一種含鎂鋅氧的金屬－絕緣層－半導體結構及製備工藝的製作方法
2023-06-19 20:11:46 4
專利名稱：：一種含鎂鋅氧的金屬－絕緣層－半導體結構及製備工藝的製作方法
技術領域：
：本發明涉及立方相鎂鋅氧(MgZnO)晶體薄膜作為絕緣層的金屬—絕緣層—半導體(MIS)結構及製備工藝，即以其介電常數(κ)大於SiO2的立方相MgZnO為絕緣層，從而提高絕緣層的等效厚度，降低漏電流，適應微電子領域對大規模集成電路所面臨的尺寸不斷減小的要求；同時能與傳統的矽半導體器件製備工藝相兼容，屬於微電子
技術領域：
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背景技術：
：自1947年第一個電晶體面世以來，五十餘年裡微電子技術取得迅猛的發展，這種持續的增長在於器件的特徵尺寸越來越小，單個晶片上器件越來越多，性能不斷提高。MOS場效應電晶體(MOSFET)，動態隨機存儲器(DRAM)，快閃記憶體(Flash)和鐵電隨機存儲器(FeRAM)等的特徵尺寸不斷減小，對工藝和材料提出了新的要求。隨著器件特徵尺寸的不斷減小，尤其當光刻線寬小於0.1μm後，絕緣層(柵氧化物層)厚度開始逐漸接近原子間距。此時，受隧道效應的影響，柵極漏電流開始成為一個不容忽視的問題。根據ITRS(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductor)提出的行業內未來15年發展對於集成電路研發需求的共識，以SiO2作為絕緣層的MIS器件將於2005年達到可減小的理論極限值，解決這一問題的最重要途徑是採用高介電常數(κ)材料，從而實現大的等效厚度，減小漏電流。因此尋求寬禁帶、大介電常數，晶體質量好，且能與單晶矽工藝兼容的SiO2的替代材料成為該領域研究的重點。現有的可能替代SiO2的高κ材料有如表一所列，但是它們能否適合在集成電路中的應用，須考慮到一系列評價標準，包括工藝流程、介電常數、電容、禁帶寬度、隧道漏電流效應和可靠性等因素，所以到目前為止尚很少真正得到應用。表一2002年美國S.Choopunetal.首次成功利用脈衝雷射沉積(pulsedlaserdeposition，簡稱PLD)技術在白寶石襯底上外延生長立方相MgZnO(S.Choopunetal.，Realizationofbandgapabove5.0eVinmetastablecubic-phaseMgxZn1-xOalloyfilms，Appl.Phy.Lett.，80，1529(2002))並探討了其在光電器件領域應用的可行性。2003年我國浙江大學邱東江、吳惠楨等成功地在Si襯底上低溫生長立方相MgZnO晶體薄膜(邱東江、吳惠楨等，CharacterizationofcubicZnMgOfilmsgrownonSi(111)atlowsubstratetemperature，Chin.Phy.Lett.，Vol20，No4(2003)582)，本發明是將高介電常數(κ)立方相MgZnO晶體薄膜應用開發新的MIS器件的製備工藝。
發明內容立方相MgZnO晶體材料由於其較大的介電常數ε～10.7(意味著較大的等效厚度)，較寬的禁帶寬度＞5eV(意味著較小的漏電流)，同時製備工藝簡單，易於在單晶矽上直接外延生長得到高質量的晶體薄膜，而受到關注。本發明目的在於尋求一種以替代傳統的SiO2絕緣層為，且與目前成熟的矽半導體器件工藝兼容的新型立方相MgZnO材料絕緣層的MIS結構元器件及其製備工藝。1.本發明提供的一種金屬—絕緣層—半導體(MIS)器件結構，其特徵在於(1)在單晶矽襯底上的立方相MgZnO薄膜為絕緣層，其器件結構為金屬電極-MgZnO晶體薄膜-Si單晶-金屬電極或金屬電極-MgZnO晶體薄膜-SiO2-Si單晶-金屬電極。(2)按(1)所述金屬—絕緣層—半導體結構，其特徵在於MgZnO材料正面電極為純Al，或Al+％2Si，或Pt/W雙層電極結構，襯底Si材料背面電極對應為純Al，或Al+％2Si，或Pt/W雙層電極結構。(3)按(1)所述的金屬—絕緣層—半導體器件結構，其特徵在於單元面積0.01×0.01mm2～0.5×0.5mm2，MgZnO介質層厚度1nm～500nm，金屬電極厚度10nm～300nm。2.本發明採用光刻和溫法，製備工藝包括正光刻膠，經過勻膠、曝光、顯影，離子刻蝕去底膜，其特徵在於1.在單晶Si上外延生長立方相MgZnO晶體薄膜，生長工藝條件參見已申請的國家發明專利《立方相寬禁帶MgZnO晶體薄膜的製備技術》(申請號02145307.1)。2.蒸鍍電極，製作MIS結構器件的電極，(1)超聲清洗在單晶矽襯底上生長好的立方相MgZnO晶體薄膜晶片，先用四氯化碳、然後是丙酮、再是無水乙醇清洗，最後氮氣吹乾；(2)立方相MgZnO薄膜正面鍍電極，電極材料為純Al，或Al+2％Si或Pt/W複合層，採用電子束蒸發鍍電極，鍍電極時，襯底Si溫度設置為100～200℃，以提高金屬電極與襯底的粘附性，金屬電極厚度10nm～300nm。(3)Si襯底背面蒸鍍電極，製作MIS器件的背電極薄膜正面蠟封，保護MgZnO薄膜；拋光Si背面，用去離子水清洗，去除拋光引入的髒汙；作歐姆接觸，電子束蒸發蒸鍍電極，電極材料為純Al，或Al+2％Si或Pt/W複合層，與(2)條件同，襯底Si溫度設置為100～200℃，金屬電極厚度10nm～300nm。3.光刻，作MIS結構器件單元圖形(1)在沉積了上述電極的MgZnO薄膜正面塗正光刻膠，厚度約為0.8～0.9μm；(2)置於熱板上前烘，乾燥光刻膠，條件為70～90℃烘70～100秒；(3)光刻機曝光，曝光時間為20秒；(4)浸入顯影液顯影15秒，製作出MIS結構器件單元圖形；(5)離子刻蝕去底膜30秒。4.溼法腐蝕，製作MIS結構器件單元(1)用光刻膠將晶片Si背面封於載玻片，保護背電極；(2)浸入磷酸(H3PO4)溶液腐蝕電極圖形、MgZnO薄膜及SiO2薄膜，金屬電極Al或Al+2％Si用磷酸腐蝕，金屬Pt/W電極用HNO3∶HCl(1∶3)腐蝕，MgZnO晶體薄膜材料用1∶10的HCl/H2O腐蝕，SiO2薄膜材料用1∶10的HF/H2O腐蝕；(3)殘餘的光刻膠用丙酮浸泡去除。本發明提出一種新型的立方MgZnO晶體薄膜為絕緣層MIS結構器件及製備工藝，從而為MgZnO材料在半導體微電子行業的應用開闢了途徑，為解決目前超大規模集成電路製造中尺寸不斷減小所帶來的理論限制提供了一種可能的途徑，而且它與傳統微電子平面加工工藝相兼容，具有現實應用的前景。圖1、採用立方相MgZnO晶體薄膜為絕緣層的MIS結構器件(a)蒸鍍正面電極；(b)蒸鍍背面電極(c)塗正光刻膠(d)腐蝕光刻膠(e)腐蝕正面電極(f)腐蝕MgZnO絕緣層(g)浸泡去除光刻膠圖2採用立方相MgZnO晶體薄膜與SiO2材料複合層為絕緣層的MIS結構器件(a)金屬電極-MgZnO晶體薄膜-SiO2-Si單晶-金屬電極(b)金屬-MgZnO-SiO2-Si半導體MIS結構圖3MIS結構器件晶片俯視中1、正面金屬電極，2、MgZnO晶體薄膜(層)，3、單晶矽Si，4、背電極，5、光刻膠，6、SiO2薄膜(層)具體實施方式下面通過具體實施例，進一步說明本發明實質性特點和顯著進步，但本發明不僅限於實施例。實施例11.蒸鍍Al電極1.1超聲波清洗生長好的立方MgZnO晶體薄膜晶片先用四氯化碳、丙酮、無水乙醇依次各三次，每次2分鐘，氮氣吹乾。1.2立方相MgZnO薄膜正面蒸鍍Al電極，參見圖1(a)，電極厚度200nm，蒸鍍時襯底溫度150℃。1.3Si背面蒸鍍Al電極，參見圖一(b)單面拋光矽片(p+型或n+型)薄膜正面蠟封工裝置於150℃烘箱加熱，塗抹一層蠟即可，從烘箱取出工裝，薄膜正面朝下與工裝密和，自然冷卻；Si背面拋光剛玉粉加水稀釋於玻璃板，手持工裝研磨，減薄時間約20分鐘，減薄厚度約10μm；清洗減薄後片子浸入四氯化碳三至五分鐘，使得蠟充分溶解，再浸入無水乙醇；歐姆接觸使用n+矽片，摻雜濃度要求大於1019，晶片在氮氣保護氣氛，450℃條件下，退火1小時，p+矽片不需要作退火處理可直接形成歐姆接觸；2.光刻，參見圖一(c)、(d)2.1MgZnO薄膜正面塗正膠S6809，厚度約為0.9μm；2.2置於熱板上80℃前烘90秒；2.3置於光刻機中，與光刻模板密接觸，曝光機曝光25秒；2.4浸入顯影液15秒，去離子水清洗後用氮氣吹乾；2.5採用反應離子刻蝕30秒，反應氣體為氬氣。3.溼法腐蝕，參見圖一(e)、(f)3.1用光刻膠將晶片Si背面封於載玻片，95℃熱板烘10分鐘；3.2磷酸(50～60℃)腐蝕正面Al電極，時間約1.5分鐘，臺階儀測量腐蝕深度；3.31∶10鹽酸∶水40℃條件下腐蝕MgZnO薄膜，速率約為1.2μm/分。4.去除光刻膠，參見圖一(g)4.1用丙酮浸泡去除光刻；4.2用去離子水衝洗10分鐘後，氮氣吹乾。至此，製成了電極Al/MgZnO/Si/電極Al的MIS結構器件(參見圖二)，可以進行後續的電流—電壓特性、電容—電壓特性的測試。實施例2採用以立方相MgZnO材料與SiO2材料複合層為絕緣層的MIS結構器件的製備工藝與實施例1相同。僅在MgZnO絕緣層上蒸鍍SiO2材料複合層為絕緣層。權利要求1.一種金屬一絕緣層一半導體器件結構，其特徵在於，在單晶矽襯底上的立方相MgZnO薄膜為絕緣層，其器件結構為金屬電極-MgZnO晶體薄膜-Si單晶-金屬電極或金屬電極-MgZnO晶體薄膜-SiO2-Si單晶-金屬電極。2.按權利要求1所述金屬一絕緣層一半導體結構，其特徵在於MgZnO材料正面電極為純Al，或Al+％2Si，或Pt/W雙層電極結構，襯底Si材料背面電極對應為純Al，或Al+％2Si，或Pt/W雙層電極結構。3.按權利要求1所述的金屬一絕緣層一半導體器件結構，其特徵在於單元面積0.01×0.01mm2～0.2×0.2mm2，MgZnO介質層厚度1nm～500nm，金屬電極厚度10nm～300nm。4.按權利要求1所述金屬一絕緣層一半導體器件結構的製備工藝，採用光刻和溼法腐蝕。其特徵在於(A)在單晶Si上處延生長立方相MgZnO薄膜；厚度1nm～500nm；(B)蒸鍍Ai電極製作MIS結構器件的電極(1)超聲清洗在單晶矽襯底上生長好的立方相MgZnO晶體薄膜晶片，先用四氯化碳、然後是丙酮、再是無水乙醇清洗，最後氮氣吹乾；(2)立方相MgZnO薄膜正面鍍電極，電極材料為純Al，或Al+2％Si或Pt/W複合層，採用電子束蒸發鍍電極，鍍電極時，襯底Si溫度設置為100～200℃，以提高金屬電極與襯底的粘附性，金屬電極厚度10nm～300nm；(3)Si襯底背面蒸鍍電極，製作MIS器件的背電極(a)薄膜正面蠟封，保護MgZnO薄膜；(b)拋光Si背面，用去離子水清洗，去除拋光引入的髒汙；(c)作歐姆接觸，電子束蒸發蒸鍍電極，電極材料為純Al，或Al+2％Si或Pt/W複合層，與(2)條件同，襯底Si溫度設置為100～200℃，金屬電極厚度10nm～300nm；(C)光刻，作MIS結構器件單元圖形(1)在沉積了上述電極的MgZnO薄膜正面塗正光刻膠，厚度約為0.8～0.9μm；(2)置於熱板上前烘，乾燥光刻膠，條件為70～90℃烘70～100秒；(3)光刻機曝光，曝光時間為20秒；(4)浸入顯影液顯影15秒，製作出MIS結構器件單元圖形；(5)離子刻蝕去底膜30秒；(D)溼法腐蝕，製作MIS結構器件單元(1)用光刻膠將晶片Si背面封於載玻片，保護背電極；(2)浸入磷酸(H3PO4)溶液腐蝕電極圖形、MgZnO薄膜及SiO2薄膜，金屬電極Al或Al+2％Si用磷酸腐蝕，金屬Pt/W電極用HNO3∶HCl＝1∶3溶液腐蝕，MgZnO晶體薄膜材料用1∶10的HCl/H2O腐蝕，SiO2薄膜材料用1∶10的HF/H2O腐蝕；(3)殘餘的光刻膠用丙酮浸泡去除。全文摘要本發明涉及一種電高介電常數(κ)材料－立方鎂鋅氧(MgZnO)晶體薄膜作為金屬—絕緣層—半導體(MIS)結構中的絕緣層材料及製備工藝，屬於微電子
技術領域：
。特徵在於生長在單晶矽襯底上的立方MgZnO薄膜為絕緣層，MIS結構為金屬電極－MgZnO晶體薄膜－Si單晶－金屬電極或金屬電極－MgZnO晶體薄膜－SiO文檔編號H01L21/78GK1599052SQ03151098公開日2005年3月23日申請日期2003年9月19日優先權日2003年9月19日發明者吳惠楨,梁軍,勞燕鋒申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所