一種鉿基氧化物高k柵介質層及其能帶調控方法
2023-04-27 00:37:31
專利名稱：一種鉿基氧化物高k柵介質層及其能帶調控方法
技術領域：
本發明涉及一種鉿基氧化物高k柵介質層及其能帶調控方法。
背景技術：
自1958年第一塊集成電路誕生以來，集成電路的集成度按摩爾定律每隔十八個月提高一倍，其基本單元-金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET，metal oxide semiconductor field effect transistor)的特徵尺寸及柵極線寬和柵介質層厚度也在等比例不斷縮小。當矽基集成電路技術發展至32納米技術節點及以下時，適於高速、低壓、 低功耗CMOS器件的等效柵介質氧化物層厚度(EOT，equivalent oxide thickness)將小於 1納米。傳統柵介質為Si02，其介電常數是3. 9。在量子隧穿效應的作用下，柵極漏電流將隨SiO2柵介質層厚度的減小呈指數增大。柵極漏電流的陡增造成MOS器件關態時的功耗增加，對微電子器件的性能、可靠性和壽命產生很大的負面影響。傳統SiO2柵介質的極限厚度已經成為Si基集成電路繼續提高集成度的瓶頸。解決這一瓶頸的有效方法之一是採用高 k柵介質取代傳統的SiO2，在保證柵對溝道有相同控制能力即相同柵電容的條件下，柵介質介電常數的增加將使柵介質層的物理厚度增大，於是柵與溝道間的直接隧穿電流將大大減小。2007年底，Intel公司在量產的45納米Penryn核心Xeon處理器中成功引入了高 k/金屬柵技術，開闢了新材料進入傳統MOS器件的新紀元。其中最為引人注目的是鉿基氧化物高k柵介質第一次在傳統MOS器件中得到商業應用。儘管鉿基氧化物已成功應用於htel的45nm技術節點中，然而，與幾近完美的二氧化矽柵介質相比，鉿基氧化物柵介質仍存在著禁帶寬度偏小的問題以及帶偏移(相對於襯底如Si基、Ge基等)較小的問題。SW2的導帶底部是由Si的3p態組成，HfO2的導帶電子態主要是由5d反鍵態組成，所以，HfO2的禁帶寬度小於SiO2。S^2的禁帶寬度為8. 9eV, 與Si之間的導帶偏移量約3.巧eV，價帶偏移量為4. 65eV。HfO2的禁帶寬度約5. 8eV, HfO2 的導帶偏移量要遠小於價帶偏移量，其導帶偏移量為1. kV，小於S^2的3. 15eV。儘管柵洩露電流的機制有多種，但一般均與帶偏移量呈指數關係，因此高介電常數柵介質的禁帶寬度及帶偏移量是決定柵洩露電流的重要因素。因此，增大鉿基氧化物的禁帶寬度和帶偏移量有利於使其滿足32納米以下技術節點對柵介質更為苛刻的要求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種鉿基氧化物高k柵介質層，通過向HfO2中摻入合適量的Gd2O3以增大該柵介質層的禁帶寬度和帶偏移量。本發明的另一目的在於提供一種鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法。通過射頻磁控共濺射法，將稀土氧化物Gd2O3摻雜到HfO2中，達到不同摻雜量的Gd2O3對HfO2的能帶調控作用，從而有利於降低鉿基氧化物柵介質層的漏電流。為達到上述目的，本發明採用以下技術方案
一種鉿基氧化物高k柵介質層，包含HfO2和Gd2O3，其中Gd2O3的摻入量以原子比 Gd/(Gd+Hf)計算為 0 30%，其中 Gd/(Gd+Hf) Φ 0。所述柵介質層的禁帶寬度為5. 81 6. OOeV。在多元氧化物體系中，彼此分開的過渡金屬和稀有金屬亞點陣間的交互作用導致同類離子態之間的約化重疊；同時稀土和過渡金屬原子周圍，尤其是在非晶網絡情形下，對稱性的降低會引起未佔滿態的分裂；此外稀土金屬離子中未填滿4f電子態能級的位置是殼層填充率的函數，該能級將會引起氧化物禁帶寬度的變化。Gd2O3的摻入會使鉿基氧化物高k柵介質的禁帶寬度和帶偏移量增加，但並不是 Gd2O3的摻入量越多，HfO2基高k柵介質的禁帶寬度和帶偏移量增加越多。Gd2O3的摻入量過多也會帶來其它的影響，如使具有氧空位的η型HfO2變為ρ型Η 2。本發明的鉿基氧化物高k柵介質層中Gd2O3的摻入量以原子比Gd/(Gd+Hf)計算優選不超過30%。一種上述鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法，包括以下步驟(1)將清洗乾淨的石英片襯底或單晶Si片襯底放入射頻磁控共濺鍍膜系統，通過 Gd2O3靶和HfO2靶向襯底上共濺射Gd2O3和HfO2, HfO2靶的濺射功率為50 120W，Gd2O3靶的濺射功率為0 90W，且該濺射功率興0，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，濺射氣壓為 0. 5 3Pa，在石英片襯底上的濺射時間為Ih 1. 5h，在Si片襯底上的濺射時間為3 20 分鐘；(2)通過控制濺射時間控制石英片襯底上形成的柵介質層的厚度為100 140nm， 單晶Si片襯底上形成的柵介質層的厚度為3 25nm ；(3)通過紫外吸收光譜分析確定石英片襯底上形成的柵介質層的禁帶寬度；採用 X射線衍射分析單晶Si片襯底上形成的柵介質層的相結構，採用X射線光電子能譜分析該柵介質層的成分，製備MOS電容，測試該柵介質層的電流特性。通過襯底的自轉保證柵介質層的均勻性，自轉速度是6轉/分，轉速稍高或稍低均可。膜厚均勻性可通過臺階儀測試至少5個位置的膜厚的一致性或不同位置膜厚的差別來檢驗。所述Gd2O3靶和HfO2靶的純度均為99. 99 %。所述濺射氣體中氬氣與氧氣的混合體積比為1 10 1 2。濺射氣體使用氬氣與氧氣的混合氣體，其中氧氣的作用是儘量減少鍍膜過程造成的HfO2缺氧，在其它條件如Gd2O3的摻雜功率等相同的情況下，氬氣與氧氣的混合比例會對柵介質層中的氧空位有影響，對柵介質層的漏電流產生不同的影響。所述單晶Si為Si (100)、η型或ρ型，電阻率為2 5 Ω · cm。所述單晶Si片襯底在放入射頻磁控共濺鍍膜系統之前，需採用RCA法清洗，再放在HF溶液中浸泡30s，然後用氮氣槍吹乾。本發明的有益效果是本發明採用射頻磁控共濺射方法，將稀土氧化物Gd2O3摻雜到HfO2中，通過改變靶的濺射功率改變Gd2O3的摻雜量，獲得不同摻雜量對HfO2的能帶調控作用，從而有利於降低鉿基氧化物柵介質的漏電流。摻雜Gd2O3後，HfO2的禁帶寬度增加、漏電流密度降低，有利於 HfO2作為柵介質在32nm及以下技術節點的應用。
圖1為實施例1製備的柵介質層的XRD圖譜。圖2為實施例2製備的柵介質層的禁帶寬度圖。圖3為實施例3製備的柵介質層的禁帶寬度圖。圖4為實施例4製備的柵介質層的禁帶寬度5為實施例5製備的柵介質層的I-V曲線。
具體實施例方式實施例1採用射頻磁控共濺射方法製備Gd2O3摻雜HfO2柵介質層，襯底為電阻率為4 Ω
的η型單晶Si片。將單晶Si片經採用RCA法清洗後，放在HF溶液中浸泡30s，然後用氮氣槍吹乾，放入射頻磁控共濺鍍膜系統，通過Gd2O3靶和HfO2靶向單晶Si襯底上共濺射Gd2O3 和HfO2, HfO2靶的濺射功率為100W，Gd2O3靶的濺射功率為40W，濺射氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 8，濺射氣壓為2Pa。濺射時間為20分鐘，柵介質層的厚度約為22nm。如圖1所示為所鍍柵介質層的XRD圖譜，只有Si的單晶峰，表明所鍍Gd2O3摻雜 HfO2柵介質層為非晶結構。實施例2採用射頻磁控共濺射方法製備純HfO2和Gd2O3摻雜HfO2的柵介質層，並比較二者的禁帶寬度和帶偏移量。本實施例中所使用的襯底為石英片和單晶Si片。該石英片襯底的長度為25mm，寬度為20mm，厚度為1mm，使用前經超聲清洗乾淨； 該單晶Si片襯底選擇與實施例1中相同的單晶Si片，將石英片襯底放入射頻磁控共濺鍍膜系統，分別製備HfO2柵介質層和Gd2O3摻雜HfO2柵介質層。將單晶Si片襯底放入射頻磁控共濺鍍膜系統，製備Gd2O3摻雜HfO2柵介質層。製備純HfO2柵介質層的工藝參數為=HfO2靶的濺射功率為110W，濺射氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 6，濺射氣壓為2Pa，濺射時間為2小時，柵介質層的厚度約為120nm。製備Gd2O3摻雜HfO2柵介質層的工藝參數為=HfO2靶的濺射功率為110W，Gd2O3靶的濺射功率為20W，濺射氣體為為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 6，濺射氣壓為2Pa，濺射時間為1小時45分鐘，柵介質層的厚度約為120nm。 採用X射線光電子能譜分析單晶Si片襯底所得柵介質層成分中的原子比Gd/(Gd+Hf) (at. % ) 8. 5%。採用紫外吸收光譜分析來確定石英片襯底上所得柵介質層的禁帶寬度，如圖2所示，所得純HfO2柵介質層的禁帶寬度為5. 81eV, Gd2O3摻雜HfO2柵介質層的禁帶寬度為 5. 86eV，可知，Gd2O3摻雜後，HfO2柵介質層的禁帶寬度增大。由於HfO2價帶頂部能級的位置主要由氧的2ρπ態來決定的，所以禁帶寬度增大對價帶偏移沒什麼影響，而其導帶底提高，從而導致導帶偏移量增加，與HfO2相比，Gd2O3摻雜HfO2柵介質層的禁帶寬度增加 0. 05eV,則其導帶偏移相對於HfO2也增加0. 05eV,即由1. 5eV增加到1. 55eV。實施例3
採用射頻磁控共濺射方法製備Gd2O3摻雜HfO2柵介質層，襯底選擇與實施例2中相同的石英片和單晶Si片。將石英片襯底和單晶Si片分別放入射頻磁控共濺鍍膜系統，製備Gd2O3摻雜HfO2 柵介質層。HfO2-的濺射功率為110W，Gd2O3靶的濺射功率為50W，濺射氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 6，濺射氣壓為1.5Pa，濺射時間為1 小時30分鐘，柵介質層的厚度約為120nm。採用X射線光電子能譜分析單晶Si片襯底上所得柵介質層成分中原子比Gd/(Gd+Hf) (at. % ) ^ 14. 1 %。採用紫外吸收光譜分析來確定石英片襯底上所得柵介質層的禁帶寬度，如圖3所示，所得Gd2O3摻雜HfO2柵介質層的禁帶寬度為5. 89eV,與實施例2中所得純HfO2柵介質層相比，其禁帶寬度有明顯的增大。實施例4採用射頻磁控共濺射方法製備Gd2O3摻雜HfO2柵介質層，襯底選擇與實施例2中相同的石英片和單晶Si片。將石英片襯底和單晶Si片分別放入射頻磁控共濺鍍膜系統，製備Gd2O3摻雜HfO2 柵介質層。HfOdE的濺射功率為120W，Gd2O3靶的濺射功率為80W，濺射氣壓為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 5，濺射氣壓為2Pa，濺射時間為1小時20分鐘，柵介質層的厚度約為120nm。採用X射線光電子能譜分析單晶Si片襯底上所得柵介質層成分中原子比Gd/(Gd+Hf) (at. % ) 沈.3%。採用紫外吸收光譜分析來確定石英片襯底上所得柵介質層的禁帶寬度，如圖4所示，所得Gd2O3摻雜HfO2柵介質層的禁帶寬度為5. 98eV,與實施例2中所得純HfO2柵介質層相比，其禁帶寬度有更明顯的增大。實施例5採用射頻磁控共濺射方法製備純HfO2和Gd2O3摻雜HfO2柵介質層，本實施例中使用的襯底與實施例1中的單晶Si片襯底相同。將單晶Si片襯底放入射頻磁控共濺鍍膜系統，製備純HfO2柵介質層和Gd2O3摻雜HfO2柵介質層。製備純HfO2柵介質層的工藝參數為=HfO2靶的濺射功率為120W，濺射氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 5，濺射氣壓為2Pa，濺射時間為7分鐘M秒，柵介質層的厚度約為8nm。製備Gd2O3摻雜HfO2柵介質層的工藝參數為=HfO2靶的濺射功率為120W，Gd2O3靶的濺射功率為80W，濺射氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，該混合氣體中氧氣與氬氣的體積比為1 5，濺射氣壓為2Pa，濺射時間為5分鐘20秒，柵介質層的厚度約為8nm。製備MOS電容，測試上述兩種柵介質層的電流特性。漏電流曲線如圖5所示。可以看出，在IV柵壓時，純HfO2柵介質層的漏電流密度為6. 98X 10_4A/Cm2，摻雜Gd2O3後，漏電流減小至2. 16X10_5A/cm2，漏電流降低了 1個多數量級。
權利要求
1.一種鉿基氧化物高k柵介質層，其特徵在於，包含HfO2和Gd2O3，其中Gd2O3的摻入量以原子比Gd/ (Gd+Hf)計算為0 30%，其中Gd/ (Gd+Hf) Φ 0。
2.根據權利要求1所述鉿基氧化物高k柵介質層，其特徵在於，所述柵介質層的禁帶寬度為 5. 81 6. OOeV0
3.權利要求1所述鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將清洗乾淨的石英片襯底或單晶Si片襯底放入射頻磁控共濺鍍膜系統，通過Gd2O3 靶和HfO2靶向襯底上共濺射Gd2O3和HfO2, HfO2靶的濺射功率為50 120W，Gd2O3靶的濺射功率為0 90W，且該濺射功率興0，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，濺射氣壓為0. 5 3Pa，濺射時間為Ih 1. 5h ；在石英片襯底上的濺射時間為Ih 1.證，在單晶Si片襯底上的濺射時間為3 20分鐘；(2)通過控制濺射時間控制石英片襯底上形成的柵介質層的厚度為100 140nm，單晶 Si片襯底上形成的柵介質層的厚度為3 25nm ；(3)通過紫外吸收光譜分析確定石英片襯底上形成的柵介質層的禁帶寬度；採用X射線衍射分析單晶Si片襯底上形成的柵介質層的相結構，採用X射線光電子能譜分析該柵介質層的成分，製備MOS電容，測試該柵介質層的電流特性。
4.根據權利要求3所述的鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法，其特徵在於，所述 Gd2O3靶和HfO2靶的純度均為99. 99%。
5.根據權利要求3所述的鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法，其特徵在於，所述濺射氣體中氬氣與氧氣的混合體積比為1 10 1 2。
6.根據權利要求3所述的鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法，其特徵在於，所述單晶Si為Si (100)、η型或ρ型，電阻率為2 5 Ω · cm。
7.根據權利要求3所述的鉿基氧化物高k柵介質層的能帶調控方法，其特徵在於，所述單晶Si片襯底在放入射頻磁控共濺鍍膜系統之前，需採用RCA法清洗，再放在HF溶液中浸泡30s，然後用氮氣槍吹乾。
全文摘要
一種鉿基氧化物高k柵介質層及其能帶調控方法，該柵介質層包含HfO2和Gd2O3，原子比Gd/(Gd+Hf)為0～30％，且≠0。其能帶調控方法為將清洗乾淨的石英片襯底和單晶Si片襯底分別放入射頻磁控共濺鍍膜系統，在氬氣和氧氣的混合氣氛下向襯底上共濺射Gd2O3和HfO2，HfO2的濺射功率為50～120W，Gd2O3的濺射功率為0～90W，且該濺射功率≠0，濺射氣壓為0.5～3Pa，在石英片上的濺射時間為1～1.5h，柵介質層厚度為100～140nm；在Si片上的濺射時間為3～20分鐘；柵介質層厚度為3～25nm。Gd2O3對HfO2具有能帶調控作用，有利於降低鉿基氧化物柵介質層的漏電流。
文檔編號H01L21/283GK102403342SQ20101028539
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者屠海令, 杜軍, 熊玉華 申請人:北京有色金屬研究總院