本發(fā)明涉及電子元器件，特別涉及一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝。

背景技術(shù)：

1、集成電路是一種微型電子器件或部件；柵介質(zhì)層是?集成電路中的一個(gè)重要組成部分，位于柵極和?溝道之間；柵介質(zhì)層在集成電路中的主要功能是控制溝道中的電流流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)?晶體管的開(kāi)關(guān)控制。

2、隨著5g、ai、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的興起，集成電路行業(yè)也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，集成電路的制造工藝技術(shù)也隨之不斷發(fā)展,市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。為了提高集成電路的集成度、提升器件的工作速度并降低功耗，集成電路器件的特征尺寸不斷微縮；柵介質(zhì)層厚度也在隨著特征尺寸的微縮而不斷減小，以達(dá)到提高柵電極電容以及柵對(duì)溝道的控制能力等目的。但是，柵介質(zhì)層的厚度不斷減小，會(huì)導(dǎo)致柵極泄漏電流急劇增大；從而導(dǎo)致集成電路器件可靠性下降。為了解決上述問(wèn)題，引入了高k材料作為新的柵介質(zhì)層材料，如氧化鉿（hfo2?）、?氧化鋯（zro2）、?鈦酸鋇鍶（?bst）等等，這些高k材料?是一種具有高介電常數(shù)的材料，不僅能夠減少漏電流，還能提高柵極對(duì)溝道的控制能力，從而進(jìn)一步提升集成電路的性能和可靠性；并且，通常采用原子層沉積工藝（ald)制備高k柵介質(zhì)層。

3、常見(jiàn)的一、二維材料，如碳納米管、石墨烯、二硫化鉬（mos2）、二硫化鎢（ws2）、二硒化鉬（mose2）、二硒化鎢（wse2）、mxene材料等等，都有極限溝道厚度、高遷移率等特點(diǎn)，可以顯著增加?xùn)艠O調(diào)控能力，是有希望繼續(xù)延伸摩爾定律的新型電子材料。但是，這些材料表面無(wú)懸掛鍵，采用傳統(tǒng)的以水為氧源或以臭氧為氧源的原子層沉積工藝（ald)在這些材料表面制備柵介質(zhì)層時(shí)，制備得到的柵介質(zhì)層界面態(tài)遠(yuǎn)高于硅基cmos晶體管，無(wú)法滿足場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)高質(zhì)量柵介質(zhì)層的要求；并且，在采用以水源作為氧源的ald工藝來(lái)制備柵介質(zhì)層時(shí)，由于水源的氧化性不足，在制備過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)因氧源與金屬源之間的反應(yīng)不充分而使柵介質(zhì)層存在大量缺陷、空位等問(wèn)題，從而導(dǎo)致電路器件性能不良，甚至無(wú)法工作的現(xiàn)象發(fā)生；在采用以臭氧為氧源的ald工藝來(lái)制備柵介質(zhì)層時(shí)，由于臭氧的氧化性比較強(qiáng)，容易與一、二維材料發(fā)生氧化、分解反應(yīng)，使一、二維材料表面被腐蝕或發(fā)生不同程度的晶型轉(zhuǎn)變，從而破壞一、二維材料結(jié)構(gòu)，并在一定程度上影響載流子傳輸。因此，開(kāi)發(fā)一種針對(duì)低維材料的高質(zhì)量、超薄、并且與大面積工藝兼容的柵介質(zhì)層制備工藝，是低維電子器件廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

4、本發(fā)明提供了一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以水為氧源或臭氧為氧源的原子層沉積工藝制備的柵介質(zhì)層，無(wú)法滿足場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)高質(zhì)量柵介質(zhì)層的要求，氧源與金屬源之間的反應(yīng)不充分而使柵介質(zhì)層存在大量缺陷、空位，氧源的氧化性過(guò)強(qiáng)或高溫環(huán)境導(dǎo)致一、二維材料表面結(jié)構(gòu)被破壞等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是：提供一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以水為氧源或臭氧為氧源的原子層沉積工藝制備的柵介質(zhì)層，無(wú)法滿足場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)高質(zhì)量柵介質(zhì)層的要求，氧源與金屬源之間的反應(yīng)不充分而使柵介質(zhì)層存在大量缺陷、空位，氧源的氧化性過(guò)強(qiáng)或高溫環(huán)境導(dǎo)致低維材料表面結(jié)構(gòu)被破壞等問(wèn)題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，包括如下步驟：

3、s1、將具有低維材料的襯底置于ald反應(yīng)裝置的腔室中，并將腔室內(nèi)部的壓力調(diào)節(jié)到5-50pa;

4、s2、向腔室內(nèi)通入雙氧水前驅(qū)體進(jìn)行表面吸附，使雙氧水前驅(qū)體吸附在低維材料的表面，之后，向腔室內(nèi)通入高純氮?dú)?，?duì)腔室進(jìn)行凈化；

5、s3、將腔室內(nèi)的溫度從室溫升到50-200℃，同時(shí)將金屬源瓶?jī)?nèi)的溫度升到額定溫度，使金屬源瓶?jī)?nèi)形成金屬源蒸汽，并由高純氮?dú)馔ㄟ^(guò)管路帶入到腔室內(nèi)，使金屬源前驅(qū)體與吸附在低維材料表面的雙氧水前驅(qū)體反應(yīng)，形成初級(jí)柵介質(zhì)層的一個(gè)單層，之后，向腔室內(nèi)通入高純氮?dú)?，?duì)腔室進(jìn)行凈化，完成一個(gè)生長(zhǎng)周期；

6、s4、多次重復(fù)步驟s2和s3,?在低維材料表面形成目標(biāo)厚度的初級(jí)柵介質(zhì)層；

7、s5、向腔室內(nèi)通入臭氧前驅(qū)體，使臭氧前驅(qū)體吸附在低維材料表面的初級(jí)柵介質(zhì)層上，之后，向腔室內(nèi)通入高純氮?dú)?，?duì)腔室進(jìn)行凈化；

8、s6、將腔室內(nèi)的溫度升到230-320℃，同時(shí)將金屬源瓶?jī)?nèi)的溫度升到額定溫度，使金屬源瓶?jī)?nèi)形成金屬源蒸汽，并由高純氮?dú)馔ㄟ^(guò)管路帶入到腔室內(nèi)，使金屬源前驅(qū)體與吸附在初級(jí)柵介質(zhì)層上的臭氧前驅(qū)體反應(yīng)，之后，向腔室內(nèi)后通入高純氮?dú)猓瑢?duì)腔室進(jìn)行凈化，完成一個(gè)生長(zhǎng)周期；

9、s7、多次重復(fù)步驟s5和s6,?在低維材料表面形成目標(biāo)厚度的柵介質(zhì)層。

10、優(yōu)選的，所述步驟s2中，所述雙氧水前驅(qū)體的載氣量為18-25sccm，所述雙氧水前驅(qū)體的脈沖持續(xù)時(shí)間為20-500ms。

11、優(yōu)選的，所述步驟s3中，所述額定溫度為20-200℃；

12、所述金屬源前驅(qū)體的載氣量為20sccm，所述金屬源前驅(qū)體的脈沖持續(xù)時(shí)間為20-500ms。

13、優(yōu)選的，所述步驟s3中，所述金屬源前驅(qū)體為三甲基鋁、四（二甲基氨基）鉿、四(乙基甲基胺基)鉿、三(甲基環(huán)戊二烯)化釔中的任意一種。

14、優(yōu)選的，所述初級(jí)柵介質(zhì)層的生長(zhǎng)周期為10-200cycle；所述初級(jí)柵介質(zhì)層的目標(biāo)厚度為1.5-2.5nm。

15、優(yōu)選的，所述對(duì)腔室進(jìn)行凈化，凈化時(shí)長(zhǎng)為10-30s。

16、優(yōu)選的，所述柵介質(zhì)層的目標(biāo)厚度為5-12nm。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

18、（1）本發(fā)明提供了一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，該制備工藝是首先在低溫條件下，采用雙氧水作為氧源，在低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面制備初級(jí)介質(zhì)層；再采用臭氧作為氧源，在高溫條件下繼續(xù)生長(zhǎng)目標(biāo)厚度的柵介質(zhì)層；由于在低溫條件下，雙氧水易于在材料表面進(jìn)行物理吸附，形成初級(jí)種子層，能夠彌補(bǔ)低維材料表面沒(méi)有懸掛鍵的缺陷；并且由于雙氧水的氧化性適中，不僅不會(huì)因氧化性過(guò)強(qiáng)而破壞材料本身的結(jié)構(gòu)，還能夠與金屬源充分反應(yīng)，有效地減少柵介質(zhì)層中的氧空位，使初級(jí)介質(zhì)層具有優(yōu)異的致密性以及均勻性，同時(shí)有效地降低柵介質(zhì)層的表面態(tài)密度，提高柵介質(zhì)層的質(zhì)量；另外，制備的初級(jí)介質(zhì)層可以作為保護(hù)層，使低維材料的結(jié)構(gòu)不會(huì)被氧化性較強(qiáng)的臭氧及高溫環(huán)境破壞，進(jìn)而使該制備工藝兼具高溫、高氧化條件下制備的柵介質(zhì)層的所有優(yōu)勢(shì)；解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的，以水為氧源或臭氧為氧源的原子層沉積工藝制備的柵介質(zhì)層，無(wú)法滿足場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)高質(zhì)量柵介質(zhì)層的要求，氧源與金屬源之間的反應(yīng)不充分而使柵介質(zhì)層存在大量缺陷、空位，氧源的氧化性過(guò)強(qiáng)或高溫環(huán)境導(dǎo)致低維材料表面結(jié)構(gòu)被破壞等問(wèn)題。

技術(shù)特征：

1.一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于：所述步驟s2中，所述雙氧水前驅(qū)體的載氣量為18-25sccm，所述雙氧水前驅(qū)體的脈沖持續(xù)時(shí)間為20-500ms。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于：所述步驟s3中，所述額定溫度為20-200℃；

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于：所述步驟s3中，所述金屬源前驅(qū)體為三甲基鋁、四（二甲基氨基）鉿、四(乙基甲基胺基)鉿、三(甲基環(huán)戊二烯)化釔中的任意一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于：所述初級(jí)柵介質(zhì)層的生長(zhǎng)周期為10-200cycle；所述初級(jí)柵介質(zhì)層的目標(biāo)厚度為1.5-2.5nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于：所述對(duì)腔室進(jìn)行凈化，凈化時(shí)長(zhǎng)為10-30s。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，其特征在于：所述柵介質(zhì)層的目標(biāo)厚度為5-12nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面柵介質(zhì)層的制備工藝，包括：S1、將襯底置于ALD反應(yīng)裝置的腔室中，S2、向腔室內(nèi)通入雙氧水前驅(qū)體進(jìn)行表面吸附，之后對(duì)腔室進(jìn)行凈化；S3、將腔室內(nèi)的溫度從室溫升到50?200℃，將金屬源瓶?jī)?nèi)形成的金屬源蒸汽由高純氮?dú)馔ㄟ^(guò)管路帶入到腔室內(nèi)，與吸附在低維材料表面的雙氧水前驅(qū)體反應(yīng)，之后對(duì)腔室進(jìn)行凈化；S4、多次重復(fù)步驟S2和S3,在低維材料表面形成初級(jí)柵介質(zhì)層；之后將氧源由雙氧水源切換到臭氧源，在高溫條件下繼續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層。該制備工藝不會(huì)破壞材料本身的結(jié)構(gòu)，也能夠使初級(jí)介質(zhì)層具有良好的致密性，同時(shí)兼具高溫高氧化條件下制備柵介質(zhì)層的所有優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：韓杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州烯晶半導(dǎo)體科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2