一种新型高k栅介质复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型高k栅介质复合薄膜及其制备方法，其中，所述复合薄膜包括在衬底上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜，其中，所述第一层薄膜由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。所述制备方法包括：步骤1，选择衬底，并对衬底和靶材进行预处理；步骤2，在衬底上溅射第一层薄膜；步骤3，在第一层薄膜上溅射第二层薄膜，得到复合薄膜；步骤4，将得到的复合薄膜进行退火处理，制备得到新型高k栅介质复合薄膜。本发明专利技术所述方法简单，易于实现，易于扩大生产，制备得到的复合薄膜具备优良的综合电性能。

A new type of high k gate dielectric composite film and its preparation method

The invention discloses a novel high-k gate dielectric composite film and a preparation method thereof. The composite film comprises the first and second layers sputtered successively from bottom to top on the substrate, in which the first layer is obtained by sputtering rare earth target and aluminium target in oxygen-containing gas. The preparation method includes: step 1, selecting the substrate and pretreating the substrate and target material; step 2, sputtering the first layer of thin film on the substrate; step 3, sputtering the second layer of thin film on the first layer to obtain composite thin film; step 4, annealing the obtained composite thin film to prepare a new type of high-k gate dielectric composite thin film. The method of the invention is simple, easy to realize, easy to expand production, and the prepared composite film has excellent comprehensive electrical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种新型高k栅介质复合薄膜及其制备方法
本专利技术属于微电子领域，具体涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)结构中的栅介质材料，特别涉及一种新型双层高k栅介质复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
GordonMoore在1965年预言了著名的摩尔定律(Moorelaw)：半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。按照摩尔定律发展的要求，栅介质厚度要按比例缩小，大幅度减小栅介质厚度的结果是栅介质的漏电流将呈指数形式增加，甚至绝缘失效，引发芯片高功耗和散热问题。传统栅介质材料SiO2的介电常数低(k＝3.9)，SiO2的极限厚度成为Si基集成电路集成度进一步提高的瓶颈。当SiO2厚度减至厚度范围时，将出现掺杂离子渗透，可靠性下降，高漏电流和低击穿电压等问题。所以SiO2越来越不能满足器件进一步等比例缩小的需求，为了延续摩尔定律和集成电路的长远发展，需要寻找新型栅介质材料取代SiO2。而现有材料中，介电常数越大，禁带宽度就越小，不满足优良栅介质材料既要具有高介电常数(高k)，又要具有较大禁带宽度的要求。因此，开发一种兼具高介电常数和高禁带宽度、热稳定性高且制备方法简单的栅介质材料，是目前亟需解决的问题。
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：通过调节退火时间、退火气氛、溅射条件等，得到了一种制备得到了非晶态双层高k栅介质复合薄膜的方法，且制备得到的复合薄膜具有较大的介电常数、禁带宽度，热稳定性高，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，提供了一种新型高k栅介质复合薄膜，其中，所述复合薄膜包括在衬底上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜，其中，所述第一层薄膜为由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。第二方面，提供了一种第一方面所述的复合薄膜的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：步骤1，选择衬底，对衬底进行清洗并对靶材进行预处理；步骤2，在衬底上溅射第一层薄膜；步骤3，在第一层薄膜上溅射第二层薄膜，得到复合薄膜；任选地，还包括步骤3'，将复合薄膜制备成MOS结构；步骤4，将得到的复合薄膜或复合薄膜制成的MOS结构进行退火处理。本专利技术所具有的有益效果包括：(1)本专利技术所述的新型高k栅介质复合薄膜，为非晶态，具有较高的复合薄膜的禁带宽度、介电常数，耐高温性能佳；(2)本专利技术所述的新型高k栅介质复合薄膜的制备方法，操作简单，条件易控，易于大规模生产；(3)本专利技术所述的制备方法，将制得的产品在适宜的退火温度及退火气氛下进行处理，能够显著提高薄膜的介电常数，降低薄膜的漏电流密度。附图说明图1示出本专利技术实施例1制备的复合薄膜的X射线衍射图；其中，曲线a示出实施例1的X射线衍射结果，曲线b示出硅衬底的X射线衍射结果；图2示出本专利技术实施例1制备的复合薄膜的微观结构图；图3示出本专利技术实施例1中所述的第一层薄膜的紫外可见吸收谱图；其中，a示出制备的GAO薄膜的紫外可见吸收谱图，b示出禁带宽度与吸收系数的关系图；图4示出本专利技术实施例1、9、10及对比例1、2中制备的MOS结构的C-V特性曲线；图5示出本专利技术实施例1及对比例1～3制备的MOS结构的I-V特性曲线。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。第一方面，本专利技术提供了一种新型高k栅介质复合薄膜，所述复合薄膜包括在衬底上由下到上依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜，其中，所述第一层薄膜由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。在本专利技术中，所述复合薄膜为非晶薄膜。其中，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。本专利技术人发现，稀土靶材在含氧气体中形成的氧化物具有较高的介电常数和较宽的禁带宽度，在栅介质薄膜中加入稀土氧化物，能够有效提高铝靶材在含氧气体中形成的氧化铝的介电常数，并能提高第一层薄膜与衬底接触的热稳定性。同时，氧化铝由于具有较高的禁带宽度，可以阻挡载流子通过。在进一步优选的实施方式中，所述稀土靶材为镧、铕、铽、铒、镱、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，所述稀土靶材为钪、钆或钇靶材中的一种或多种，优选为钆靶材。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含量比为(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，所述第二层薄膜由金属钛靶材、铌靶材或钡靶材中的一种或多种在含氧气体中溅射得到。在进一步优选的实施方式中，所述第二层薄膜由金属钛靶材在含氧气体中溅射得到。本专利技术人发现，金属钛靶材的在含氧气体中形成的二氧化钛的介电常数高达60～80，其与第一层薄膜复合形成的栅介质材料能够保持较高的介电常数。在更进一步优选的实施方式中，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含量比为(20～40)：10，优选为(25～35)：10，更优选为30:10。其中，所述惰性气体为氩气。第二方面，本专利技术还提供了一种新型高k栅介质复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，选择衬底，并对衬底和靶材进行预处理；步骤2，在衬底上溅射第一层薄膜；步骤3，在第一层薄膜上溅射第二层薄膜，得到复合薄膜；任选地，还包括步骤3'，将复合薄膜制备成MOS结构；步骤4，将得到的复合薄膜或复合薄膜制成的MOS结构进行退火处理。以下进一步描述所述复合薄膜的具体制备步骤：步骤1，选择衬底，清洗衬底并对靶材进行预处理。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，其厚度为400～600μm，优选为500μm；硅片大小优选为10mm×10mm。其中，所述预处理包括以下步骤：步骤1-1，对衬底进行清洗。在本专利技术中，为了获得优质的复合薄膜，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。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述清洗如下进行：(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。在进一步优选的实施方式中，将氮气吹干后的硅片迅速放入磁控溅射镀膜设备腔室的基底盘上并进行固定。在本专利技术中，优选选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型高k栅介质复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜包括在衬底上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜，其中，所述第一层薄膜由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。

【技术特征摘要】
1.一种新型高k栅介质复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜包括在衬底上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜，其中，所述第一层薄膜由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。2.根据权利要求1所述的复合薄膜，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所述的复合薄膜，其特征在于，所述第二层薄膜由金属钛靶材、铌靶材或钡靶材中的一种或多种在含氧气体中溅射得到。4.一种权利要求1至3之一所述的复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，选择衬底，并对衬底和靶材进行预处理；步骤2，在衬底上溅射第一层薄膜；步骤3，在第一层薄膜上溅射第二层薄膜，得到复合薄膜；任选地，还包括步骤3'，将复合薄膜制备成MOS结构；步骤4，将得到的复合薄膜或复合薄膜制成的MOS结构进行退火处理。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述预处理包括对衬底进行清洗和对靶材进行预溅射，在预溅射前，将靶材安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：李栓，武燕庆，傅凯，田文怀，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