[发明专利]一种栅电介质材料立方相HfO2薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属微电子材料领域，具体是涉及应用于金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET中的高介电常数栅电介质材料氧化铪HfO₂薄膜，为一种栅电介质材料立方相HfO₂薄膜及其制备方法。

背景技术

1947年，Bardeen、Brattain和Shockley发明了固体元件替代电子真空管，这标志着微电子工业的出现。自从固体元件诞生以来，微电子工业经历了四十年空前的爆炸性生长，它的成长受两个因素驱动-Noyce和Kilby发明的平面集成电路和起因于等比缩小(尺寸收缩)固体元件的优异性能。等比缩小固体元件具有罕见的降低费用、改善性能和功率的特点，这给了任何拥有最新技术的公司很大的市场竞争优势。微电子工业在过去四十年期间使晶体管特征尺寸从10μm等比缩小至约30nm。然而在某些特定阶段会发生重大变化，例如微电子工业从硅双极变到p型金属氧化物半导体，然后变到n型金属氧化物半导体，最后在1980年代变到互补型金属氧化物半导体(CMOS)，这是在过去二十年一直保持主导地位。向前继续发展的巨大挑战是因为硅基集成电路基本组成单元MOSFET的特征尺寸向数十纳米接近，平面CMOS晶体管的等比缩小即将到达极限。为了保持较高的栅极电容，传统的SiO₂栅介质层厚度也随之相应的减薄。但是SiO₂电介质层厚度减薄后就会导致器件的漏电流增大、驱动电流减小以及掺杂物(硼或磷)隧穿使器件的可靠性下降等问题，因此SiO₂电介质层极限厚度约为1.0-1.2nm。而根据国际半导体协会的“国际半导体技术路线图”发展规划，下一代硅基MOSFET的栅介质层厚度将突破SiO₂的极限厚度。为回应这些挑战，现在的研究重点集中在鉴别可能替换约有五十年历史的硅晶体管的新材料和新器件上面。正在调查研究的两种方法是：(1)非经典CMOS，它是由新沟道材料及多栅全耗尽器件结构所组成，(2)CMOS的替代品，例如自旋电子元件、单电子器件和分子计算机。虽然一些非硅基研究领域很重要，而且将会在新的应用和市场上获得成功，但是在可见的未来似乎不太可能有任何非硅基选择，完全可以替代价值3000亿美元的微电子工业中所采用的硅基晶体管。面对这一制约硅基集成电路集成度提高的瓶颈，寻找可取代SiO₂的新型高介电常数栅介质材料(High-k)已经迫在眉睫，这已成为制约未来十年MOSFET集成度提高的瓶颈，并已引起各国半导体学界及相关领域的极大关注和广泛的研究。人们习惯用等效于多厚的SiO₂层的等效氧化物厚度EOT来描述高介电常数栅电介质层(high-kgate dielectric)的厚度，其表达式为：

EOT=tsio2+thigh-k×ϵsio2ϵhigh-k]]>

其中，为界面反应造成的SiO₂层的厚度，t_high-k为高介电常数电介质层的实际厚度，和ε_high-k分别为SiO₂层和高介电常数电介质材料的介电常数，其中为3.9。为了减小漏电流，应使栅电介质层的实际厚度变大，但相应的EOT也会增大。这时降低EOT的途径有二：一是选用介电常数较大的材料作为栅电介质膜材料；二是尽量减少乃至消除界面处形成的SiO₂层。

现阶段寻找高介电常数栅电介质材料的基本原则为：

(1)电学性质：宽禁带，阳离子价态少，低的缺陷和界面态密度；

(2)介电性质：高的介电常数，随温度和频率变化较缓，低漏电流；