一种叠层金属氧化物栅介质层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种叠层金属氧化物栅介质层及其制备方法。本发明专利技术采用原位原子层沉积技术，工艺过程简单，易于实现，其具体步骤为，先将半导体沉底清洗干净，放置于原子层沉积系统反应腔内；用原子层沉积方法沉积1nm厚的Al2O3界面层；之后，继续沉积一定厚度的高K薄膜；在沉积的高K薄膜之上继续沉积0.5nm厚的Al2O3界面层；而后，继续沉积一层高K薄膜。底层的Al2O3用于提高高K薄膜与半导体衬底间的带偏移，从而降低漏电流，并且有阻挡氧扩散的作用。而上层Al2O3界面层用于切断通过高K薄膜内部晶界的氧扩散及漏电流通道，从而进一步降低漏电流和提高界面稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制造
，具体涉及一种叠层高K栅介质金属氧化物薄膜结构以及利用超薄Al2O3界面层制备该薄膜结构的方法。
技术介绍
随着现代大规模集成电路技术的发展，传统SiO2栅介质层厚度降低到I. 3-1. 5nm时，由于量子隧穿效应而引起漏电流成几何倍数增加，从而使SiO2做为栅介质层在特征尺寸45nm及以下尺寸下无法应用，这就需要具有更高介电常数的材料替代传统SiO2栅介质层，Hf02、Zr02、Ti02等二元金属氧化物及其多元金属氧化物具有更高的介电常数，是非常有潜力维持未来集成电路技术发展的新型介电材料。但是在退火过程中，由于从外界或者高K薄膜内部的氧元素向半导体衬底的扩散，而形成SiO2低介电常数界面层，造成等效氧化物厚度急剧升高，从而降低高K薄膜性能；另外由于高K薄膜的热稳定性较差，结晶温度较低，在高温退火过程中，薄膜结晶，这就形成了大量的晶界，杂质易于在晶界处偏析，使晶界成为氧扩散的通道，使界面稳定性进一步下降，使与Si、Ge等半导体衬底间的氧扩散非常严重，会在界面处生成Si02、GeO2等低介电常数层，从而大幅度增加栅介质层的等效氧化物厚度，这就失去了使用高K材料的意义。由于结晶而形成的晶界也使漏电流进一步增加；在高K材料中，一般介电常数值与材料的带隙成反比，介电常数越高，其与半导体衬底的带偏移越小，这就引起漏电势垒的降低，而引起漏电流大的问题。所以怎样提高高K氧化物薄膜的界面稳定性以及降低漏电流就成为了一个非常重要的问题。在目前的研究中，主要应用以下几种方法来提高高K栅介质层的界面稳定性及电学性能。I)利用兀素的惨杂，如惨入N、A1等提闻闻K薄I旲的热稳定性,提闻结晶温度。2)利用具有良好界面稳定性和较高带隙的的氧化物薄膜作为界面层，从而间接提高界面稳定性和降低漏电流。Al2O3具有较闻的热稳定性，结晶温度闻于950°C，具有较闻的带隙，可作为一种良好的界面材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用Al2O3界面层制备的叠层金属氧化物栅介质层及其制备方法，该介质层能够提高高K薄膜与半导体衬底的界面热稳定性及降低漏电流。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案。—种叠层金属氧化物栅介质层，包括沉积于半导体衬底上的第一 Al2O3界面层以及沉积于第一 Al2O3界面层上的第一高K金属氧化物层，所述第一高K金属氧化物层上沉积有第二 Al2O3界面层，第二 Al2O3界面层上沉积有第二高K金属氧化物层。所述弟一 Al2O3界面层的厚度为lnm，弟_■ Al2O3界面层的厚度为O. 5nm。所述沉积的方法为原子层沉积，沉积的方式采用原位连续沉积。所述半导体衬底为Si、Ge或GaAs等。所述高K 金属氧化物为 Ti02、Ta2O5、ZrO2、La2O3、LuO2、Y2O3、Sc2O3、HfO2 或 ZrO2 等。上述叠层金属氧化物栅介质层的制备方法，包括以下步骤步骤I)对半导体衬底表面的氧化物进行清洗，然后将半导体衬底放入原子层沉积系统的反应腔中；步骤2)在放入反应腔内的半导体衬底上先生长一层厚度为Inm的Al2O3界面层；步骤3)在厚度为Inm的Al2O3界面层上继续生长一层高K金属氧化物层；步骤4)在高K金属氧化物层上生长一层厚度为O. 5nm的Al2O3界面层；步骤5)最后在厚度为O. 5nm的Al2O3界面层上再生长一层高K金属氧化物层。所述步骤2)、3)、4)、5)中Al2O3界面层与高K金属氧化物层的生长采用原子层沉 积技术进行原位交替沉积。所述步骤2)中，利用高纯氮气为载气及冲洗气，用高纯氮气维持本底气压为260-300毫托，沉积温度为250°C，用三甲基铝和双氧水作为沉积Al2O3界面层的前驱体，单个循环中，通入三甲基铝的时间为I秒，通入双氧水的时间为O. 2秒，通入三甲基铝后的冲洗时间为20秒，通入双氧水后的冲洗时间为45秒，共10个循环，生长速率为O. Inm/循环；所述步骤4)中共5个循环，其他条件与步骤2)相同。所述步骤3)以及步骤5)中，沉积温度以及本底气压与步骤2)以及步骤4)相同，高K金属氧化物层的厚度为l-10nm。所述原子层沉积系统由反应腔、真空系统、加热系统及前驱体控制系统组成。本专利技术所述叠层金属氧化物栅介质层中，第一 Al2O3界面层的作用是抑制薄膜中氧的扩散，同时提高界面的带偏移，降低漏电流；第二 Al2O3界面层的作用是切断晶界，抑制通过晶界的氧扩散及漏电流。本专利技术对现代大规模集成电路半导体场效应管向小尺寸的发展具有重要意义。本专利技术所述叠层金属氧化物栅介质层的制备方法沉积的叠层栅介质薄膜界面清晰，薄膜厚度及成分均匀，具有良好的化学计量比，薄膜厚度可调且可精确控制，厚度控制精度至原子星级。进一步的，本专利技术中作为界面层的Al2O3厚度可以达到仅为Inm及O. 5nm，界面热稳定性达700°C以上，漏电流有效降低，较单层薄膜降低2个数量级以上。同时，Al2O3界面层分别只有Inm及O. 5nm，这是为了保持其对氧扩散及漏电流的抑制作用的同时，尽量降低由于Al2O3相对较低介电常数对高K薄膜等效氧化物厚度的影响。附图说明图I为利用Al2O3界面层制备的叠层金属氧化物栅介质层结构示意图。图I中1半导体衬底，2第一 Al2O3界面层，3第一高K金属氧化物层，4第二 Al2O3界面层，5第二高K金属氧化物层。图2为利用Al2O3界面层制备的TiO2叠层栅介质层退火后TEM图。图3为利用Al2O3界面层制备的TiO2叠层栅介质层退火后XPS分析图。图4为利用Al2O3界面层制备的TiO2叠层栅介质的漏电流性能测试结果曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提供了一种利用原子层沉积技术，以Al2O3作为界面层沉积制备叠层金属氧化物栅介质层的方法。参见图1，具体工艺过程为I)将Si衬底浸入5%HF水溶液中20秒，然后取出放入去离子水中浸泡5分钟，然后取出用高纯氮气吹干，之后迅速放入反应腔中。2)在Si衬底上沉积InmAl2O3界面层一,原子层沉积系统反应腔中利用高纯 氮气为载气及冲洗气，用高纯氮气维持本底气压260-300毫托，沉积温度为250°C，用三甲基铝和双氧水作为沉积Al2O3界面层的前驱体。单个循环中，通入三甲基铝和双氧水的时间分别为I秒和O. 2秒,冲洗时间分别为20秒和45秒。生长速率为O. Inm/循环,Al2O3界面层一共10个循环；3)沉积高K金属氧化物层一,高K金属氧化物的材料有Ti02、Ta2O5> ZrO2> La203、LuO2, Y2O3> Sc203、HfO2, ZrO2等，厚度为l_10nm，厚度确定以具体材料的介电常数来确定，以TiO2为例，在其厚度低至5-8nm为宜；4)沉积O. 5nmAl203界面层二，沉积循环次数为5个；5)沉积高K金属氧化物层二，厚度为l-10nm。上述步骤2、3、4、5为连续原位沉积过程，利用高纯氮气为载气及冲洗气，沉积温度始终控制在250 V,本底气压不变,沉积氧化物的氧源可用双氧水、水、臭氧、氧气等。高K金属氧化物材料反应前驱体与反应通入时间、冲洗时间根据所选取的前驱体的来选择，以沉积 TiO2 为例，可选用 Titanium(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叠层金属氧化物栅介质层，其特征在于：包括沉积于半导体衬底（1）上的第一Al2O3界面层（2）以及沉积于第一Al2O3界面层（2）上的第一高K金属氧化物层（3），所述第一高K金属氧化物层（3）上沉积有第二Al2O3界面层（4），第二Al2O3界面层（4）上沉积有第二高K金属氧化物层（5）。

【技术特征摘要】
1.一种叠层金属氧化物栅介质层，其特征在于包括沉积于半导体衬底(I)上的第一Al2O3界面层(2)以及沉积于第一 Al2O3界面层(2)上的第一高K金属氧化物层(3),所述第一高K金属氧化物层(3)上沉积有第二 Al2O3界面层(4)，第二 Al2O3界面层(4)上沉积有第二高K金属氧化物层(5)。2.根据权利要求I所述一种叠层金属氧化物栅介质层，其特征在于所述第一Al2O3界面层(2)的厚度为lnm，第二 Al2O3界面层(4)的厚度为O. 5nm。3.根据权利要求I所述一种叠层金属氧化物栅介质层，其特征在于所述沉积的方法为原子层沉积，沉积的方式采用原位连续沉积。4.根据权利要求I所述一种叠层金属氧化物栅介质层，其特征在于所述半导体衬底(I)为 Si、Ge 或 GaAs。5.根据权利要求I所述一种叠层金属氧化物栅介质层，其特征在于所述高K金属氧化物为 TiO2> Ta2O5、ZrO2、La2O3、LuO2、Y2O3、Sc2O3、HfO2 或 ZrO2。6.一种制备如权利要求I所述叠层金属氧化物栅介质层的方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I)对半导体衬底表面的氧化物进行清洗，然后将半导体衬底放入原子层沉积系统的反应腔中； 步骤2)在放入反应腔内的半导体衬底上先生长一层厚度为Inm的Al2O3界面层； 步骤3)在厚度为Inm的Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：马大衍，王红波，马飞，徐可为，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：