專利名稱：一種采用MOCVD制備外延Gd_2-xLa_xO₃柵介質(zhì)薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用MOCVD方法制備金屬氧化物柵介質(zhì)薄膜的方法，具體是一種制備外延Gd2_xLax03金屬氧化物柵介質(zhì)薄膜的方法。
背景技術(shù)：
半導體行業(yè)迅猛發(fā)展，金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors,MOSFETs)技術(shù)中一直是采用SiO2作為柵介質(zhì)材料。隨著集成度的提高，器件特征尺寸不斷減小，柵氧化物層的厚度越來越薄，由此帶來的隧穿電流和器件失效問題使得使用高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料來替代SiO2成為當前微電子技術(shù)的研究熱
；ο稀土氧化物是受到人們關(guān)注的高介電柵介質(zhì)材料，其中，Gd2O3具有較大的帶隙 5. 37 6. 36eV，介電常數(shù)是1(Γ 4，是新型高介電柵介質(zhì)候選材料之一。La2O3具有較大的帶隙(6.0 eV)，較高的介電常數(shù)議 30)，較大的導帶勢壘高度eV)，但是，La2O3易潮解，影響了它的應(yīng)用。對于高介電柵介質(zhì)薄膜材料來說，為了與硅基半導體CMOS工藝兼容， 必須要具有較好的熱穩(wěn)定性，即在經(jīng)過800 - 900°C的高溫快速處理后，柵介質(zhì)薄膜的形態(tài)與結(jié)構(gòu)保持不變。像目前研究較多的高介電氧化鉿、氧化鋯薄膜，在經(jīng)過高溫退火后，會結(jié)晶形成很多晶界，一方面高溫退火導致晶粒長大，薄膜粗糙度增加，同時眾多晶界也是漏電流的通道，會增大漏電流密度，惡化器件性能。因此對高介電柵介質(zhì)薄膜材料除了介電常數(shù)和帶隙方面的要求，另一個重要指標就是熱穩(wěn)定性，希望生長的高介電柵介質(zhì)薄膜在高溫退火后依然保持非晶，如LaAlO3或者摻Si的氧化鉿，或者在硅襯底上生長獲得外延單晶薄膜，這樣就去除了晶界的影響，并且Si與柵介質(zhì)薄膜之間存在外延關(guān)系，界面質(zhì)量高。金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是半導體領(lǐng)域一個極其重要的薄膜沉積技術(shù)，具有生長薄膜質(zhì)量高、均勻性好、易摻雜、產(chǎn)率高、臺階覆蓋率好等優(yōu)點，受到微電子工業(yè)的青睞，已經(jīng)成功應(yīng)用于III-V族半導體的生長。但是，現(xiàn)有技術(shù)中尚未發(fā)現(xiàn)記載有采用MOCVD方法制備制備外延GOxO3金屬氧化物柵介質(zhì)薄膜的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是采用MOCVD方法將La元素摻入Gd2O3當中，在(100) Si襯底上制備外延生長的(111) GdhLaxO3柵介質(zhì)薄膜，獲得了較好電學性能；此方法制備工藝簡單，所制備的外延Gd2_xLax03薄膜是一種具有應(yīng)用前景的高介電柵介質(zhì)材料。本發(fā)明所述的一種采用MOCVD制備外延Gd2_xLax03柵介質(zhì)薄膜的方法，其包括以下步驟
1)對(100)Si襯底進行清洗；
2)將清洗好的襯底移入MOCVD反應(yīng)室，Gd源和La源分別為四甲基庚二酮釓Gd(dpm)3 和四甲基庚二酮鑭La (dpm) 3，以MOCVD方法在(100 )Si襯底上沉積Gd2_xL￡ix03金屬氧化物薄膜，
3)將沉積好薄膜的襯底放于快速退火爐中退火后即得到成品。所述步驟1)的過程為將襯底用標準RCA半導體清洗工藝清洗后，再用稀釋的氫氟酸溶液在室溫下浸泡3 6分鐘去除襯底表面的氧化物層.其中氫氟酸溶液中氫氟酸與去離子水的體積比為1:8 10。所述步驟2)中MOCVD的工藝參數(shù)為Gd源溫度145 — 155°C，La源溫度為185 — 205 °G;載氣為氬氣或氮氣，流量為40 400SCCm;反應(yīng)氣為氧氣，流量為100 sccm，反應(yīng)室壓強為10 20 Torr ；沉積溫度為550 — 650°C ；沉積時間為3 — 45分鐘。所述步驟3)退火過程為在隊氣氛中，于800 — 9000C下快速退火3_5分鐘。本發(fā)明的有益效果采用MOCVD工藝，在(100)Si襯底上成功制備了外延的(111) Gd2^xLaxO3柵介質(zhì)薄膜。其中的MOCV系統(tǒng)是常見的薄膜制備設(shè)備，用于制備GcVxLiixO3柵介質(zhì)薄膜工藝簡單，且具有普遍性。通過MOCVD系統(tǒng)獲得外延Gd2_xLax03柵介質(zhì)薄膜，Gd2O3的 (111)與硅襯底(100)晶向一致，在微電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。另外還在透明的熔石英襯底上沉積了 Gd2_xLax03的厚膜，以便測量光學透射譜，獲得GOxO3薄膜的帶隙。


圖1是在(100)Si襯底上沉積的Gd2_xLiix03薄膜的的XRD圖譜；其中圖Ia是600°C 沉積后的XRD圖譜，圖Ib是800°C退火后的XRD圖譜。圖2是在熔石英襯底上沉積45分鐘的GdhLaxO3薄膜的光學透射譜和 Φ—1/2 Au曲線；
圖3是在(100) Si襯底上沉積5分鐘的超薄GdhLiixO3薄膜的XPS能譜圖； 圖4是在Si襯底上沉積5分鐘的超薄GdhLiixO3薄膜的C-V曲線。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例1
1)對(100) Si襯底用標準RCA半導體清洗工藝清洗后，再用稀釋的氫氟酸溶液在室溫下浸泡3 6分鐘去除Si襯底表面的氧化物層，氫氟酸溶液中氫氟酸與去離子水的體積比為1:8 10。2)將清洗好的襯底移入MOCVD反應(yīng)室，Si襯底上沉積Gd2_xLax03金屬氧化物薄膜，Gd源和La源分別為四甲基庚二酮釓Gd(dpm)3和四甲基庚二酮鑭La(dpm)3，Gd源溫度 150°C，流量為lOOsccm，沉積時間為5分鐘；La源溫度為205°C，流量為200sCCm，沉積時間為 45分鐘，金屬源載氣為氬氣；反應(yīng)氣為氧氣，流量為100 sccm，反應(yīng)室壓強為15Τοπ·；沉積溫度為600°C。3)將沉積好薄膜的襯底放于快速退火爐中，在N2氣氛中，于800°C下快速退火5 分鐘即得到成品。
實施例2 1)對(100) Si襯底用標準RCA半導體清洗工藝清洗后，再用稀釋的氫氟酸溶液在室溫下浸泡3 6分鐘去除襯底表面的氧化物層，氫氟酸溶液中氫氟酸與去離子水的體積比為 1:8 10。2)將清洗好的襯底移入MOCVD反應(yīng)室，在襯底上沉積Gd2_xLax03金屬氧化物薄膜，Gd源和La源分別為四甲基庚二酮釓Gd(dpm)3和四甲基庚二酮鑭La(dpm)3，Gd源溫度 145°C，流量為360SCCm，沉積時間為30分鐘；La源溫度為185°C，流量為40sCCm，沉積時間為 30分鐘，金屬源載氣為氮氣；反應(yīng)氣為氧氣，流量為100 sccm，反應(yīng)室壓強為20Τοπ·；沉積溫度為^0°c。3)將沉積好薄膜的襯底放于快速退火爐中，在N2氣氛中，于900°C下快速退火3 分鐘即得到成品。
實施例3
1)對(100) Si襯底用標準RCA半導體清洗工藝清洗后，再用稀釋的氫氟酸溶液在室溫下浸泡3 6分鐘去除Si襯底表面的氧化物層，氫氟酸溶液中氫氟酸與去離子水的體積比為1:8 10。2)將清洗好的襯底移入MOCVD反應(yīng)室，Si襯底上沉積Gd2_xLax03金屬氧化物薄膜，Gd源和La源分別為四甲基庚二酮釓Gd(dpm)3和四甲基庚二酮鑭La(dpm)3，Gd源溫度 155°C，流量為40SCCm，沉積時間為20分鐘；La源溫度為195°C，流量為360sCCm，沉積時間為 20分鐘，金屬源載氣為氬氣；反應(yīng)氣為氧氣，流量為100 sccm,反應(yīng)室壓強為IOTorr ；沉積溫度為650°C。3)將沉積好薄膜的襯底放于快速退火爐中，在N2氣氛中，于850°C下快速退火5 分鐘即得到成品。外延Gd2_xLiix03柵介質(zhì)薄膜的表征和性能 薄膜的晶態(tài)
Gd2^xLaxO3薄膜的XRD圖譜(如圖1所示)。在(100) Si沉底上600°C沉積45分鐘的 Gd2O3薄膜的最強衍射峰，對應(yīng)立方相的(222)晶面，弱峰對應(yīng)(444)晶面。在粉末衍射譜中(JCPDS卡片43-1014)，出現(xiàn)的較強衍射峰(400) (440)均未出現(xiàn)，說明立方相的Gd2O3 (111)晶面外延在Si (100)。Gd2O3摻入不同含量的La元素之后(1 :9的La/Gd流量比對應(yīng) 9%的鑭含量，1 :1的La/Gd流量比對應(yīng)33%的鑭含量)，在(100) Si沉底上600°C沉積45 分鐘的Gd2_xLax03薄膜對應(yīng)的最強衍射峰也呈現(xiàn)立方相(222)晶面(圖la)。800°C退火后， XRD圖依然顯示出Gd2_xLax03 (111)晶面外延在Si (100)，利用晶胞參數(shù)計算，可知二者失配度為0.8% (圖lb)。薄膜的帶隙
圖2為熔石英襯底上沉積45分鐘的GdhLiixO3薄膜的光學透射譜和(Α α)1/2 如曲線。
薄膜在可見光區(qū)域的透過率都在80%以上，從而得出薄膜的厚度均勻，表面平整性較好。通過線性擬合得到薄膜的帶隙值為5. 78eV。薄膜的組成
圖3為(100) Si襯底上沉積5分鐘的超薄Gd2_xLiix03薄膜的XPS能譜圖。薄膜的XPS 曲線檢測出Gd3d和La3d的光電子峰Gd3d峰分裂為兩個Gd — 0鍵的光電子峰，對應(yīng)的結(jié)合能是1188eV和1220eV，La — 0鍵的La 3d5/2峰和La 3d3/2對應(yīng)的結(jié)合能為836. 2 eV 和853 eV，表明Gd2_xLax03薄膜已經(jīng)成功沉積。Ols的結(jié)合能位于53&V，對應(yīng)Gd2_xLax03薄膜中的Ols芯電子的結(jié)合能。 表1列出了等離子耦合共振(ICP)測得不同流量條件下獲得了 La/Gd比 (Gd 源溫；150°C ；La 源溫；205°C)
權(quán)利要求
1.一種采用MOCVD制備外延Gd2_xLax03柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟1)對(100)Si襯底進行清洗；2)將清洗好的襯底移入MOCVD反應(yīng)室，Gd源和La源分別為四甲基庚二酮釓Gd(dpm)3 和四甲基庚二酮鑭La (dpm) 3，以MOCVD方法在(100 )Si襯底上沉積Gd2_xL￡ix03金屬氧化物薄膜，3)將沉積好薄膜的襯底放于快速退火爐中退火后即得到成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用MOCVD制備外延GdhLiixO3柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于所述步驟1)的過程為將(100) Si襯底用標準RCA半導體清洗工藝清洗后，再用稀釋的氫氟酸溶液在室溫下浸泡3 6分鐘，去除襯底表面的氧化物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用MOCVD制備外延GdhLiixO3柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于氫氟酸溶液中氫氟酸與去離子水的體積比為1:8 10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用MOCVD制備外延GcVxLiixO3柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于所述步驟2)中MOCVD的工藝參數(shù)為Gd源溫度145 — 155°C ,La源溫度為185 — 205 0C ；載氣為氬氣或氮氣，流量為40 400SCCm ；反應(yīng)氣為氧氣，流量為100 sccm，反應(yīng)室壓強為10 20 Torr ；沉積溫度為550 — 650°C ；沉積時間為3 — 45分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用MOCVD制備外延GcVxLiixO3柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于所述步驟3)退火過程為在隊氣氛中，于800 - 9000C下快速退火3-5分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用MOCVD制備外延Gd2-xLaxO3柵介質(zhì)薄膜的方法，首先對(100)Si襯底進行清洗；將清洗好的襯底移入MOCVD反應(yīng)室，Gd源和La源分別為四甲基庚二酮釓Gd(dpm)3和四甲基庚二酮鑭La(dpm)3，以MOCVD方法在Si襯底上沉積Gd2-xLaxO3金屬氧化物薄膜，將沉積好薄膜的襯底放于快速退火爐中退火后即得到成品。本發(fā)明采用MOCVD工藝，在(100)Si襯底上成功制備了外延的(111)Gd2-xLaxO3柵介質(zhì)薄膜。本發(fā)明工藝簡單，外延Gd2-xLaxO3柵介質(zhì)薄膜在微電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號C30B29/22GK102517632SQ20121000651
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者付盈盈, 劉曉杰, 吳迪, 李愛東, 黃柳英 申請人:南京大學