專利名稱：一種HfO₂高介電常數(shù)薄膜電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種具有高介電常數(shù)(HfD2)的電容器及其制備方法，屬 于微電子領(lǐng)域、電介質(zhì)材料科學(xué)領(lǐng)域和納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
日益增長的信息技術(shù)對更高集成度(大容量)、高速、低功耗集成電路的需 求，使得晶體管的特征尺寸越來越小，然而傳統(tǒng)的Si02柵厚度減薄的物理極限 阻礙了器件的進一步微型化。目前認為比較切實可行的解決方法，就是使用高
介電常數(shù)a)材料(如Hfo2)來替代sio2。使用等效厚度的高a材料替代sio2
不僅可以消除隧穿漏電流，而且可以使功耗降低ioooo倍。為得到高質(zhì)量的具
有高介電常數(shù)的柵介質(zhì)薄膜及其器件，國際上開展了大量的研究。然而，大多 數(shù)研究都集中在原子層沉積法和化學(xué)氣相法上，而對于脈沖激光沉積法制備高 質(zhì)量的具有高介電常數(shù)的柵介質(zhì)薄膜及其器件卻少有研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種同時具有高介電常數(shù)、低表面粗糙度、低漏電流
的柵介質(zhì)及其MOS電容器件的制備方法。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的。它以硅片為基片，用脈沖激光沉積設(shè)備在其上沉積
一層Hf02薄膜，將HK)2薄膜分為兩組， 一組用于做表面粗糙度檢測， 一組用 于MOS電容器件，電容器電極采用磁控濺射設(shè)備沉積。 本發(fā)明的制備方法是
1、 選用純度為99.99%的Hf02靶為沉積靶材，將HfG2靶放置在脈沖激光 沉積設(shè)備沉積室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)靶托上，調(diào)節(jié)靶基距為4-5cm，將清洗干凈的Si片(P 型、電阻率為8-13Q "cm)放在沉積室內(nèi)的基片托上。
2、 將沉積室本底真空抽至2.0—2.5xl04Pa，通入高純度的保護氣體，調(diào)節(jié) 靶臺、基片托自轉(zhuǎn)速率至5-8轉(zhuǎn)/分鐘，沉積過程中控制激光器頻率為4-5Hz,激 光每個脈沖能量密度為3-4 J/cm2，沉積時間為10-30分鐘。3、 選用純度為99.99%的1>1靶為濺射靶材，采用磁控濺射設(shè)備在步驟2制 得的樣品背面濺射lOOnm厚的Pt底電極。
4、 選用純度為99.99y。的Pt靶(或者Ag靶)為濺射靶材,采用磁控濺射設(shè) 備在步驟3制得的樣品正面，通過覆蓋掩膜板的方法濺射100nm厚的Pt、 Ag 電極圖形，最后形成MOS電容器如圖l所示。
所述高純度的氣體是通入高純氧氣，保證沉積室氧氣偏壓在2.0xlO"Pa，沉 積完成后，再將制備的薄膜在管式爐中500 。C下氮氣氛中退火30分鐘。
所述高純度的氣體或者是通入高純氮氣，將氮氣電離，同時保證沉積室氮 氣偏壓在6Pa，通入高純氮氣時，沉積完成后可以不退火。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)點，我們采用脈沖激光沉積設(shè)備獲 的高質(zhì)量的高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜，和原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積 (CVD)、金屬有機化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、磁控濺射相比，脈沖激光沉積設(shè) 備成本較低，并且獲得的薄膜的化學(xué)成分可與靶材保持高度一致。
附圖及說明


圖1為用本發(fā)明制備的MOS電容器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為用本發(fā)明制備的Hf02薄膜在電子顯微鏡下表面均方根粗糙度
圖3、 4為實施例1和2的電容測試結(jié)果
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容，提供以下實施例-實施例l:
1、 選用純度為99.99%的11幻2靶為沉積耙材，將Hf02耙放置在脈沖激光 沉積設(shè)備沉積室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)靶托上，調(diào)節(jié)靶基距為4cm，將清洗干凈的Si片(P 型、電阻率為8-13Q ，cm)放在沉積室內(nèi)的基片托上。將沉積室本底真空抽至 2.0—2.5xl04Pa，通入高純氧氣保證沉積室氧氣偏壓在2.0xlO"Pa，調(diào)節(jié)耙臺、 基片托自轉(zhuǎn)速率至8轉(zhuǎn)/分鐘,沉積過程中控制激光器頻率為5Hz，激光每個脈沖 能量密度為4J/cm2,沉積30min，再將制備的薄膜在管式爐中500 'C下氮氣氛 中退火30分鐘。
2、 選用純度為99.99n/。的Pt靶為濺射靶材，采用磁控濺射設(shè)備在步驟1制 得的樣品背面濺射100nm厚的Pt底電極。
3、 選用純度為99.99%的Pt靶為濺射靶材，采用磁控濺射設(shè)備在步驟2制得的樣品正面，通過覆蓋掩膜板的方法濺射lOOnm厚的Pt電極圖形。測試表明脈沖激光沉積設(shè)備制備的HfQ2薄膜表面均方根粗糙度僅為0.446 nm，禁帶寬度為5.3ev,由該HfG2薄膜構(gòu)成的MOS電容器介電常數(shù)高達29.3， 最大電容為784PF,漏電流在柵極電壓為-1.5伏時4. 32X10—8A/cm2，同時氮氣退 火有效的消除了 Hf02薄膜與Si基片之間的界面層，使該電容器有較好的界面 質(zhì)量。實施例2:1、 選用純度為99.99y。的H幻2靶為沉積靶材，將H幻2耙放置在脈沖激光 沉積設(shè)備沉積室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)靶托上，調(diào)節(jié)靶基距為5cm，將清洗干凈的Si片(P 型、電阻率為8-13Q "cm)放在沉積室內(nèi)的基片托上。將沉積室本底真空抽至 2.0~-2.5xl04Pa，通入高純氮氣，將氮氣電離，同時保證沉積室氮氣偏壓在6Pa， 調(diào)節(jié)靶臺、基片托自轉(zhuǎn)速率至5轉(zhuǎn)/分鐘，沉積過程中控制激光器頻率為4Hz， 激光每個脈沖能量密度為4J/cm2,沉積30min。2、 選用純度為99.99%的？1靶為濺射靶材，采用磁控濺射設(shè)備在步驟1制 得的樣品背面濺射100nm厚的Pt底電極。3、 選用純度為99.99%的Ag耙為濺射靶材，釆用磁控濺射設(shè)備在步驟2制 得的樣品正面，通過覆蓋掩膜板的方法濺射100nm厚的Ag電極圖形。測試表明脈沖激光沉積設(shè)備制備的附02薄膜表面均方根粗糙度僅為 0.203nm，如圖2，由該Hf02薄膜構(gòu)成的MOS電容器介電常數(shù)高達40.3，最大 電容為2158PF,漏電流在柵極電壓為-1.5伏時3. 73X 10—8 A/cm2。
權(quán)利要求
1. 一種HfO2高介電常數(shù)薄膜電容器，它以硅片為基片，其特征在于用脈沖激光沉積技術(shù)在其上沉積一層HfO2薄膜，再用磁控濺射設(shè)備制備低電極和上圖形電極。
2、 一種Hf02高介電常數(shù)薄膜電容器的制備方法，其特征在于步驟為a、 選用純度為99.99。/。的HfG2靶為沉積靶材，將HfD2靶放置在脈沖激光 沉積設(shè)備沉積室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)靶托上，調(diào)節(jié)靶基距為4-5cm，將清洗干凈的Si片放 在沉積室內(nèi)的基片托上；b、 將沉積室本底真空抽至2.0~-2.5xl04Pa，通入高純度的保護氣體，調(diào)節(jié) 靶臺、基片托自轉(zhuǎn)速率至5-8轉(zhuǎn)/分鐘，沉積過程中控制激光器頻率為4-5Hz，激 光每個脈沖能量密度為3-4 J/cm2，沉積時間為10-30分鐘；c、 選用純度為99.99。/。的Pt靶為濺射靶材，采用磁控濺射設(shè)備在步驟2制 得的樣品背面濺射100nm厚的Pt底電極；d、 選用純度為99.99%的Pt靶為濺射靶材，或者選用純度為99.99%的Ag 靶為濺射靶材，采用磁控濺射設(shè)備在步驟3制得的樣品正面，通過覆蓋掩膜板的 方法濺射100nm厚的Pt或Ag電極圖形，最后形成MOS電容器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種Hft)2高介電常數(shù)薄膜電容器的制備方 法，其特征在于所述高純度的保護氣體是通入高純氧氣，保證沉積室氧氣偏壓 在2.0xlO"Pa，沉積完成后，再將制備的薄膜在管式爐中500 'C下氮氣氛中退 火30分鐘。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種Hf02高介電常數(shù)薄膜電容器的制備方 法，其特征在于所述高純度的保護氣體是通入高純氮氣，將氮氣電離，同時保 證沉積室氮氣偏壓在6Pa。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種同時具有低表面粗糙度、高介電常數(shù)、低漏電流和高界面質(zhì)量的HfO₂柵介質(zhì)薄膜及其MOS電容器件制備方法。它以硅片為基片，其特征在于用脈沖激光沉積技術(shù)在其上沉積一層HfO₂薄膜，再磁控濺射設(shè)備制備低電極和上圖形電極。本發(fā)明采用成本相對較低的脈沖激光沉積設(shè)備和后氮氣處理的方法獲得了具有低表面粗糙度、高介電常數(shù)、低漏電流和高界面質(zhì)量的HfO₂柵介質(zhì)薄膜及其MOS電容器。
文檔編號H01L29/66GK101271927SQ200810047510
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者潔 馮, 蔥 葉, 朱建華, 汪寶元, 毅 王, 浩 王 申請人:湖北大學(xué)