高介电常数栅介质PrAl*O*薄膜制造技术

一种材料技术领域的高介电常数栅介质ＰｒＡｌ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］薄膜，包含的组分及重量百分比为：Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］１％～２４％，其余为Ｐｒ↓［２］Ｏ↓［３］。当Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］重量百分比为１２％时，ＰｒＡｌ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］与硅的界面层最薄，等效介电常数为２５。本发明专利技术所得ＰｒＡｌ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］薄膜为非晶薄膜，经８００℃快速热处理５分钟仍保持非晶状态，结晶温度高，与硅片的界面稳定性好。ＰｒＡｌ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］薄膜具有高介电常数和低漏电流的性质，不仅可用于ＭＯＳＦＥＴ结构中的栅介质材料，也可用于射频电路和混合信号集成电路中ＭＩＭ结构的绝缘层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种材料
的薄膜，具体是一种高介电常数栅介质PrAlxOy薄膜。
技术介绍
近年来，以硅集成电路为核心的微电子技术取得了飞速的发展，集成电路芯片的发展基本上遵循摩尔定律，即半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。但尺寸的缩小最终要受到技术和物理规律的制约。根据1999年美国半导体工业协会SIA制定的“国际半导体技术发展规划”预测，到2014年，栅长度将减小到0.022μm，对应的等效氧化物厚度应达到3～6。随着器件特征尺寸不断地缩小，当线宽小于0.1μm后，栅氧化物层厚度开始逐渐接近原子间距。此时，受隧道效应的影响，栅极漏电流随氧化层厚度的减小呈指数增长。栅极漏电流的陡增造成MOS器件关态时的功耗增加，对器件的集成度、可靠性和寿命都有很大的影响。SiO2的极限厚度已经成为Si基集成电路集成度继续提高的瓶颈，发展新的高介电常数栅介质材料(高K)来取代SiO2已经迫在眉睫。Pr2O3介电常数26～30，与硅导带和价带的偏离量都在1eV左右，漏电流小，虽然从相图上看氧化镨与硅的界面是稳定的，但一般的制备和后处理过程都处于非平衡态，界面反应常被观察到，生成的界面层为PrSixOy。在高K材料中加入SiO2或Al2O3形成所谓的伪二元化合物即硅酸盐、铝酸盐，一方面可充分利用SiO2和Al2O3与硅的优良界面性质和高K材料的高介电常数，另一方面可提高高K材料的结晶温度，使之在CMOS后续工艺中保持非晶状态，降低漏电流。现在研究得比较多的还是纯Pr2O3，主要是通过分子束外延、MOCVD或ALD法制备，也有个别通过激光脉冲沉积法制备，薄膜的形态多为外延单晶膜或多晶薄膜，与硅的界面层多为PrSixOy。少量研究伪二元化合物也是镨的硅酸盐。经对现有技术文献的检索发现，例如A.Sakai等人在《APPLIED PHYSICSLETTERS》85(22)5322-5324NOV 292004上发表的“Praseodymium silicateformed by postdeposition high-temperature annealing”(高温后退火制备的硅酸镨，应用物理学报)，该文通过高温热处理在硅上分子束外延制备的Pr2O3薄膜得到了PrSixOy，薄膜形态由单晶转变为非晶，其性质依赖于氧化镨的性质。由于SiO2的介电常数小，对伪二元化合物介电常数的削弱作用较大，不利于得到高的介电常数。而Al2O3的介电常数约为SiO2的两倍，与Si也有很好的界面稳定性，Al2O3的加入对Pr2O3介电常数的影响较小，在相同配比的情况下，伪二元合金铝酸盐介电常数大于硅酸盐。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足和缺陷，提供一种高介电常数栅介质PrAlxOy薄膜，使其能够克服氧化镨与硅的界面稳定性和易吸湿性问题，提高晶化温度，并且相比于硅酸镨，能够进一步提高薄膜的介电常数，本专利技术得到的最大介电常数为25。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术PrAlxOy薄膜包含的组分及重量百分比为Al2O31％～24％，其余为Pr2O3。本专利技术PrAlxOy薄膜可由多种方法制备，如电子束蒸发、磁控溅射以及半导体工艺广泛采用的金属有机物化学气相沉积等。本专利技术优选重量百分比为Al2O310～15％，其余为Pr2O3。氧化镨中加入氧化铝可以利用氧化铝与硅优异的界面性能和热稳定性，在硅片上形成无界面层的非晶介电薄膜，提高薄膜的介电常数，降低漏电流，同时氧化铝的介电常数约为二氧化硅的2倍，对薄膜的介电常数的削弱作用小于二氧化硅。当氧化铝含量太少时，起不到稳定晶相的作用，薄膜中仍会有结晶氧化镨存在，当氧化铝含量过多时，由于氧化铝的介电常数仅为9，对薄膜介电常数的削弱作用太强，得不到高的介电常数。因此，本专利技术PrAlxOy薄膜含氧化铝的重量百分比在1％～24％之间。本专利技术得到的PrAlxOy薄膜为非晶薄膜，可以进一步减小漏电流，而且经800℃快速热处理5分钟仍保持非晶状态，能够承受CMOS后续工艺的高温，薄膜的等效介电常数在20左右，界面态密度与目前研究的其他材料相当，在1012/cm2·eV量级。当含氧化铝10～15％时，PrAlxOy电学性能优异，与硅的界面层薄，得到的等效介电常数大于其他组分的薄膜，大于硅酸铝的介电常数。与现有技术相比，本专利技术PrAlxOy薄膜，充分利用了Al2O3与硅衬底优异的界面性能和Pr2O3的高介电常数性能，优势互补。Al2O3的加入提高了薄膜的结晶温度，进一步降低了薄膜的漏电流，并且克服了Pr2O3易吸湿的缺点，提高了薄膜的可靠性，降低了薄膜制备过程中的不能暴露于空气中的工艺要求。Al2O3的加入还改善了薄膜与硅的界面性能，界面层的生长被有效抑制，得到了较高的等效介电常数。PrAlxOy薄膜具有高介电常数和低漏电流的性质，不仅可用于MOSFET结构中的栅介质材料，也可用于射频电路和混合信号集成电路中MIM结构的绝缘层。具体实施例方式结合本专利技术的内容提供以下实施例，实施例中材料采用电子束蒸法制备，具体步骤如下1、按照配比制备PrAlxOy陶瓷靶；2、用电子束蒸发法在硅衬底上制备PrAlxOy薄膜；3、将PrAlxOy薄膜500℃下高纯氮气氛中快速热退火3分钟。退火是为了减小薄膜中的缺陷，例如在真空中淀积薄膜的氧缺损，同时退火还可以改善界面性质，降低界面态密度。退火温度过低不利于薄膜中缺陷的修复，退火温度过高，将导致氧和硅的扩散形成或加厚界面层。实施例1PrAlxOy薄膜，重量百分比为Al2O31％，其余为Pr2O3。按照配比称取材料，制备陶瓷靶。用电子束蒸发法在硅片上制备PrAlxOy薄膜。反应室背底真空为10-3Pa，蒸镀时采用的电子束流为10mA。将PrAlxOy薄膜500℃下高纯氮气氛中快速热退火3分钟。经各种性能测试，所得PrAlxOy薄膜等效介电常数为18，且以PrAlxOy薄膜为氧化物层的MOS结构的CV曲线频率依赖性小，界面态密度与其他高K材料相似，在1012/cm2·eV量级，在界面处存在一个过渡层，为Pr、Al、Si、O共存的区域，界面层的存在降低了薄膜的等效介电常数。PrAlxOy薄膜，充分利用了Al2O3与硅衬底优异的界面性能和Pr2O3的高介电常数性能，优势互补，Al2O3的加入提高了薄膜的结晶温度，进一步降低了薄膜的漏电流。其高介电常数和低漏电流的性质，使其不仅可用于MOSFET结构中的栅介质材料，也可用于射频电路和混合信号集成电路中MIM结构的绝缘层。若用于MIM结构，由于没有界面层的影响，介电常数可进步提高，从而提高电容密度。实施例2PrAlxOy薄膜重量百分比为Al2O310％，其余为Pr2O3。按照配比称取材料，制备陶瓷靶。用电子束蒸发法在硅片上制备PrAlxOy薄膜。反应室背底真空为10-3Pa，蒸镀时采用的电子束流为10mA。将PrAlxOy薄膜500℃下高纯氮气氛中快速热退火3分钟。经各种性能测试，所得PrAlxOy薄膜等效介电常数为20，且以PrAlxOy薄膜为氧化物层的MOS结构的CV曲线频率依赖性小，界面态密度与其他高K材料相似，在1012/cm2·eV量级，在界面处的过渡层很薄，为Pr、Al、Si、O共存的区域。界面层厚度的减小促进了P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高介电常数栅介质ＰｒＡｌ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］薄膜，其特征在于，包含的组分及重量百分比为：Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］１％～２４％，其余为Ｐｒ↓［２］Ｏ↓［３］。

【技术特征摘要】
1.一种高介电常数栅介质PrAlxOy薄膜，其特征在于，包含的组分及重量百分比为Al2O31％～24％，其余为Pr2O3。2.根据权利要求1所述的高介电常数栅介质PrAlxOy薄膜，其特征是，包含的组分及重量百分比为Al2O310～15％，其余为Pr2O3。3.根据权利要求1或者2所述的高介电常数栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌惠琴，陈寿面，李明，毛大立，杨春生，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]