基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構及制備方法技術

本發明專利技術公開了一種基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構及制備方法，主要解決傳統高K金屬柵結構柵氧化層介電常數低和柵極金屬向柵氧化層擴散的問題。該高K金屬柵結構在Si襯底上自下而上包含La基高k柵介質薄膜(1)、TiN阻擋層(2)、Ti氧元素吸附層(3)以及重金屬Pt柵電極(4)，其中La基高k柵介質薄膜采用厚度為4?10nm的La

High K metal grid structure of La based dielectric material based on Si substrate and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of Si substrate La based dielectric materials with high K metal gate structure and system based, mainly to solve the traditional high K metal gate structure of gate oxide layer of low dielectric constant and gate metal to gate oxide diffusion problems. La contains high k gate dielectric films from the high K metal gate structure on Si substrate (1), TiN (2), Ti barrier layer of oxygen adsorption layer (3) and Pt heavy metal gate electrode (4), the La high k gate dielectric film with a thickness of 4 10nm La

【技術實現步驟摘要】
基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構及制備方法
本專利技術屬于半導體材料與器件
，特別涉及一種高K金屬柵結構及制備方法，可用于制造高介電性能的金屬氧化物半導體場效應晶體管，和大規模集成電路的生產與制備。
技術介紹
隨著集成電路的集成度不斷減小，金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET的尺寸不斷減小，相應的柵氧化物厚度也不斷減小。截止到2005年，65nm的光刻技術已經趨于成熟，在高性能的場效應晶體管器件中作為柵電介質膜的SiO2層的厚度已減至1nm左右，即僅為幾個原子層的間距。隨著氧化物厚度的不斷減少，由電子隧穿引起的漏電呈指數增長，由此引起的高功耗和可靠性問題越來越嚴峻，同時過薄的柵氧化物也不足以擋住柵介質和晶圓中雜質的擴散，會造成閾值電壓漂移，影響器件性能。為了解決上述問題，Intel公司在2007年改進65nm工藝，采用高k柵介質材料HfO2取代傳統柵電介質膜SiO2層，由高k柵氧化層+金屬柵極結構取代傳統的SiO2+多晶硅柵極結構已被應用于其MOSFET工藝中。高介電常數材料在保持電容密度不變的同時可以有較大的物理厚度，解決了SiO2因為接近物理厚度極限而產生的漏電及可靠性等問題。然而HfO2的相對介電常數僅約為14，隨著器件尺寸的持續等比例縮小，HfO2已經不能滿足集成電路發展的需求，需要引入介電常數更大的柵介質材料。稀土金屬氧化物中最具代表性的La系化合物，如La2O3、LaAlO3、HfLaOx和LaLuO3等，因其擁有大于5.5eV的禁帶寬度、高的柵極擊穿場強、介電常數為25和良好的熱穩定性，將成為下一代最有希望的高介電常數材料之一。但是由于晶圓Si在La基高k柵介質薄膜中的高擴散系數，會很容易形成低介電常數的界面層，這樣就會增大等效氧化層厚度，惡化器件界面特性。另一方面，傳統的高K金屬柵結構直接在高k柵氧化層之上淀積重金屬作為柵電極導電層，由于重金屬離子會向高k柵氧化層擴散，且會在高k柵氧化層中引入雜質，將嚴重影響高K金屬柵結構的總體質量，增大柵極漏電流，從而影響器件的可靠性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構及制備方法，以減小La基高k柵介質薄膜與晶圓界面處界面層的厚度，減弱重金屬離子在高k柵氧化層中的擴散，從而改善高K金屬柵結構的電學特性，提高器件的可靠性。為實現上述目的，本專利技術基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構，在Si襯底上自下而上包括La基高k柵介質薄膜和重金屬Pt柵電極(4)，其特征在于：La基高k柵介質薄膜(1)與重金屬Pt柵電極(4)之間增設有TiN阻擋層(2)和Ti氧元素吸附層(3)；該TiN阻擋層(2)的厚度為2-3nm，位于La基高k柵介質薄膜(1)之上，用以阻擋金屬Ti及重金屬Pt向La基高k柵介質薄膜(1)擴散；該Ti氧元素吸附層(3)厚度為4-6nm，位于TiN阻擋層(2)之上，以在熱退火工藝過程中吸附La基高k柵介質薄膜(1)與晶圓Si界面處的氧元素。為實現上述目的，本專利技術基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構的制作方法，包括如下步驟：(1)對Si晶圓進行清洗；(2)采用原子層淀積方法在Si晶圓上淀積厚度為4-10nm的La2O3或LaAlO3或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3的La基高k柵介質薄膜；(3)將淀積La基高k柵介質薄膜的基片在500-700℃真空氛圍下進行60-90s快速熱退火；(4)熱退火后，采用電子束蒸鍍法在La基高k柵介質薄膜上淀積2-3nm厚的TiN薄膜；(5)采用磁控濺射方法在TiN薄膜上淀積4-6nm厚的金屬Ti薄膜；(6)采用磁控濺射方法在金屬Ti薄膜上淀積100-150nm厚的金屬Pt薄膜；(7)采用光刻工藝處理淀積的金屬Pt薄膜，形成柵電極，得到La基高k柵介質材料的高K金屬柵結構；(8)將La基高k柵介質材料的高K金屬柵結構在300-500℃的97％N2/3％H2混合氣體氛圍中退火20-30分鐘，完成對基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構的制備過程。本專利技術具有如下優點：1.本專利技術采用La基高k柵介質材料作為柵氧化層，由于La基高k柵介質材料的介電常數比HfO2高出近1倍，因而可增大整體柵氧化層的介電常數，在等效氧化層厚度小于1nm時能保證柵氧化層具有較大的物理厚度，減小了由直接隧穿導致的柵極泄漏電流和器件的功耗；2.本專利技術采用TiN薄膜作為阻擋層，由于TiN在高溫下化學穩定性好，不與Pt等金屬反應，并具有良好的導電性，因而可以阻擋后續Pt金屬淀積及熱退火工藝中金屬Pt向柵氧化層的擴散。3.本專利技術采用金屬Ti薄膜作為氧元素吸附層，由于金屬Ti與氧元素結合能力明顯大于Si，故可在熱退火工藝過程中通過遠程吸附作用將柵氧化層與晶圓Si界面處的氧元素吸附至金屬Ti薄層，從而減少了柵氧化層與晶圓Si界面處的氧元素含量，減薄了界面層厚度。附圖說明圖1為傳統的高K金屬柵結構示意圖；圖2為本專利技術基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構示意圖；圖3為本專利技術制備基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構的總流程圖；圖4為本專利技術中制備La2O3薄膜的子流程圖；圖5為本專利技術中制備Al2O3薄膜的子流程圖；圖6為本專利技術中制備LaAlO3薄膜的子流程圖；圖7為淀積一個循環的La2O3的脈沖時間示意圖；圖8為淀積一個循環的Al2O3的脈沖時間示意圖。具體實施方式參照圖1，傳統的高K金屬柵結構在Si襯底上自下而上包括：HfO2柵介質薄膜1和金屬Pt柵電極2，其中：HfO2高k柵介質薄膜1的厚度為4-10nm；金屬Pt柵電極2的厚度為100-150nm。參照圖2，本專利技術基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構，在Si襯底上自下而上包括：La基高k柵介質薄膜1、TiN阻擋層2、Ti氧元素吸附層3以及重金屬Pt柵電極4。其中，La基高k柵介質薄膜1厚度為4-10nm，該La基高k柵介質薄膜的材料包括La2O3或LaAlO3或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3，其主要作用是提高柵介質材料的介電常數；TiN阻擋層2厚度為2-3nm，其主要作用是阻擋后續Pt金屬淀積及熱退火工藝中金屬Pt向柵氧化層的擴散；Ti氧元素吸附層3厚度為4-6nm，其主要作用是在熱退火工藝過程中通過遠程吸附作用將柵氧化層與晶圓Si界面處的氧元素吸附至金屬Ti薄層，從而減少柵氧化層與晶圓Si界面處的氧元素含量以減薄界面層厚度；重金屬Pt柵電極4厚度為100-150nm，其主要作用是作為導電柵電極。參照圖3，以下給出本專利技術基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構的三種實施例。實施例1：制備La2O3高k柵介質材料的高K金屬柵結構。步驟1，清洗硅晶圓。1a.用比例為5:1:1的NH4OH，H2O2和H2O配備SC-1溶液，用比例為1:50的HF和H2O配備HF溶液；1b.將Si晶圓片放在溫度為75℃的SC-1溶液中一次清洗10分鐘，并用去離子水沖洗2分鐘，以除去Si片上的有機污染物或附著的顆粒；1c.將在SC-1溶液清洗后的Si晶圓片置于HF溶液中二次清洗60秒，并用去離子水中沖洗，以除去Si晶圓表面的自然氧化層SiO2；1d.將二次清洗后的Si晶圓片放在去離子水中用超聲清本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構及制備方法，在Si襯底上自下而上包括La基高k柵介質薄膜(1)和重金屬Pt柵電極(4)，其特征在于：La基高k柵介質薄膜(1)與重金屬Pt柵電極(4)之間增設有TiN阻擋層(2)和Ti氧元素吸附層(3)；該TiN阻擋層(2)的厚度為2?3nm，位于La基高k柵介質薄膜(1)之上，用以阻擋金屬Ti及重金屬Pt向La基高k柵介質薄膜(1)擴散；該Ti氧元素吸附層(3)厚度為4?6nm，位于TiN阻擋層(2)之上，以在熱退火工藝過程中吸附La基高k柵介質薄膜(1)與晶圓Si界面處的氧元素。

【技術特征摘要】
1.一種基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構及制備方法，在Si襯底上自下而上包括La基高k柵介質薄膜(1)和重金屬Pt柵電極(4)，其特征在于：La基高k柵介質薄膜(1)與重金屬Pt柵電極(4)之間增設有TiN阻擋層(2)和Ti氧元素吸附層(3)；該TiN阻擋層(2)的厚度為2-3nm，位于La基高k柵介質薄膜(1)之上，用以阻擋金屬Ti及重金屬Pt向La基高k柵介質薄膜(1)擴散；該Ti氧元素吸附層(3)厚度為4-6nm，位于TiN阻擋層(2)之上，以在熱退火工藝過程中吸附La基高k柵介質薄膜(1)與晶圓Si界面處的氧元素。2.根據權利要求書1所述的結構，其特征在于La基高k柵介質薄膜，采用La2O3或LaAlO3或La2O3/Al2O3疊層結構或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3材料。3.一種基于Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構的制備方法，包括如下步驟：(1)對Si晶圓進行清洗；(2)采用原子層淀積方法在Si晶圓上淀積厚度為4-10nm的La2O3或LaAlO3或HfLaOx或LaScO3或LaLuO3的La基高k柵介質薄膜；(3)將淀積La基高k柵介質薄膜的基片在500-700℃真空氛圍下進行60-90s快速熱退火；(4)熱退火后，采用電子束蒸鍍法在La基高k柵介質薄膜上淀積2-3nm厚的TiN薄膜；(5)采用磁控濺射方法在TiN薄膜上淀積4-6nm厚的金屬Ti薄膜；(6)采用磁控濺射方法在金屬Ti薄膜上淀積100-150nm厚的金屬Pt薄膜；(7)使用光刻工藝處理帶有金屬Pt薄膜的樣品，使樣品上淀積的金屬Pt薄膜形成柵電極；(8)將形成柵電極的樣品在300-500℃的97％N2/3％H2混合氣體氛圍中退火20-30分鐘，完成Si襯底的La基介質材料高K金屬柵結構的制備過程。4.根據權利要求3所述的方法，其中步驟(1)中對Si晶圓進行清洗，按如下步驟進行：(1.1)用比例為5:1:1的NH4OH，H2O2和H2O配備SC-1溶液，用比例為1:50的HF和H2O配備HF溶液；(1.2)將Si晶圓片放在溫度為75℃的SC-1溶液中一次清洗10分鐘，并用去離子水沖洗2分鐘，以除去Si片上的有機污染物或附著的顆粒；(1.3)將在SC-1溶液清洗后的Si晶圓片置于HF溶液中二次清洗60秒，并用去離子水中沖洗，以除去Si晶圓表面的自然氧化層SiO2；(1.4)將二次清洗后的Si晶圓片放在去離子水中用超聲清洗5分鐘，以除去表面的吸附顆粒，再用去離子水沖洗2分鐘，并用高純氮氣吹干。5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中用原子層淀積方法在清洗后的Si晶圓上淀積La基高k柵介質薄膜，按如下步驟進行：(2.1)在超凈室內環境下，將清洗后的Si晶圓放入原子層淀積設備反應腔，再將腔體壓強抽真空至9-20hPa，將溫度加熱到290-310℃，設定吹洗所用的氮氣流量為150sccm，根據生長的La基高k柵介質薄膜的材料類型和厚度設定淀積La2O3的循環次數m和淀積Al2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉紅俠，汪星，趙璐，馮興堯，王永特，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61