一种利用ald制备栅介质结构的方法

文档序号:7145895阅读:125来源:国知局
专利名称:一种利用ald制备栅介质结构的方法
技术领域
本发明涉及制备集成电路器件的技术领域,具体涉及一种利用ALD制备栅介质结构的方法。
背景技术
随着集成电路技术的高速发展,MOS场效应管的特征尺寸的不断缩小,SiO2作为栅介质材料已不能满足45nm以下集成电路技术发展的需求,利用高k栅介质取代SiO2栅介质可以在保持等效氧化层不变的条件下增加介质层的物理厚度,从而有效减小栅极漏电。11 )2作为一种近期研究较多的栅介质材料,它具有较高的介电常数(相对介电常数约为25)、稳定的化学性质以及足够的能带差。有实验表明,当使用HfO2作为集成电路中器件的栅介质层的时候,由于其结晶温度低(约为400°C )等缺点,会有很大的迟滞电压,以及较大的漏电流,同时器件的 击穿电压也比预期的要低。当使用Al2O3作为器件的栅介质时,其折射率和介电常数要比氧化铪的小的多。通过往HfO2里面掺杂SiO2或者Al2O3的方法可以提高介质的结晶温度。有报道称Al2O3中掺入HfO2形成HfAlO可以明显改善介质薄膜的热稳定性以及电学性能。除此之外这种掺杂的复合Hf基高k栅介质还具有⑴较强的抗硼穿透能力;(2)更小的平带电压漂移;(3)低的电荷陷阱密度;(4)较高的迁移率等优点,因此复合Hf基高k栅介质逐渐成为近期研究的焦点。这种在HfO2中掺入Al2O3的结构,是首先生长一层HfO2,之后在前一层上生长一层新的Al2O3,这种新的栅极的结构,就是将原来的一层分为两层。在器件的性能上,有相当的文献研究了 Al203/Hf02叠层做栅介质时其介电常数比较高,同时也没有电压的迟滞,器件的击穿电压也很高,但是它在低电压下的栅极漏电流很大,不能满足器件的要求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种利用ALD制备栅介质结构的方法,实现HfO2和Al2O3的交叠生长,提高器件的电学性能。为了达到上述目的,本发明采用的技术方案如下一种利用ALD制备栅介质结构的方法,包括如下步骤步骤(I),将衬底放入ALD设备的腔室中;步骤(2),在所述衬底表面生长单层HfO2 ;步骤(3),在所述单层HfO2表面生长单层Al2O3 ;步骤(4),重复步骤(2)和步骤(3),得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。上述方案中,在步骤(I)之前,包括如下步骤对所述衬底进行标准的RCA清洗,使用%504:11202=5:100煮沸5分钟;再用去离子水(DI water)冲洗;然后使用HF:H20=5:95浸泡2分钟;最后使用N2吹干。上述方案中,在步骤(I)和步骤(2)之间,包括如下步骤对所述腔室进行抽真空,同时对所述ALD设备的外围需要加热的部件进行加热;待所述腔室的真空抽到Itorr以下后,对所述衬底进行加热。上述方案中,所述步骤(2)具体包括如下步骤通过载气向所述腔室通入四甲乙氨铪,所述四甲乙氨铪充分吸附在所述衬底上;通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的四甲乙氨铪完全清除;通过载气向所述腔室中通入H2O,与所述衬底表面吸附的四甲乙氨铪完全反应,反应产物被抽出所述腔室,所述衬底表面生长出单层HfO2 ;通过吹扫气体将所述腔室内未反应的H2O完全清除。上述方案中,所述步骤(3)具体包括如下步骤通过载气向所述腔室通入三甲基铝,所述三甲基铝充分吸附在所述单层HfO2的表面;通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的三甲基铝完全清除;通过载气向所述腔室中通入H2O,与所述单层HfO2表面吸附的三甲基铝完全反应,反应产物被抽出所述腔室,所述单层HfO2表面生长出单层Al2O3 ;通过吹扫气体将所述腔室内为反应的H2O完全清除。上述方案中,所述载气和吹扫气体均为N2。上述方案中,所述N2的压力为0. 2MPa。上述方案中,所 述ALD设备中通入的压缩空气的压力为0. 4MPa。与现有技术相比,本发明的有益效果是在整个ALD生长新的过程中,由于在每个循环中实现了 Hf原子与AL原子的单层沉积,能够使Hf原子和铝原子在薄膜中的分布更加均匀。与传统的单纯的Al203/Hf02相比,这将会改变薄膜的介电系数,对薄膜的电学性能有很大的改善。本发明制备出的HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构与现有技术中的双层的Al203/Hf02的结构相比,能够充分的实现Hf和Al的原子的结合,同时会改变薄膜中的Hf-O键和Al-O键相对的比例,对薄膜的折射率n和介电常数有着重要的改性。


图1为本发明实施例提供的在ALD —个循环过程中单层HfO2生长的示意图;图2为本发明实施例提供的在新生长的HfO2表面上进行单层Al2O3生长的示意图;图3为经过有限个ALD循环过程后所生长成的栅介质薄膜的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。本发明实施例提供一种利用ALD制备栅介质结构的方法,包括如下步骤步骤101,对衬底进行标准的RCA清洗,使用H2SO4:H202=5:100煮沸5分钟;再用去离子水(DI water)冲洗;然后使用HF:H20=5:95浸泡2分钟;最后使用N2吹干;步骤102,将衬底放入ALD设备的腔室中;对腔室进行抽真空,同时对ALD设备的外围需要加热的部件进行加热;待腔室的真空抽到Itorr以下后,对衬底进行加热;
步骤103,通过载气N2向腔室通入四甲乙氨铪,四甲乙氨铪充分吸附在衬底上;步骤104,通过吹扫气体N2将腔室内未被吸附的四甲乙氨铪完全清除;步骤105,通过载气队向腔室中通入H2O,与衬底表面吸附的四甲乙氨铪完全反应,反应产物被抽出腔室,衬底表面生长出单层HfO2 ;步骤106,通过吹扫气体N2将腔室内未反应的H2O完全清除;步骤107,通过载气N2向腔室通入三甲基铝,三甲基铝充分吸附在单层HfO2的表面;步骤108,通过吹扫气体N2将腔室内未被吸附的三甲基铝完全清除;步骤109,通过载气N2向腔室中通入H2O,与单层HfO2表面吸附的三甲基铝完全反应,反应产物被抽出所述腔室,单层HfO2表面生长出单层Al2O3 ;步骤110,通过吹扫气体N2将腔室内为反应的H2O完全清除;步骤111,重复步骤(3)至步骤(10)若干次,得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。本实施例中,N2的压力为0. 2MPa,压缩空气的压力为0. 4MPa。使用ALD设备实现本发明实施例的具体步骤为步骤1:选取8寸硅片,进行标准的RCA清洗,H2SO4:H202=5 100煮沸5分钟;DIwater (去离子水)冲洗;HF:H20=5:95浸泡2分钟;N2吹干。步骤2 :对P EALD设备进行开机,在试验中采用的载气以及吹扫气体都是N2,将N2的压力调至0. 2MPa,将压缩空气的压力调制0. 4MPa左右,打开设备;压缩空气主要是控制完成对每个循环中的气动阀的开启与关闭。步骤3 :将清洗好的硅片放入腔室,对腔室进行抽真空,同时对设备的外围需要加热的部件进行加热(衬底除外)。步骤4 :等到真空抽到Itorr以下后,对衬底进行加热,同时开启载气。下述步骤如图1和图2所示步骤5-1 :编写工艺的配方,在一个周期中首先进行HfO2的生长;在经过标准的RCA清洗的硅片上含有大量的羟基,调节Hf源四甲乙氨铪(TEMAH)的通入时间,以便使TEMAH能够在衬底上充分的吸附。步骤5-2 :确定对TEMAH的吹扫时间,使多余的未被吸附的TEMAH被完全清除。步骤5-3 :确定H2O的通入时间,确保水的量能够与步骤5-1中衬底表面吸附的TEMAH完全反应,同时反应产物被抽走。步骤5-4 :确定H2O的吹扫时间,使步骤5-3反应多余的H2O完全被清除。步骤5-5 :确定三甲基铝(TMA)的通入时间,使TMA在步骤5_4之后形成的表面上完成充分吸附。步骤5-6 :确定TMA的吹扫时间,使多余的TMA被清除出腔室。步骤5-7 :确定H2O的通入时间,确保水的量能够与步骤5-5中衬底表面吸附的TMA完全反应,生长出Al2O3,同时反应产物被抽走。步骤5-8 :确定H2O的吹扫时间,使步骤5-7反应多余的H2O完全被清除。步骤5-9 :设置整个ALD的循环的周期总数(将步骤5_1至5_8重复执行)。步骤6:等到所有的条件满足工艺进行的条件时,稳定设备半小时,开始工艺。
步骤7 :待工艺完成后,对设备进行清洗。此时栅介质薄膜结构如图3所示。步骤8:关闭设备。本发明在整个ALD生长新的过程中,由于在每个循环中实现了 Hf原子与AL原子的单层沉积,能够使Hf原子和铝原子在薄膜中的分布更加均匀。与传统的单纯的Al2O3/HfO2相比,这将会改变薄膜的介电系数,对薄膜的电学性能有很大的改善。本发明制备出的HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构与现有技术中的双层的Al203/Hf02的结构相比,能够充分的实现Hf和Al的原子的结合,同时会改变薄膜中的Hf-O键和Al-O键相对的比例,对薄膜的折射率n和介电常数有着重要的改性。以 上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,包括如下步骤 步骤(I),将衬底放入ALD设备的腔室中; 步骤(2),在所述衬底表面生长单层HfO2 ; 步骤(3),在所述单层HfO2表面生长单层Al2O3 ; 步骤(4),重复步骤(2)和步骤(3),得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。
2.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,在步骤(I)之前,包括如下步骤对所述衬底进行标准的RCA清洗,使用H2SO4 :H202=5:100煮沸5分钟;再用去离子水冲洗;然后使用HF:H20=5:95浸泡2分钟;最后使用N2吹干。
3.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,在步骤(I)和步骤(2)之间,包括如下步骤对所述腔室进行抽真空,同时对所述ALD设备的外围需要加热的部件进行加热;待所述腔室的真空抽到Itorr以下后,对所述衬底进行加热。
4.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,所述步骤(2)具体包括如下步骤 通过载气向所述腔室通入四甲乙氨铪,所述四甲乙氨铪充分吸附在所述衬底上; 通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的四甲乙氨铪完全清除; 通过载气向所述腔室中通入H2O,与所述衬底表面吸附的四甲乙氨铪完全反应,反应产物被抽出所述腔室,所述衬底表面生长出单层HfO2 ; 通过吹扫气体将所述腔室内未反应的H2O完全清除。
5.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,所述步骤(3)具体包括如下步骤 通过载气向所述腔室通入三甲基铝,所述三甲基铝充分吸附在所述单层HfO2的表面; 通过吹扫气体将所述腔室内未被吸附的三甲基铝完全清除; 通过载气向所述腔室中通入H2O,与所述单层HfO2表面吸附的三甲基铝完全反应,反应产物被抽出所述腔室,所述单层HfO2表面生长出单层Al2O3 ; 通过吹扫气体将所述腔室内为反应的H2O完全清除。
6.如权利要求4或5所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,所述载气和吹扫气体均为N2。
7.如权利要求6所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,所述N2的压力为 0. 2MPa。
8.如权利要求1所述的利用ALD制备栅介质结构的方法,其特征在于,所述ALD设备中通入的压缩空气的压力为0. 4MPa。
全文摘要
本发明涉及制备集成电路器件的技术领域,具体涉及一种利用ALD制备栅介质结构的方法。所述方法,包括如下步骤步骤(1),将衬底放入ALD设备的腔室中;步骤(2),在所述衬底表面生长单层HfO2;步骤(3),在所述单层HfO2表面生长单层Al2O3;步骤(4),重复步骤(2)和步骤(3),得到HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构。本发明制备出的HfO2和Al2O3交叠生长的栅介质结构能够充分的实现Hf和Al的原子的结合,以及相互之间的作用,提高栅介质的电学性能。
文档编号H01L21/285GK103065955SQ201210477230
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者董亚斌, 夏洋, 李超波, 张阳 申请人:中国科学院微电子研究所
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