一种栅电介质材料立方相ＨｆＯ↓［２］薄膜及其制备方法，通过掺杂Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］获得稳定的立方相的ＨｆＯ↓［２］薄膜，Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］的掺杂量的摩尔百分比为０到２８之间，所述ＨｆＯ↓［２］在常温下为立方相，介电常数２７．２。栅电介质材料立方相ＨｆＯ↓［２］薄膜利用脉冲激光沉积技术，使用由Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］稳定的立方相ＨｆＯ↓［２］陶瓷靶材，在高真空低氧分压下制备。本发明专利技术利用脉冲激光沉积的方法，采用金属氧化物Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］和ＨｆＯ↓［２］为原材料，以两种材料的二元相图为依据，通过高温固相反应在常温下获得了常温下稳定的立方相ＨｆＯ↓［２］，显著提高了其在常温下的介电常数，并制备得到ＥＯＴ值小于１．５ｎｍＹＳＨ薄膜，这对于ＨｆＯ↓［２］这种最具潜力的栅介质材料在将来的应用中提供了新的活力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属微电子材料领域，具体是涉及应用于金属-氧化物-半导体场效应管 MOSFET中的高介电常数栅电介质材料氧化铪Hf02薄膜，为一种栅电介质材料立方相 HfQ2薄膜及其制备方法。
技术介绍
1947年，Bardeen、 Brattain和Shockley专利技术了固体元件替代电子真空管，这标志 着微电子工业的出现。自从固体元件诞生以来，微电子工业经历了四十年空前的爆炸性 生长，它的成长受两个因素驱动^Noyce和Kilby专利技术的平面集成电路和起因于等比縮 小(尺寸收縮)固体元件的优异性能。等比縮小固体元件具有罕见的降低费用、改善性 能和功率的特点，这给了任何拥有最新技术的公司很大的市场竞争优势。微电子工业在 过去四十年期间使晶体管特征尺寸从IO pm等比縮小至约30nm。然而在某些特定阶段 会发生重大变化，例如微电子工业从硅双极变到p型金属氧化物半导体，然后变到n型 金属氧化物半导体，最后在1980年代变到互补型金属氧化物半导体(CMOS)，这是在 过去二十年一直保持主导地位。向前继续发展的巨大挑战是因为硅基集成电路基本组成 单元MOSFET的特征尺寸向数十纳米接近，平面CMOS晶体管的等比縮小即将到达极 限。为了保持较高的栅极电容，传统的Si02栅介质层厚度也随之相应的减薄。但是Si02 电介质层厚度减薄后就会导致器件的漏电流增大、驱动电流减小以及掺杂物(硼或磷) 隧穿使器件的可靠性下降等问题，因此Si02电介质层极限厚度约为1.0-l,2nm。而根据 国际半导体协会的"国际半导体技术路线图"发展规划，下一代硅基MOSFET的栅介 质层厚度将突破Si02的极限厚度。为回应这些挑战，现在的研究重点集中在鉴别可能替 换约有五十年历史的硅晶体管的新材料和新器件上面。正在调査研究的两种方法是(1) 非经典CMOS，它是由新沟道材料及多栅全耗尽器件结构所组成，(2)CMOS的替代品， 例如自旋电子元件、单电子器件和分子计算机。虽然一些非硅基研究领域很重要，而且 将会在新的应用和市场上获得成功，但是在可见的未来似乎不太可能有任何非硅基选 择，完全可以替代价值3000亿美元的微电子工业中所采用的硅基晶体管。面对这一制 约硅基集成电路集成度提高的瓶颈，寻找可取代Si02的新型高介电常数栅介质材料 (High-k)已经迫在眉睫，这巳成为制约未来十年MOSFET集成度提高的瓶颈，并已引起各国半导体学界及相关领域的极大关注和广泛的研究。人们习惯用等效于多厚的Si02层的等效氧化物厚度EOT来描述高介电常数栅电介质层(high-kgate dielectric)的厚度， 其表达式为五or 二 / - +" x —^—其中，为界面反应造成的Si02层的厚度，^,gA—t为高介电常数电介质层的实际厚度，S—和s^^分别为Si02层和高介电常数电介质材料的介电常数，其中^。2为3.9。为 了减小漏电流，应使栅电介质层的实际厚度变大，但相应的EOT也会增大。这时降低EOT的途径有二 一是选用介电常数较大的材料作为栅电介质膜材料；二是尽量减少乃至消 除界面处形成的Si02层。现阶段寻找高介电常数栅电介质材料的基本原则为(1) 电学性质宽禁带，阳离子价态少，低的缺陷和界面态密度；(2) 介电性质高的介电常数，随温度和频率变化较缓，低漏电流；(3) 热稳定性至少可以承受800。C以上，2分钟的快速退火热处理，最好能承受传 统的CMOS高温后处理的要求(900-1000°C， 10-30秒)而保持可和Si02类比的高热力 学稳定性；(4) 化学性质与Si衬底兼容，界面处不形成或只形成一两个原子层的Si02，与栅极材 料相兼容，不发生界面反应，其制备工艺要与现存的CMOS工艺兼容；(5) 为减小栅电介质膜的缺陷从而减小漏电流， 一般认为薄膜最好为外延单晶膜或非 晶态膜，由于前者制备较为困难，因而非晶态膜成为最受关注的对象。许多氧化物如Zr02、 Hf02、 Ta205、 Ti02、 A1203等作为候选材料正被广泛地研究。 Hf02由于适中的介电常数(k~18)，与Si之间较好的热稳定性能和较大的禁带宽度 (5.9eV)，使得其成为最有可能代替Si02的栅介质材料。目前Intel公司已推出Hf02为 栅介质层的45nm新一代高性能微处理器，计算机的性能有了显著提高。但是Hf02具有 三个性质差别较大的相，即单斜相、立方相和六角相，其中立方相和六角相属于高温相， 三相的介电常数分别为18、 29和70。如可以利用掺杂原子，使得Hf02可以在常温下以 立方相或者六角相的形式存在，则将会给Hf02在将来的应用中带来更为广阔的空间，如 何能够制备具有很高化学稳定性和中等介电常数的立方相HfQ2薄膜，有待研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种高介电常数栅电介质材料立方相Hf02薄膜及其 制备方法，所得Hf02薄膜可以在常温下以立方相的形式存在，具有较好的热稳定性和较高的介电常数，满足高介电常数栅电介质材料的需求。本专利技术的技术方案为 一种栅电介质材料立方相Hf02薄膜，掺杂Y203获得稳定的立方相的Hf02薄膜，Y203的掺杂量的摩尔百分比为0到28之间。 所述Hf02在常温下为立方相，介电常数27.2。栅电介质材料立方相Hf02薄膜的制备方法为立方相HfD2薄膜利用脉冲激光沉 积技术，使用由￥203稳定的立方相H幻2陶瓷靶材，在高真空低氧分压下制备，其制 备步骤如下A、 由￥203稳定的立方相Hf02陶瓷靶材的制备将纯Y203粉末掺杂于纯Hf02粉末，掺杂量摩尔比处于0到28之间，经球磨机充分球磨，再把混合粉末压成圆片，在箱式电阻炉中烧结，得到致密的由Y203稳定的立方相Hf02陶瓷靶材，备用；B、 衬底材料的选择和处理选择P型Si(100)作为衬底，首先把P型Si(100)放入无水 乙醇中超声清洗，再用去离子水冲洗，然后用氢氟酸溶液腐蚀掉Si表面上的Si02，最后 再在无水乙醇中超声清洗，取出晾干后备用；C、 将由Y203稳定的立方相Hf02陶瓷靶材放置在脉冲激光沉积系统的靶台上，硅衬底材料放到衬底台上，靶台和衬底台均放置在生长室内；D、 用机械泵将生长室内真空抽到1.0X10"Pa，然后启动分子泵，将生长室内压力 继续抽至!U.0X10-5pa ;E、 用电阻炉加热衬底台，使Si衬底材料加热到设定温度300-700。C;F、 启动脉冲激光器，使脉冲激光束通过聚焦透镜将激光束聚焦在由Y203稳定的 立方相Hf02的陶瓷靶材上，利用脉冲激光剥离陶瓷靶材，产生的激光离子体沉积在硅 衬底材料上而制得立方相Hf02薄膜；制膜过程中，靶台和衬底台下均装有电动机，以 恒定的30-90转/分的速度旋转，保证激光束等离子体均匀沉积在衬底上，从而制得厚 度均匀的薄膜。步骤A中，将纯Y203粉末和纯Hf02粉末充分球磨24-36小时后，在13-15Mpa压 力下冷压成直径22mm,厚度为4mm的圆片，在1400-1600°C下烧结成由￥203稳定 的立方相Hf02陶瓷靶材。步骤B中P型Si(l00)电阻率为8-1 OQ.cm-1 ， P型Si( 100)在无水乙醇中超声清洗清洗3-5l: 20的氢氟酸溶液腐蚀掉Si表面的Si02。步骤E中的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种栅电介质材料立方相ＨｆＯ↓［２］薄膜，其特征是掺杂Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］获得稳定的立方相的ＨｆＯ↓［２］薄膜，Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］的掺杂量的摩尔百分比为０到２８之间。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：石磊，周越，刘治国，殷江，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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