高k二氧化鉿非晶薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有HfO2薄膜材料的制備工藝采用摻雜或加溫的方式制作，不能完全生成非晶薄膜的問題，提供了一種高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其技術(shù)方案可概括為：首先將表面清潔后且去除表面自然氧化層的硅基片放入真空室基底，然后將表面打磨清潔處理后的金屬鉿靶作為靶材放入真空室靶位，關(guān)閉靶材擋板，利用高真空多功能射頻濺射鍍膜設(shè)備，對真空室抽真空，對基片進行反濺清潔，反濺清潔后打開并調(diào)整射頻電源及其功率，進行預(yù)濺射，最后調(diào)整氬氣通量，通入氧氣，打開靶材擋板正式進行二氧化鉿薄膜的濺射，形成二氧化鉿非晶薄膜。本發(fā)明的有益效果是，不會造成二氧化鉿薄膜晶化，適用于二氧化鉿非晶薄膜的制備。
【專利說明】高K 二氧化鉿非晶薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，特別涉及高介電常數(shù)HfO2 (二氧化鉿)非晶薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展對集成電路的密度和性能提出了更高的要求，典型的CMOS器件柵介質(zhì)薄膜的厚度變得越來越薄，并開始逐漸接近原子間距，由于柵介質(zhì)氧化層的直接隧穿而引起的泄漏電流和靜態(tài)功率損耗隨之顯著增加。因此，傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO2)柵介質(zhì)正日益趨于它的極限。使用高介電常數(shù)(高K)薄膜材料替代SiO2是目前最有希望解決此問題的途徑。采用這種材料可以在不增加電學(xué)厚度的前提下允許增加絕緣層厚度，進而能夠降低漏電流。高K金屬氧化物主要是指元素周期表中副族和鑭系部分金屬元素的氧化物，主要包括三氧化二鋁(A1203)、五氧化二鉭(Ta205)、二氧化鈦(Ti02)、二氧化鋯(ZrO2)、二氧化鉿(HfO2)、二氧化鈰(CeO2)、三氧化二釔(Y2O3)等，這些材料的介電常數(shù)介于10-80之間，遠大于SiO2的3.9，尤其是Hf (鉿)元素的氧化物，因其具有較大的禁帶寬度、較好的熱穩(wěn)定性以及較大的與 硅接觸的勢壘，是最有希望替代SiO2的高K柵介質(zhì)材料，近年來已經(jīng)得到了廣泛的研究?？v觀該體系高K柵介質(zhì)薄膜的研究情況，不論是純氧化鉿薄膜還是氧化物摻雜體系，其制備工藝大多存在高溫過程，比如高溫?zé)Y(jié)靶材或者對薄膜進行高溫退火處理。制備工藝中不采用高溫處理而得到的氧化鉿薄膜基本是非晶態(tài)的，制備工藝的差異可能導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)少量單斜相晶態(tài)，這種含少量晶態(tài)的非晶薄膜不論在介電性能還是在薄膜的致密性、均勻程度以及組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上往往比經(jīng)過退火處理形成的晶態(tài)薄膜要差一些。然而HfO2純非晶薄膜既有較高的介電常數(shù)，又與金屬和半導(dǎo)體的表面都有更好的接觸，因此尋找一種室溫下制備氧化鉿非晶薄膜方法，可以有效地抑制界面異相的產(chǎn)生，又能免去繁瑣的高溫處理過程，并能得到致密性和織構(gòu)性均良好的氧化鉿薄膜，成為一項創(chuàng)新的研究。經(jīng)過對相關(guān)文獻的查詢發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的氧化鉿體系薄膜多是以脈沖激光沉積(西北有色金屬研究院.一種錳穩(wěn)定氧化鉿薄膜的制備方法(P).中國發(fā)明專利，CN101580927A.2009-11-18 ;北京有色金屬研究總院.一種氧化鉿摻雜氧化鈰柵電介質(zhì)材料及其制備方法(P).中國發(fā)明專利，CN101265125A.2008-09-17)以及原子層沉積(微米技術(shù)有限公司.氧化鉿鋁介質(zhì)薄膜(P).中國發(fā)明專利，CN1672244A.2005-09-21)等方式制備的，而通過磁控濺射(鹿芹芹，劉正堂，劉文婷，張淼.射頻磁控反應(yīng)濺射制備HfO2薄膜的工藝及電性能(J).西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2008 (4) =249-253)制備具有較好結(jié)構(gòu)和性能的氧化鉿薄膜體系的較少。上述薄膜體系多屬于通過摻雜改善性能或經(jīng)高溫退火處理以晶化薄膜結(jié)構(gòu)，而沒有通過由特定的磁控反應(yīng)濺射工藝參數(shù)以制備氧化鉿非晶薄膜的有關(guān)報道。由于反應(yīng)磁控濺射具有以下鮮明特點:所用的靶材料和反應(yīng)氣體等具備很高的純度，有利于制備高純度的化合物薄膜；調(diào)節(jié)沉積工藝參數(shù)可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜從而達到通過調(diào)節(jié)薄膜的組成來調(diào)控薄膜特性的目的；沉積過程中基板溫度一般不會有很大的升高，而且成膜過程通常也并不要求對基板進行很高溫度的加熱，因此對基板材料的限制以及薄膜成分的變化影響較少；反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而且磁控濺射法發(fā)展較為成熟，所制備膜層的質(zhì)量較好，與基底結(jié)合牢固，具有較好重復(fù)性和良好的臺階覆蓋，因此可用于這類HfO2薄膜的制備。而利用金屬鉿與氧氣進行反應(yīng)濺射能更充分地改善薄膜的組織結(jié)構(gòu)，得到性能更加良好的非晶薄膜。在反應(yīng)濺射中等離子體中流通電流較大，在反應(yīng)氣體O2分子的分解、激發(fā)和電離等過程中，該電流起著重要作用。因此，磁控反應(yīng)濺射中能產(chǎn)生一股強大的由載能游離原子團組成的粒子流伴隨著濺射出來的Hf靶原子從陰極靶流向基片，在基片上克服與薄膜生長有關(guān)的激活能且形成致密而均勻的化合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服目前HfO2薄膜材料的制備工藝采用摻雜或加溫的方式制作，不能完全生成非晶薄膜的缺點，提供一種高K 二氧化鉿非晶薄膜的制備方法。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，高K 二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: [0005]步驟1、對硅基片進行表面清潔處理，并去除硅基片表面的自然氧化層，放入真空室基底；
[0006]步驟2、對金屬鉿靶進行表面打磨清潔處理，作為靶材放入真空室靶位，靶位與基底相對應(yīng)并具有一定垂直距離，且將靶材擋板關(guān)閉，所述靶材擋板設(shè)置在靶位上，且位于靶材與基底之間靠近靶材的位置；
[0007]步驟3、利用高真空多功能射頻濺射鍍膜設(shè)備，對真空室進行抽真空；
[0008]步驟4、通入適量氬氣并打開偏壓裝置對基片進行反濺清潔，反濺清潔一定時間后關(guān)閉偏壓設(shè)備，打開射頻電源并調(diào)整射頻電源功率；
[0009]步驟5、進行預(yù)濺射，對靶材進行表面清潔；
[0010]步驟6、調(diào)整氬氣通量，通入氧氣，打開靶材擋板正式進行二氧化鉿薄膜的濺射，經(jīng)過沉積形成二氧化鉿非晶薄膜。
[0011 ] 具體的，步驟I中，所述娃基片為晶向(100)的η型娃基片。
[0012]進一步的，所述步驟I具體為:將硅基片用超聲波清洗儀在丙酮和酒精中分別清洗一段固定時間以進行表面清潔處理，烘干后放入一定濃度的氫氟酸溶液中浸泡一段時間以除去硅基片表面的自然氧化層，使用離子水清洗該硅基片，在氮氣氣氛下完全干燥后放入真空室基底。
[0013]具體的,所述一段固定時間為10-15分鐘,一定濃度為5%濃度,一段時間為I-2分鐘。
[0014]再進一步的,步驟2中，所述一定垂直距離為50mm。
[0015]具體的，步驟3中，所述預(yù)抽背底真空的真空度小于等于7X10_4Pa。
[0016]再進一步的，步驟4中，所述射頻電源功率為150W-300W，一定時間為15-20分鐘。
[0017]具體的，步驟5中，所述進行預(yù)濺射的時間為5-15分鐘。
[0018]具體的，步驟6中，所述進行二氧化鉿薄膜的濺射時，基底進行自旋。
[0019]再進一步的，步驟6中，所述気氣通量為120sccm,氧氣通量為40-70sccm ;所述沉積形成二氧化鉿非晶薄膜的時間為10-30分鐘。[0020]本發(fā)明的有益效果是，通過上述高K 二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，利用較為成熟的射頻磁控濺射技術(shù)制備二氧化鉿非晶薄膜，不會造成二氧化鉿薄膜晶化，該薄膜具有優(yōu)化的組織配比和良好致密性，采用的技術(shù)關(guān)鍵是金屬鉿靶材的選擇和通入氣體比例的控制，由于該方法整個過程在室溫下進行，可以有效地抑制高溫下制備氧化鉿薄膜出現(xiàn)多相混存、界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等導(dǎo)致薄膜介電性能下降的因素，從而得到組織和結(jié)構(gòu)較為優(yōu)化的非晶態(tài)高K 二氧化鉿薄膜。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明適用于高K 二氧化鉿非晶薄膜的制備方法的流程圖；
[0022]圖2為氬氣與氧氣通量比為120:50sCCm時制備的二氧化鉿薄膜的X射線衍射分析(XRD)譜圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖及實施例，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0024]本發(fā)明高K 二氧化鉿非晶薄膜的制備方法的流程圖參見圖1，其方法具體為:首先對硅基片進行表面清潔處理，并去除硅基片表面的自然氧化層，放入真空室基底，然后對金屬鉿靶進行表面打磨清潔處理，作為靶材放入真空室靶位，靶位與基底相對應(yīng)并具有一定垂直距離，且將靶材擋板關(guān)閉，所述靶材擋板設(shè)置在靶位上，且位于靶材與基底之間靠近靶材的位置，再利用高真空多功能射頻濺射鍍膜設(shè)備，對真空室進行抽真空，然后通入適量氬氣并打開偏壓裝置對基片進行反濺清潔，反濺清潔一定時間后關(guān)閉偏壓設(shè)備，打開射頻電源并調(diào)整射頻電源功率，再進行預(yù)濺射，對靶材進行表面清潔，最后調(diào)整氬氣通量，通入氧氣，打開靶材擋板正式進行二氧化鉿薄膜的濺射，形成二氧化鉿非晶薄膜。
[0025]實施例
[0026]本例中采用QX-500高真空多功能鍍膜設(shè)備，本例中高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法的制備方法，包括如下步驟:
[0027]A、對硅基片進行表面清潔處理，并去除硅基片表面的自然氧化層，放入真空室基
。
[0028]本步驟中，硅基片為IOmmX IOmm的η型晶向(100)的單拋硅基片，本步驟具體為:將硅基片用超聲波清洗儀在丙酮和酒精中分別清洗一段固定時間以進行表面清潔處理，該一段固定時間為10-15分鐘，烘干后放入一定濃度的氫氟酸溶液中浸泡一段時間以除去娃基片表面的自然氧化層，該一定濃度可以為5%左右,該一段時間為I-2分鐘,使用離子水清洗該硅基片，在氮氣氣氛下完全干燥后放入真空室基底。
[0029]B、對金屬鉿靶進行表面打磨清潔處理，作為靶材放入真空室靶位，靶位與基底相對應(yīng)并具有一定垂直距離，且將靶材擋板關(guān)閉，所述靶材擋板設(shè)置在靶位上，且位于靶材與基底之間靠近靶材的位置，未正式濺射時處于關(guān)閉狀態(tài)，在下述的預(yù)濺射過程中起到阻擋靶原子的作用。
[0030]本步驟中，一定垂直距離可以為50mm左右，其為可調(diào)參數(shù)，根據(jù)實際情況可自行設(shè)定，靶材與靶材擋板之間垂直距離為I-2厘米。
[0031]C、利用高真空多功能射頻濺射鍍膜設(shè)備，對真空室進行抽真空。[0032]本步驟中，預(yù)抽背底真空的真空度小于等于7X 10_4Pa，即至少為7X 10_4Pa。
[0033]D、通入適量氬氣并打開偏壓裝置對基片進行反濺清潔，反濺清潔一定時間后關(guān)閉偏壓設(shè)備，打開射頻電源并調(diào)整射頻電源功率。
[0034]本步驟中，該射頻電源功率為150W-300W，該一定時間為15-20分鐘，此時通入適量氬氣是指:氬氣通量為120sCCm。反濺清潔是指:將真空金屬腔體外殼接地同時接偏壓電源輸出正極，將基片接偏壓電源輸出負極，當(dāng)偏壓電源輸出的負偏壓值足夠高，到達的高能離子會將基片表面的原子濺射下來，這種將基材原子濺射下來的過程稱為“反濺射”?？梢郧宄砻娴难趸瘜?、加工毛刺、油潰和污物，故又稱為基片的“反濺清洗”。此處由偏壓裝置完成這一過程，由于各種設(shè)備不盡相同，反濺過程也不是濺射薄膜的重要步驟，所以不需詳述。
[0035]E、進行預(yù)濺射，對靶材進行表面清潔。
[0036]本步驟中，需 預(yù)濺射5-15分鐘對靶材進行表面清潔。
[0037]F、調(diào)整氬氣通量，通入氧氣，打開靶材擋板正式進行二氧化鉿薄膜的濺射，沉積形成二氧化鉿非晶薄膜。
[0038]本步驟中，氬氣通量為120sccm，氧氣通量為40-70sccm，本例中氧氣通量以50sCCm為例；該沉積形成二氧化鉿非晶薄膜的時間一般為10-30分鐘。
[0039]通過以上工藝參數(shù)制備出的氧化鉿薄膜具有良好的致密性和均勻性，薄膜的具體特征如下:由X射線光電子能譜分析(XPS)檢測出薄膜中的主要成分為HfO2，并沒有出現(xiàn)硅化，氧鉿元素的含量比值介于1.5-1.7之間，這個值對于濺射制備的薄膜來說是比較理想的。由XRD (X射線衍射分析)檢測出薄膜是非晶態(tài)的，除卻最強的硅基底衍射峰外沒有明顯衍射峰，只有25°到35°之間有微弱的長寬起伏，參見圖2。由原子力顯微鏡(AFM)測試結(jié)果得出薄膜的平整度和均勻性理想，表示其表面平整度的值RMS為3-9nm左右。需要說明的是，由于制備薄膜的設(shè)備、環(huán)境的不同，例如不同的射頻功率源的功率往往有所差別，因而導(dǎo)致制備的氧化鉿薄膜的相關(guān)性能可能會有偏差，但只要抓住以上關(guān)鍵的幾個工藝參數(shù)，即使在不同環(huán)境下采用不同的濺射設(shè)備，如果在制備過程中把握好對于該設(shè)備對于成膜的影響因素，便可制備出組織和結(jié)構(gòu)都比較優(yōu)化的氧化鉿非晶薄膜。
【權(quán)利要求】
1.高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、對硅基片進行表面清潔處理，并去除硅基片表面的自然氧化層，放入真空室基底； 步驟2、對金屬鉿靶進行表面打磨清潔處理，作為靶材放入真空室靶位，靶位與基底相對應(yīng)并具有一定垂直距離，且將靶材擋板關(guān)閉，所述靶材擋板設(shè)置在靶位上，且位于靶材與基底之間靠近靶材的位置； 步驟3、利用高真空多功能射頻濺射鍍膜設(shè)備，對真空室進行抽真空； 步驟4、通入適量氬氣并打開偏壓裝置對基片進行反濺清潔，反濺清潔一定時間后關(guān)閉偏壓設(shè)備，打開射頻電源并調(diào)整射頻電源功率； 步驟5、進行預(yù)濺射，對靶材進行表面清潔； 步驟6、調(diào)整氬氣通量，通入氧氣，打開靶材擋板正式進行二氧化鉿薄膜的濺射，經(jīng)過沉積形成二氧化鉿非晶薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，所述硅基片晶向(100)的η型娃基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟I具體為:將硅基片用超聲波清洗儀在丙酮和酒精中分別清洗一段固定時間以進行表面清潔處理，烘干后放入一定濃度的氫氟酸溶液中浸泡一段時間以除去硅基片表面的自然氧化層，使用離子水清洗該硅基片，在氮氣氣氛下完全干燥后放入真空室基底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，所述一段固定時間為10-15分鐘，一定濃度為5%濃度，一段時間為I-2分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述一定垂直距離為50mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述預(yù)抽背底真空的真空度小于等于7X 10_4Pa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述射頻電源功率為150W-300W，一定時間為15-20分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，步驟6中，所述進行二氧化鉿薄膜的濺射時，基底進行自旋。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，步驟6中，所述IS氣通量為120sccm,氧氣通量為40-70sccm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述適用于高K二氧化鉿非晶薄膜的制備方法，其特征在于，步驟6中，所述沉積形成二氧化鉿非晶薄膜的時間為10-30分鐘。
【文檔編號】C23C14/54GK103451612SQ201310385092
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】唐武, 楊宇桐 申請人:電子科技大學(xué)