專利名稱：一種制備三元高k柵介質材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備高K柵介質材料的方法，特別是指一種制備組分可調的新型三元高K材料的方法。
背景技術：
隨著硅基半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，器件的加工工藝不再可以簡單地縮小尺寸，而且已經(jīng)達到了極限，因此，必須通過使用新的材料或提出新的器件模型來解決現(xiàn)存制約發(fā)展的因素。
傳統(tǒng)的半導體工業(yè)場效應管的柵介質都是用二氧化硅(SiO2)，在過去的幾十年中，由于二氧化硅(SiO2)容易在硅表面氧化生長，工藝簡單、熱穩(wěn)定性好，所以是一種重要的柵介質材料。但隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，器件的特征尺寸不斷縮小，遵循著名的Moore定律，單個芯片上的器件越來越多。由于二氧化硅(SiO2)的介電常數(shù)較小，只有3.9，當超大規(guī)模集成電路的特征尺寸小于0.1μm時，二氧化硅(SiO2)絕緣層的厚度必須小于2nm，這時，無法控制漏電流密度。而且，當二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度小于7nm時，很難控制這么薄的二氧化硅(SiO2)薄膜的針孔密度。但是隨著半導體器件尺寸的不斷縮小，為了抑制短溝效應保證器件有良好的器件特性，要求柵氧化層越來越薄，使電子的直接隧穿效應嚴重，同時柵介質層的柵電場急劇增加，由此引起的漏電流，使原有的基本器件特性越來越差，甚至無法正常工作。因此，有必要研究一種高介電常數(shù)材料(又叫高-K材料)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅(SiO2)。高K材料由于其介電常數(shù)高，能夠在保持和增大柵極電容的同時，使介質層仍能保持足夠的物理厚度來限制隧穿效應的影響，以減少直接隧穿效應和柵介質層承受的電場強度。
如今，高介電常數(shù)材料的研究已經(jīng)成為半導體行業(yè)最熱門的研究課題之一。目前研究較多的高K材料有Al2O3、Ta2O5、ZrO2和HfO2。雖然Al2O3與Si接觸具有較好的熱穩(wěn)定性，但Al2O3的介電常數(shù)較低，而Ta2O5、ZrO2和HfO2容易與Si表面發(fā)生反應生成硅酸鹽或硅化物。都不夠理想。從熱動力學方面考慮，稀土氧化物引起了研究者的興趣，如Gd2O3、Y2O3和Pr2O3。
雖然幾乎所有的高K柵介質材料都有自己的優(yōu)點，但是不可避免地它們也有各自缺點。用高K材料來取代二氧化硅(SiO2)作為柵介質時，我們希望材料只有優(yōu)點而沒有缺點。三元高K材料就是將一種氧化物加入到另一種氧化物中，從而綜合了這兩種氧化物的優(yōu)點而消除了或降低了材料的缺點。三元高K材料的這一特點必將使其在MOS器件和集成電路中得到廣泛應用。因此對其制備和研究具有重要意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是采用高介電常數(shù)材料作為柵介質替代傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO2)，制備高介電常數(shù)的柵介質材料以及相關器件，這樣可以在保持等效厚度不變的條件下，增加介質層的物理厚度。
本發(fā)明的目的是公開組分可調的三元高K材料的制備步驟，及其具體的制備方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種制備三元高K材料的方法，包括選擇半導體襯底，然后在襯底上用濺射的方法生長三元高K薄膜材料。
所述的方法，其包括下列步驟a)選擇半導體襯底；b)薄膜生長所用的方法是濺射法；c)在b)步中，制備時通過調整濺射系統(tǒng)中的靶距，或通過改變?yōu)R射功率來調整其中的氧化物含量，以得到三元高K薄膜材料。
所述的方法，其所述b)步中，或先在襯底上生長一層過渡層，再用濺射的方法生長組分可調的三元高K薄膜材料。
所述的方法，其所述半導體襯底，為硅、砷化鎵、磷化銦、銻化鎵單晶片。
所述的方法，其所述三元高K薄膜材料，是(Gd2O3)1-x(A2O3)x柵介質材料，其中A＝Y或Al，0≤x≤1。
所述的方法，其所述三元高K薄膜材料，既可以是晶態(tài)形式也可以是非晶態(tài)形式。
所述的方法，其特征在于所述c)步中，當釓靶距為6cm、釔靶距為7cm、釓的濺射功率為70W、釔的濺射功率為60W時，所制備的三元高K材料性質最優(yōu)，其中各氧化物成分為(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02，介電常數(shù)可高達23，比三氧化二釓(Gd2O3)的介電常數(shù)高了40％，比三氧化二釔(Y2O3)的介電常數(shù)高了70％。
所述的方法，其在濺射前先將沉底蓋住，對金屬靶進行預濺射以去處靶上的污染物。
本發(fā)明方法制備的產(chǎn)品與其它高K材料相比，組分可調的三元高K材料是將一種氧化物加入到另一種氧化物中，從而混合了兩種氧化物的優(yōu)點而消除或降低了它們的缺點，使材料的性能達到最優(yōu)。


圖1為純三氧化二釓(Gd2O3)和三氧化二釔(Y2O3)的C-V曲線圖。
圖2為(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02樣品的J-V曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明制備三元高K材料的方法，包括下列步驟(1)以硅(Si)(100)單晶為襯底；(2)用磁控濺射系統(tǒng)在硅(Si)襯底上生長新型的(Gd2O3)1-x(Y2O3)x三元高K材料；(3)對于磁控濺射系統(tǒng)，基態(tài)真空度優(yōu)于2×10-5Pa，工作氣壓選為0.5Pa，氬氣與氧氣的流量比為4∶1；靶材為高純的金屬釓靶和金屬釔靶；釓靶的濺射功率為70W、釔靶的濺射功率為60W；襯底溫度500℃；在濺射前先將沉底蓋住對金屬靶進行30分鐘的預濺射以去處靶上的污染物。
(4)制得的新型(Gd2O3)1-x(Y2O3)x三元高K材料可以是晶態(tài)的也可以是非晶形式。
(5)用盧瑟福背散射譜(RBS)(如圖1所示)測得樣品的成分為(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02。
(6)將薄膜材料按常規(guī)方法制作成金屬氧化物半導體(MOS)柵極。
(7)在室溫下用電容-電壓測試儀4275Amulti-Frequency LCR測得上述樣品的C-V曲線，為了便于比較圖2中也給出了純三氧化二釓(Gd2O3)和三氧化二釔(Y2O3)的C-V曲線。通過計算發(fā)現(xiàn)，(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02的介電常數(shù)高達23，比三氧化二釓(Gd2O3)的介電常數(shù)高了40％，比三氧化二釔(Y2O3)的介電常數(shù)高了70％。用Keithley 4200電流計測試了樣品的漏電性能，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02薄膜的漏電流密度很低，在1V偏壓下的漏電流密度僅為為8.5×10-8A/cm2。這些結果說明(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02薄膜具有很好的介電性能。
實現(xiàn)本發(fā)明的最好方式(1)實現(xiàn)發(fā)明的主要設備，包括半導體薄膜制備設備；機械真空泵+擴散真空泵；溫度控制系統(tǒng)；半導體熱處理設備；電極制備系統(tǒng)；測試系統(tǒng)；以上設備按常規(guī)連接。
(2)對于磁控濺射系統(tǒng)，基態(tài)真空度優(yōu)于2×10-5Pa，工作氣壓選為0.5Pa(可調)，氬氣與氧氣的流量比為4∶1(可調)；靶材為高純的金屬釓靶和金屬釔靶；釓靶的濺射功率為70W(可調)、釔靶的濺射功率為60W(可調)；襯底溫度500℃(室溫～800℃連續(xù)可調)；在濺射前先將沉底蓋住對金屬靶進行30分鐘的預濺射以去處靶上的污染物。
(3)根據(jù)需要對獲得的高K材料進行其它工藝處理，如熱處理，光刻，制作電極等。
權利要求
1.一種制備三元高K材料的方法，其特征在于選擇半導體襯底，然后在襯底上用濺射的方法生長三元高K薄膜材料。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于包括下列步驟a)選擇半導體襯底；b)薄膜生長所用的方法是濺射法；c)在b)步中，制備時通過調整濺射系統(tǒng)中的靶距，或通過改變?yōu)R射功率來調整其中的氧化物含量，以得到性質最優(yōu)三元高K薄膜材料。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述b)步中，或先在襯底上生長一層過渡層，再用濺射的方法生長組分可調的三元高K薄膜材料。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述半導體襯底，為硅、砷化鎵、磷化銦、銻化鎵單晶片。
5.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述三元高K薄膜材料，是(Gd2O3)1-x(A2O3)x柵介質材料，其中A＝Y或Al，0≤x≤1。
6.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述三元高K薄膜材料，既可以是晶態(tài)形式也可以是非晶態(tài)形式。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述c)步中，當釓靶距為6cm、釔靶距為7cm、釓的濺射功率為70W、釔的濺射功率為60W時，所制備的三元高K材料性質最優(yōu)，其中各氧化物成分為(Gd2O3)0.98(Y2O3)0.02，介電常數(shù)可高達23，比三氧化二釓的介電常數(shù)高了40％，比三氧化二釔的介電常數(shù)高了70％。
8.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在濺射前先將沉底蓋住，對金屬靶進行預濺射以去處靶上的污染物。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備高K柵介質材料的方法，特別是指一種制備組分可調的新型三元高K材料的方法。該方法，即在半導體襯底上用濺射的方法生長三元高K薄膜材料。包括步驟a)選擇硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和銻化鎵(GaSb)作為半導體襯底；b)薄膜生長所用的方法是濺射法；c)在b)步中，制備時通過調整濺射系統(tǒng)中的靶距，或通過改變?yōu)R射功率來調整其中的氧化物含量，以得到所需的三元高K薄膜材料；d)在c)步中，當釓距為6cm、釔距為7cm、釓的濺射功率為70W、釔的濺射功率為60W時，所制備的三元高K材料性質最優(yōu)，其中各氧化物成分為(Gd
文檔編號C23C14/08GK1779925SQ200410009860
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月25日 優(yōu)先權日2004年11月25日
發(fā)明者李艷麗, 陳諾夫, 劉立峰, 尹志剛, 楊菲, 柴春林 申請人:中國科學院半導體研究所