfAlO3或HfO2/Al2O3叠层或Al2O3/HfO2叠层结构的Hf基高k栅介质薄膜；3)将淀积铪基高k栅介质材料的基片在500-600℃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铪基高k栅介质薄膜上淀积2-4nm厚的TiN薄膜；5)采用磁控溅射方法在TiN薄膜上淀积3-6nm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100-200nm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400-500℃的97％N2/3％H2混合气体氛围中退火15-30分钟，完成铪基铝酸盐高k栅介质材料的高k金属栅结构的制备。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术采用Ge作为高K金属栅结构的衬底，由于Ge的空穴迁移率是硅的四倍，电子迁移率是硅的两倍，有助于提高器件运行速度；且其禁带宽度较小，有助于组合介电材料并降低漏电流。2.本专利技术采用铪基铝酸盐高k栅介质材料作为栅氧化层，由于铪基铝酸盐高k栅介质材料具有比HfO2更高的结晶温度，因而可在后续的高温工艺中仍保持非结晶状态，以减小栅极泄漏电流和器件的功耗。3.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，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。4.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Ge，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Ge衬底界面处的氧元素吸附至金属Ti薄层，从而减少栅氧化层与Ge衬底界面处的氧元素含量，以达到减薄界面层厚度的目的。附图说明图1为本专利技术基于Ge衬底的铪基铝酸盐高k金属栅结构示意图；图2为本专利技术制备基于Ge衬底的铪基铝酸盐高k金属栅结构的总流程图；图3为本专利技术中制备HfO2薄膜的子流程图；图4为本专利技术中制备Al2O3薄膜的子流程图；图5为本专利技术中制备HfAlO3薄膜的子流程图；图6为淀积一个循环的HfO2的脉冲时间示意图；图7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，本专利技术基于Ge衬底的铪基铝酸盐高k金属栅结构，自下而上包括：Ge衬底1、铪基铝酸盐高k栅介质薄膜2、TiN阻挡层3、Ti氧元素吸附层4以及重金属Pt栅电极5。其中，铪基铝酸盐高k栅介质薄膜2采用HfAlO3或HfO2/Al2O3叠层结构，厚度为6-10nm，其主要作用是提高栅介质材料的结晶温度；TiN阻挡层3的厚度为2-4nm，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的厚度为3-6nm，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Ge衬底界面处的氧元素吸附至金属Ti薄层，从而减少栅氧化层与Ge衬底界面处的氧元素含量以减薄界面层厚度；重金属Pt栅电极5厚度为100-200nm，其主要作用是作为导电栅电极。参照图2，以下给出本专利技术基于Ge衬底的铪基铝酸盐高k金属栅结构的三种实施例。实施例1：制备以Ge作为衬底，以HfO2/Al2O3叠层结构为高k栅介质材料的高k金属栅结构。步骤1，清洗Ge衬底。1a)用比例为1:50的HF和H2O配备HF溶液；1b)将Ge片放在乙醇中浸泡5分钟，之后将Ge片放入丙酮溶液中，超声清洗5分钟，之后将Ge片放入三氯乙烯溶液中，超声清洗5分钟，然后用乙醇洗净，以除去Ge片表面上的有机污染物或附着的颗粒；1c)将进行过1b)步骤的Ge片在去离子水中冲洗5次，以除去残留的有机溶液；1d)将Ge片在HF溶液中二次清洗30秒，并用去离子水中冲洗30秒，以除去Ge衬底表面的自然氧化层SiO2；1e)重复步骤1c)-步骤1d)共5次，再用去离子水冲洗5分钟，并用99.999％高纯氮气吹干。步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构，自下而上包括：Ge衬底(1)、铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)和重金属Pt栅电极(5)，其特征在于：铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)与重金属Pt栅电极(5)之间增设有TiN阻挡层(2)和Ti氧元素吸附层(4)；该TiN阻挡层(3)的厚度为2‑4nm，位于铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向铪基铝酸盐高k栅介质薄膜扩散；该Ti氧元素吸附层(4)的厚度为3‑6nm，位于TiN阻挡层(3)之上，用以在热退火工艺过程中吸附铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与Ge衬底界面处的氧元素。

【技术特征摘要】
1.一种基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构，自下而上包括：Ge衬底(1)、铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)和重金属Pt栅电极(5)，其特征在于：铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)与重金属Pt栅电极(5)之间增设有TiN阻挡层(2)和Ti氧元素吸附层(4)；该TiN阻挡层(3)的厚度为2-4nm，位于铪基铝酸盐高k栅介质薄膜(2)之上，用以阻挡金属Ti及重金属Pt向铪基铝酸盐高k栅介质薄膜扩散；该Ti氧元素吸附层(4)的厚度为3-6nm，位于TiN阻挡层(3)之上，用以在热退火工艺过程中吸附铪基铝酸盐高k栅介质薄膜与Ge衬底界面处的氧元素。2.根据权利要求书1所述的基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构，其特征在于：铪基铝酸盐高k栅介质薄膜，采用Al2O3/HfO2叠层结构或HfO2/Al2O3叠层结构或HfAlOx材料，其厚度为6-10nm。3.一种基于Ge衬底的铪基铝酸盐高K金属栅结构的制备方法，包括如下步骤：1)对Ge衬底进行清洗；2)采用原子层淀积方法在Ge衬底上淀积厚度为6-10nm的HfAlO3或HfO2/Al2O3叠层或Al2O3/HfO2叠层结构的Hf基高k栅介质薄膜；3)将淀积铪基高k栅介质材料的基片在500-600℃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铪基高k栅介质薄膜上淀积2-4nm厚的TiN薄膜；5)采用磁控溅射方法在TiN薄膜上淀积3-6nm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100-200nm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400-500℃的97％N2/3％H2混合气体氛围中退火15-30分钟，完成铪基铝酸盐高k栅介质材料的高k金属栅结构的制备。4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤1)中对Ge晶圆进行清洗，按如下步骤进行：(1.1)用比例为1:50的HF和H2O配备HF溶液；(1.2)将Ge片放在乙醇中浸泡5分钟，之后将Ge片放入丙酮溶液中，超声清洗5分钟，之后将Ge片放入三氯乙烯溶液中，超声清洗5分钟，然后用乙醇洗净，以除去Ge片表面上的有机污染物或附着的颗粒；(1.3)将进行过(1.2)步骤的Ge片在去离子水中冲洗5次，以除去残留的有机溶液；(1.4)将Ge片在HF溶液中二次清洗30秒，并用去离子水中冲洗30秒，以除去Ge衬底表面的自然氧化层SiO2；(1.5)重复步骤(1.3)-步骤(1.4)共5次，再用去离子水冲洗5分钟，并用99.999％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Ge衬底上淀积铪基铝酸盐高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Ge衬底放入原子层淀积设备反应腔，再将腔体压强抽真空至10-20hPa，将温度加热到280-320℃，设定吹洗所用的氮气流量为100-150sccm，根据生长的铪基铝酸盐高k栅介质薄膜的材料类型和厚度设定淀积HfO2的循环次数m和淀积Al2O3的循环次数n；(2.2)在Ge衬底上淀积一个四乙基甲基胺基铪脉冲，淀积时间为0.1s，该反应生成淀积HfO2过程中吸附型产物Hf-O-Hf-[N(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红侠，汪星，赵璐，冯兴尧，费晨曦，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