专利名称：一种改善高阻soi衬底上高介电常数栅介质性能的方法
技术领域：
本发明属于微电子领域，涉及一种改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的 方法。
背景技术：
随着微电子技术的迅猛发展，高性能、高集成度、多功能IC的研发对材料的要求 越来越苛刻，绝缘体上的硅(Silicon on insulator, SOI)材料是新型硅基集成电路材料， 被誉为“21世纪的新型硅基集成电路技术”。当采用高阻SOI (HRSOI)衬底时，可切断衬底 注入噪声通道，降低电容耦合，减小与衬底相关的射频损耗，进而提高有源器件和无源器件 性能，尤其是HRSOI衬底在与射频电路、压控振荡器和低噪声放大器等合成时还可进一步 突出模拟/数字混合电路的优势，使它们在工作期间具有更高、更稳定的性能以适应各种 工艺的变化和扰动效应。根据“摩尔定律”，单芯片上的晶体管数量应当每2年增加一倍。但是，作为电子元 器件栅介质的传统材料——Sio2W减薄有其内在物理极限，超过此极限将导致器件的隧穿 漏电流、针孔缺陷、性能失效等问题愈发严重。因此，一些集成电路研究和制造机构已经开 始探索，在集成电路当中，采用一些取代SiO2的高介电常数栅介质材料，如Intel公司已研 发出45纳米高k制程技术。HfO2薄膜具有较理想的介电常数、禁带宽度、以及导价带偏移，是公认的可以替代 SiO2的高k栅介质。但是Hf02薄膜的结晶温度通常低于700°C，导致漏电增大、界面态密 度增大、电学性能重复性差等问题出现；另外，Si和0元素在HfO2薄膜中的扩散速率很高， 在界面和薄膜中非常容易形成铪基酸化物以及铪基硅酸盐，进而降低HfO2薄膜性能。注氧隔离技术制备的HRSOI衬底的顶层硅内各种缺陷密度远大于体硅，在HRSOI 衬底上生长HfO2薄膜过程中会造成界面层的过渡生长以及0和Si的大量扩散，严重制约 HRSOI上高k栅介质技术的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质 性能的方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。一种改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，所述方法包括以下步 骤步骤一，将高阻SOI衬底进行预处理，然后装入薄膜沉积腔内；步骤二，在高阻SOI衬底的上表面原位生长厚度不大于Inm的Al2O3薄膜；步骤三，在所述Al2O3薄膜上原位生长厚度不大于30nm的HfO2薄膜；步骤四，在所述HfO2薄膜上原位沉积吸氧金属盖帽层；步骤五，退火处理。
作为本发明的一种优选方案，所述薄膜沉积腔为超高真空电子束蒸发腔。作为本发明的另一种优选方案，步骤一中，所述预处理的具体方法为利用标准半 导体工艺对所述高阻SOI衬底进行清洗，然后将清洗后的高阻SOI衬底放在稀释的HF中浸 泡1分钟。作为本发明的再一种优选方案，步骤二中，所述Al2O3薄膜的详细生长方法为将 所述高阻SOI衬底加热到300°C后，通过超高真空电子束蒸发Al2O3陶瓷靶，在所述高阻SOI 衬底的原位生长Al2O3薄膜。作为本发明的再一种优选方案，步骤三中，所述肚02薄膜的详细生长方法为通过 超高真空电子束蒸发HfO2陶瓷靶，在所述Al2O3薄膜的原位形成HfO2薄膜，所述HfO2薄膜 为非晶HfO2高1^栅介质薄膜。作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，所述吸氧金属盖帽层的详细生长方法 为通过电子束蒸发金属靶，在所述HfO2薄膜的原位形成吸氧金属盖帽层。作为本发明的再一种优选方案，所述金属靶为Ti金属靶，所述吸氧金属盖帽层为 Ti金属盖帽层。作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，所述吸氧金属盖帽层形成后，利用选择 湿法刻饰未反映的吸氧金属和反映产物。作为本发明的再一种优选方案，步骤五中，所述退火处理的方法为在N2气氛中进 行3分钟的700°C快速热退火处理。作为本发明的再一种优选方案，所述Al2O3薄膜和HfO2薄膜的生长温度均保持在 300 "C。本发明的有益效果在于本发明抑制了界面层生长，有利于高k栅介质等效栅氧 厚度的减薄，提高了高k栅介质的结晶温度，减少了界面层厚度和界面态密度，改善了高阻 SOI上高k栅介质的电学性能。
图1为有Al2O3阻挡层的高k栅介质与没有阻挡层的高k栅介质的 EDX(EnergyDispersive X-Ray Fluoresence Spectrometer)兀素分布不意图；图2为有Al2O3阻挡层的HfO2栅介质与没有阻挡层的HfO2栅介质的电学性能比较 示意图；图3为Ti盖帽层保护下退火样品和原位样品的高分辨X射线反射率测量曲线和 拟合曲线，框图为拟合模型；图4为原位生长样品和吸氧金属盖帽层保护下退火处理后样品的电学性能测试 图；图5为本发明所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法的流程 图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。实施例一
本实施例提供一种改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，用以抑 制HRSOI和HfO2之间界面层生长和控制0和Si扩散。HRSOI材料是包括顶层硅、隐埋氧 化层、衬底硅三层结构的材料，中间的隐埋氧化层(BOX)与顶层硅和衬底硅都是直接的物 理接触，隐埋氧化层起到电学隔离顶层硅和衬底硅的作用。厚膜绝缘体上的硅厚度不小于 200nm,阻挡层Al2O3厚度不大于lnm，退火保护气氛为高纯N2,后退火温度不高于700°C。本 实施例主要是通过在HRSOI衬底和HfO2薄膜之间插入热稳定性好的Al2O3阻挡层(又称 Al2O3薄膜)或在HfO2薄膜上原位覆盖吸氧金属盖帽层实现的。[Al2O3阻挡层首先将HRSOI衬底利用标准半导体清洗工艺进行清洗，在稀释的HF中浸泡1分 钟，然后装入薄膜沉积腔内。HRSOI衬底温度保持在300°C，原位生长厚度小于Inm的Al2O3薄膜，然后生长HfO2 薄膜。HfO2薄膜的生长温度保持在300°C，有利于均勻薄膜的生长，同时提高薄膜和衬底之 间的粘着力。Al2O3的厚度过大会限制高k栅介质栈的等效栅氧厚度的缩小，过小会影响薄 膜的均勻性和抑制HfO2结晶的作用。最后薄膜在N2气氛下进行3分钟的700°C快速热退火处理，使薄膜更均勻，减小缺 陷密度。Al2O3阻挡层不仅能抑制后续退火过程中界面层的进一步生长，而且能降低0和Si 元素的扩散率。吸氧金属盖帽层通过薄膜沉积方法在HRSOI衬底上生长HfO2薄膜之后，原位形成吸氧金属薄膜盖 帽层，衬底温度保持在300°C。吸氧金属盖帽层过薄无法起到阻止0扩散的目的，过厚不利 于退火后的清洗工作，吸氧金属盖帽层厚度应不大于30nm。将带有吸氧金属盖帽层的HfO2栈结构在N2气氛中进行3分钟的700°C快速热退 火处理，然后利用选择湿法刻饰未反应的吸氧金属和反应产物。Ti金属薄膜可以阻止退火工作腔内氧元素扩散到HfO2薄膜中，进而抑制界面层生 长。实施例二本实施例描述了实施例一所述的Al2O3阻挡层的详细生长过程，该过程包括以下 步骤(1)选取电阻率大于1000 Ω · cm的注氧隔离方法形成的HRSOI片，用半导体标准 工艺清洗后切成若干小片，在稀释的HF酸中浸泡1分钟去除HRSOI片表面的SiO2,放入超 高真空电子束蒸发腔内；(2) HRSOI片加热到300°C后，通过电子束蒸发Al2O3陶瓷靶，原位生长Inm的Al2O3 薄膜；(3)电子束蒸发HfO2陶瓷靶，形成5nm的非晶HfO2高k栅介质薄膜；(4)在N2气氛保护下700°C快速退火3分钟。本实施例所述的Al2O3阻挡层提高了 HfO2的结晶温度，抑制了界面层的生长，改善 了 HRSOI与高k栅介质的界面平滑度。由图1可以看出Al2O3阻挡层抑制了 Si元素的扩 散，控制了硅酸盐和硅酸化物的形成。由图2可以看出具有Al2O3阻挡层的样品电容率相对提高，平带电压相对偏移量小，这说明有Al2O3阻挡层(with BL)的样品的界面层厚度减小， 而且界面态密度降低，同时也说明在HRSOI衬底和HfO2薄膜之间插入一层Al2O3阻挡层的 方法有利于提高栅介质的电学性能。图2的横坐标为栅偏置电压(Gate bias)，纵坐标为电 ^ (Capacitance)。实施例三本实施例描述了实施例一所述的吸氧金属盖帽层的详细生长过程，该过程包括以 下步骤(1)选取电阻率大于1000 Ω · cm的注氧隔离方法形成的HRSOI片，用半导体标准 工艺清洗后切成若干小片，在稀释的HF酸中浸泡1分钟去除表面SiO2，放入超高真空电子 束蒸发腔内；(2)HRSOI片加热到300°C，通过电子束蒸发HfO2陶瓷靶，形成5nm的非晶HfO2高 k栅介质薄膜，然后电子束蒸发Ti金属靶，原位形成30nm的Ti金属盖帽层；(3)然后在N2气氛保护下700°C快速退火3分钟，利用湿法选择刻蚀掉未反应的 Ti、反应产物TiN以及Ti02。图3显示了吸氧金属盖帽层保护下退火样品(annealed)和原位样品 (as-deposited)的高分辨X射线反射率测量曲线和拟合曲线，框图为拟合模型。由图 3可知，原位生长的样品有2nm厚的界面层，该界面层分别由0.5nm HfAlSiO和1. 5nm Six(Si02)1_x(x<2)组成。在吸氧金属盖帽层保护下退火的样品的界面层仅由l.Onm的 SiO2组成。这说明吸氧金属盖帽层不仅抑制了退火过程中外界氧元素向薄膜内部的扩散， 同时使界面层分解，释放出氧元素，形成类似于Si02/Si理想界面的结构。图4显示了吸氧金属盖帽层保护下退火样品和原位样品的电学性能；其中图(a) 表示电容曲线，图(b)表示泄漏电流曲线。由图4可见退火后样品的最大积累电容增大，积 累与耗尽区之间曲线陡峭，而且泄漏电流降低。这说明栅介质的等效栅氧厚度减小，栅介质 薄膜更加致密，界面态密度减小，这与图3的结果是一致的，这说明在HfO2栅介质薄膜上原 位沉积吸氧金属盖帽层有利于提高栅介质的热稳定性和电学性能。本发明所述方法改善了高k栅介质的电学性能，其体现在抑制了界面层生长，有 利于高k栅介质等效栅氧厚度的减薄。没有Al2O3阻挡层的样品，界面层厚度大于3nm，且厚 度不均勻；而有Al2O3阻挡层的样品，界面层厚度明显减小，控制在Inm左右，且厚度均勻。本发明所述方法提高了高k栅介质的热稳定性，其体现在提高了高k栅介质的结 晶温度。有Al2O3阻挡层的HfO2薄膜在700°C高温退火之后仍然是非晶的，这有利于减小泄 漏电流；抑制了铪基酸化物和铪基硅酸盐的生长，使界面层主要由低缺陷密度的SiO2层构 成；HRSOI与高k介质薄膜之间的界面粗糙度明显降低，这有利于提高半导体器件的载流子 迁移率，减小界面态密度，进而减小泄漏电流和平带电压漂移，提高HfO2栅介质的电容率。本发明采用超高真空电子束蒸发方法实现阻挡层、高k栅介质层和吸氧金属盖帽 层原位生长，避免了传统硅衬底中采用多种方法制备带来的工艺污染和复杂性。这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例 中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实 施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明 的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。
权利要求
一种改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤步骤一，将高阻SOI衬底进行预处理，然后装入薄膜沉积腔内；步骤二，在高阻SOI衬底的上表面原位生长厚度不大于1nm的Al2O3薄膜；步骤三，在所述Al2O3薄膜上原位生长厚度不大于30nm的HfO2薄膜；步骤四，在所述HfO2薄膜上原位沉积吸氧金属盖帽层；步骤五，退火处理。
2.根据权利要求1所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于所述薄膜沉积腔为超高真空电子束蒸发腔。
3.根据权利要求2所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于步骤一中，所述预处理的具体方法为利用标准半导体工艺对所述高阻SOI衬底进行 清洗，然后将清洗后的高阻SOI衬底放在稀释的HF中浸泡1分钟。
4.根据权利要求2所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于步骤二中，所述Al2O3薄膜的详细生长方法为将所述高阻SOI衬底加热到300°C后， 通过超高真空电子束蒸发Al2O3陶瓷靶，在所述高阻SOI衬底的原位生长Al2O3薄膜。
5.根据权利要求2所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于步骤三中，所述HfO2薄膜的详细生长方法为通过超高真空电子束蒸发HfO2陶瓷靶， 在所述Al2O3薄膜的原位形成HfO2薄膜，所述HfO2薄膜为非晶HfO2高k栅介质薄膜。
6.根据权利要求2所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于步骤四中，所述吸氧金属盖帽层的详细生长方法为通过电子束蒸发金属靶，在所述 HfO2薄膜的原位形成吸氧金属盖帽层。
7.根据权利要求6所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于所述金属靶为Ti金属靶，所述吸氧金属盖帽层为Ti金属盖帽层。
8.根据权利要求1所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于步骤四中，所述吸氧金属盖帽层形成后，利用选择湿法刻饰未反映的吸氧金属和反映 产物。
9.根据权利要求1所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于步骤五中，所述退火处理的方法为在队气氛中进行3分钟的700°C快速热退火处理。
10.根据权利要求1所述的改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，其特征 在于所述Al2O3薄膜和HfO2薄膜的生长温度均保持在300°C。
全文摘要
本发明公开了一种改善高阻SOI衬底上高介电常数栅介质性能的方法，该方法包括以下步骤步骤一，将高阻SOI衬底进行预处理，然后装入薄膜沉积腔内；步骤二，在高阻SOI衬底的上表面原位生长厚度不大于1nm的Al2O3薄膜；步骤三，在所述Al2O3薄膜上原位生长厚度不大于30nm的HfO2薄膜；步骤四，在所述HfO2薄膜上原位沉积吸氧金属盖帽层；步骤五，退火处理。本发明抑制了界面层生长，有利于高k栅介质等效栅氧厚度的减薄，提高了高k栅介质的结晶温度，减少了界面层厚度和界面态密度，改善了高阻SOI上高k栅介质的电学性能。
文档编号H01L21/283GK101924030SQ201010231639
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者何大伟, 俞跃辉, 宋朝瑞, 徐大伟, 王中健, 程新红 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所;上海新傲科技股份有限公司