本发明专利技术公开了一种高ｋ栅介质材料及其制备方法，属于半导体技术领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）的应用领域，这种高ｋ栅介质材料为氧化铒－氧化铝（Ｅｒ↓［２］Ｏ↓［３］－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］，ＥｒＡｌＯ）复合材料，采用射频磁控溅射制备方法，溅射靶为Ｅｒ↓［２］Ｏ↓［３］和Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］混合陶瓷靶，在Ｐ型Ｓｉ（１００）衬底上制备得到ＥｒＡｌＯ非晶栅介质复合氧化物薄膜，经检测，本发明专利技术的ＥｒＡｌＯ薄膜具有良好的热稳定性、良好的平整度和低的漏电流密度，可取代ＳｉＯ↓［２］成为一种新型高ｋ栅介质材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属半导体领域，尤其涉及金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)的应用领域，具体涉及一种， 该专利技术利用射频磁控溅射法制备了非晶Er203-A1203(ErA10)高K栅介质复合氧化物薄膜。本专利技术提供了一种取代Si02的新型高k栅介质候选材料，并提供了其制备方法。
技术介绍
随着集成电路中晶体管特征尺寸的减小，目前场效应管栅介质Si02的厚度已经减少到了纳米量级。此时，受遂穿效应的影响，栅极漏电 流将随氧化层厚度的减小呈指数增长，成为一个不容忽视的问题。解决这个问题的办法之一就是用高k材料替代Si02，这样使用更厚的介 质薄膜也可以得到一个大的电容值，同时也有效抑制了栅极漏电流的 上升。对于栅介质应用，薄膜的平整度是一个重要的质量指标。在高场情 况下，介电薄膜/Si衬底下界面处的粗糙起伏会增加界面态密度，从而 对电学特性产生不良影响；上表面的粗糙度会对电极稳定性产生影响， 同时会通过远程库仑作用影响到载流子迁移率。整个薄膜由于粗糙度 的影响，厚度变得很不均匀，由此造成薄膜中电场分布的巨大波动， 这对器件工作的稳定性也是个严重的影响因素。当介质层厚度达到纳 米量级的情况下，粗糙度对各方面的影响就更不能忽视了。与多晶和单晶材料相比，非晶氧化物高k材料具有易于制备，可 重复性好，没有晶粒边界以及可与传统生产工艺兼容等优点，因此， 非晶结构的材料被认为是最理想的高k栅介质候选材料。在选择合适的材料，代替Si02的探索中，已经有很多材料被尝试过。例如，过渡氧化物(Hf02, Zr02)，稀土氧化物(￥203， La203)和复合氧化物(HfA10，HfSiON)等。其中，￡&03由于它相对较高的介电常数( 13)，大的导带偏移( 3.5eV)，宽的带隙( 7.6 eV)，以及与硅具有良好的化学稳定性，使它成为很有吸引力的高k栅 介质材料。在Si衬底上生长高k Er203薄膜已被一些研究小组报道，但 是E&03高k栅介质材料要在微电子工艺中成功代替Si02薄膜，E&03薄 膜的热稳定性还有待提高，Chen报道Er203的晶化温度相对较低 (500 600°C)，当薄膜从原来的非晶态转为多晶后，会引起漏电流增加 及沿晶界杂质扩散增大等缺点。 参考文献 Yan Z J， Xu & Wang Y Y， et al. Appl. Phys. Lett" 2004，85(1):85-87. Sayan S， Nguyen N V, Ehrstein J，et ai. Appl. Phys. Lett"2005，86(15):152902-l-3. 霍会宾，刘正堂，阎锋，材料导报，2008， 22 (7): 123-126. Lippert G Dabrowski J, Melnik V, et al. AppL Phys.Lett.，2005，86(14):042902-04. Nigro R Ix>， Toro R Q Malandrino Q et al. Adv. Mater"2003,15(13) :1071-1075. 问Yu H Y .Thin SolidFilms，2004， 110:462-463. V. Mikhelashvili, G Eisenstein， F. Edelm咖，Appl. Phys. Lett. 2002,80,2156, Sheng Chen, Yanyan Zhu， Rong Wu， Yueqin Wu， Yongliang Fan, Zuimin Jiang. Journal of applied physics. 101,064106(2007).
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种半导 体工艺中有望取代Si02的高k栅介质材料。本专利技术为实现上述目的所采取的技术方案如下， 一种高k栅介质材料，其化学组成为(Er203)'-x(Al203)x ， 0<X<1前述的高k栅介质材料(Er203)k (A1203)X，当x选择0.3的时候， 可以获得最优的效果，当然，基于本专利技术的技术参数和制备工艺，通 过改变x的值，可以简单地得到本专利技术的不同实施例， 一般来讲，A1203 的加入会在很大程度上提高Er203的结晶温度，如通过在配比E&03和 Ab(V混合陶瓷靶时，增加或减少x的值，亦能得到类似本专利技术的效果 随着x的不断增加，复合薄膜的结晶温度会不断增加，并接近A1203 的结晶温度，但是k值会逐渐降低，反之则获得相反的效果。本专利技术的(E&Os)^ (A1203)X为一种新型的氧化铒-氧化铝 (Er203-Al203， ErAlO)复合材料，这种复合材料解决了Er203作为高K 材料稳定性差的缺点，同时保留了它高介电常数等优点，这种材料作 为集成电路制造中Si02的替代材料极有竞争力，经XRD测量显示这种 高K栅介质材料具有良好的热稳定性；AFM图像显示这种高K栅介质材 料薄膜具有良好的平整度；(Er203)h(Al203)JiMOS结构电学测试得到 这种高K栅介质材料薄膜具有高的介电常数和低的漏电流密度。本专利技术的另一方面，是提供一种上述高k栅介质材料的制备方法， 包括以下步骤1、 选择半导体衬底，半导体衬底优选为硅片，如P型Si(100)衬底， 硅片电阻率为2 10^cm，衬底温度为室温，生长前经过表面处理；2、 以Er203和Al2CV混合陶瓷靶为溅射靶，采用射频磁控溅射的方法 在上述半导体衬底上溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，其化学组成为(Er203)"x(Al2。3)x ， 0<x<lo上述步骤更具体的是，将Er203和Al203的混合陶瓷靶，在P型Si(100) 衬底上，采用射频磁控溅射形成ErAlO非晶复合氧化物薄膜，采用的混 合陶瓷靶材料纯度99.99 %， Al2O3占30y。摩尔比，射频功率为40 W， 溅射气体为Ar和02，氧分压比I^P(02)/((P(02)+P(Ar))为"/。，工作气压 为l.O Pa，电阻率2 10 Q，cm的P型(100)硅片生长前先用去离子水超声 清洗10 min，再用浓度为l n/。的HF酸腐蚀30 s以去除Si衬底的表面自然 氧化层，最后将其送进生长室，生长时间为30min,所得到的ErAlO薄膜厚度为32nm。3、溅射完成的ErAlO非晶复合氧化物薄膜，经过氧气氛退火处理。 上述步骤中较优的是，在一个大气压下，氧气流量为150L/h的退 火炉中进行退火处理，退火时间为30min，退火温度为600 °C 900 °C， 适当的氧气退火能有效提高ErAlO薄膜的介电常数，并使得漏电流特 性得到一定的改善。对于高k材料热稳定性方面的考虑不仅仅是器件本身有可能会工 作于高温度的环境，而且MOSFET的制造过程本身就会使用到900 °C 的注入杂质激活的热处理过程。热稳定性的好坏对高k材料是否兼容 于集成电路的制造工艺有着关键性的作用，然而大多数高k非晶氧化 物，在高温退火后会趋向于变成多晶氧化物，因为晶粒边界会导致高的漏电流，从而导致器件的失效。而本专利技术中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高ｋ栅介质材料，其化学组成为： （Ｅｒ↓［２］Ｏ↓［３］）↓［１－ｘ］（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］）↓［ｘ］，０＜ｘ＜１。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：方泽波，陈伟，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]
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