ALD沉积HfO2薄膜生长行为及其调控.PDF

第44 卷 第11 期 稀有金属材料与工程 Vol.44, No.11 2015 年 11 月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING November 2015 ALD 沉积HfO2 薄膜生长行为及其调控 1 1 1,2 聂祥龙 ，马大衍 ，徐可为 ( 1. 西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室，陕西 西安 710049) (2. 西安文理学院，陕西 西安 710065) 摘 要：采用原子层沉积 （ALD ）的方法，选择四二乙基氨基铪 （TDEAH ）和水作为反应前驱体，在p 型(100)单晶硅 衬底上制备了 HfO2 高介电质薄膜。系统研究了前驱体流量、反应气压、反应温度等工艺参数对 HfO2 薄膜生长质量的 影响。通过工艺调控，发现存在两种薄膜生长模式：类CVD （化学气相沉积）生长模式和ALD 生长模式。发现薄膜的 生长模式主要依赖于制备工艺参量：脉冲参量M 和冲洗参量Q ，通过优化工艺参数，可实现薄膜生长由类CVD 生长模 式向ALD 生长模式的转变，并获得了0. 1 nm/周次的最优薄膜生长速率。同时，薄膜微结构与表面形貌的表征结果表明： 薄膜的非晶晶态转变受温度和膜厚两个因素共同控制。 关键词：高介电质薄膜；HfO ；原子层沉积；生长行为 2 中图法分类号：TN386.1 ；TN304 ；O484 文献标识码：A 文章编号：1002- 185X(2015) 11-2907-06 随着电子工业的飞速发展，半导体器件正按照摩 采用p 型(100)单晶硅作为衬底，首先将其切成20 尔定律不断地趋于小型化和集成化。其特征尺寸不断 mm ×20 mm 左右的硅片，并对硅片进行清洗，具体流 地减小，同时栅氧化层也等比例减小。集成电路发展 程为：首先将硅片依次置于丙酮和酒精溶液中超声清 到32 nm 技术节点，等效栅氧化层厚度约为0.8 nm[1-3] 。 洗 10 min，去除硅片表面的颗粒和有机物；之后用去 在此厚度上，电子隧穿效应将会导致漏电流急剧增大， 离子水清洗3 min ；然后用浓度为5% 的HF 溶液浸泡 传统的栅介质 SiO2 已不能满足器件发展的需求。采用 30 s ，除去硅片表面的自然氧化层；之后用去离子水 高介电质材料替代传统的栅介质 SiO2 可以很好地解 清洗 3 min ，并用氮气吹干；最后采用紫外臭氧处理 决这一问题。高介电质材料可在等效厚度不变的情况 10 min 左右，生成一层均匀氧化层。 下增加其物理厚度，从而降低漏电流，提高器件稳定 采用四二乙基氨基铪 （TDEAH ）和水作为反应前 性，同时在工业上也能较易实现。基于高介电质材料 驱体，反应方程式见式(1)和(2)[9] 。采用99.999% 的高 的基本要求，HfO2 以其优异的性能表现出了良好的应 纯氮气作为载气和冲洗气体。前驱体 TDEAH 温度为 用前景，并在业界中得到了广泛的研究。 90 ℃，反应腔温度为250 ℃，其它参数见表1。 [4,5] 目前制备HfO2 薄膜有很多方法 ，如磁控溅射 Su