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一种新型高k栅介质复合薄膜及其制备方法 【EN】A kind of novel high-k gate dielectric laminated film and preparation method thereof

申请(专利)号:CN201811045596.1国省代码:北京 11
申请(专利权)人:【中文】北京大学【EN】Peking University
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摘要:
【中文】本发明公开了一种新型高k栅介质复合薄膜及其制备方法,其中,所述复合薄膜包括在衬底上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜,其中,所述第一层薄膜由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。所述制备方法包括:步骤1,选择衬底,并对衬底和靶材进行预处理;步骤2,在衬底上溅射第一层薄膜;步骤3,在第一层薄膜上溅射第二层薄膜,得到复合薄膜;步骤4,将得到的复合薄膜进行退火处理,制备得到新型高k栅介质复合薄膜。本发明所述方法简单,易于实现,易于扩大生产,制备得到的复合薄膜具备优良的综合电性能。 【EN】Paragraph:The invention discloses a kind of novel high-k gate dielectric laminated films and preparation method thereof, wherein, the laminated film includes the first layer film and the second layer film successively sputtered with the method for sputtering from bottom to top on substrate, wherein, first layer film is sputtered in oxygen-containing gas by rare earth target and aluminium target and is obtained.The preparation method includes: step 1, selects substrate, and pre-process to substrate and target;Step 2, the first layer film is sputtered on substrate;Step 3, the second layer film is sputtered on the first layer film, obtains laminated film;Step 4, obtained laminated film is made annealing treatment, novel high-k gate dielectric laminated film is prepared.The method of the invention is simple, it is easy to accomplish, it is easily enlarged production, the laminated film being prepared has excellent comprehensive electrochemical properties.Image:

主权项:
【中文】1.一种新型高k栅介质复合薄膜,其特征在于,所述复合薄膜包括在衬底上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜,其中,所述第一层薄膜由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。 【EN】1. a kind of novel high-k gate dielectric laminated film, which is characterized in that the laminated film includes using from bottom to top on substrate The first layer film and the second layer film that the method for sputtering successively sputters, wherein first layer film is by rare earth target and aluminium Target is sputtered in oxygen-containing gas and is obtained.


说明书

一种新型高k栅介质复合薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子领域,具体涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)结构中的栅介质

材料,特别涉及一种新型双层高k栅介质复合薄膜及其制备方法。

背景技术

Gordon Moore在1965年预言了著名的摩尔定律(Moore law):半导体芯片的集成
度以每18个月翻一番的速度增长。按照摩尔定律发展的要求,栅介质厚度要按比例缩小,大
幅度减小栅介质厚度的结果是栅介质的漏电流将呈指数形式增加,甚至绝缘失效,引发芯
片高功耗和散热问题。传统栅介质材料SiO2的介电常数低(k=3.9),SiO2的极限厚度成为Si
基集成电路集成度进一步提高的瓶颈。当SiO2厚度减至厚度范围时,将出现掺杂离
子渗透,可靠性下降,高漏电流和低击穿电压等问题。所以SiO2越来越不能满足器件进一步
等比例缩小的需求,为了延续摩尔定律和集成电路的长远发展,需要寻找新型栅介质材料
取代SiO2

而现有材料中,介电常数越大,禁带宽度就越小,不满足优良栅介质材料既要具有

高介电常数(高k),又要具有较大禁带宽度的要求。

因此,开发一种兼具高介电常数和高禁带宽度、热稳定性高且制备方法简单的栅

介质材料,是目前亟需解决的问题。

发明内容

为了克服上述问题,本发明人进行了锐意研究,结果发现:通过调节退火时间、退

火气氛、溅射条件等,得到了一种制备得到了非晶态双层高k栅介质复合薄膜的方法,且制

备得到的复合薄膜具有较大的介电常数、禁带宽度,热稳定性高,从而完成了本发明。

具体来说,本发明的目的在于提供以下方面:

第一方面,提供了一种新型高k栅介质复合薄膜,其中,所述复合薄膜包括在衬底

上由下到上用溅射的方法依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜,其中,所述第一层薄膜为

由稀土靶材和铝靶材在含氧气体中溅射得到。

第二方面,提供了一种第一方面所述的复合薄膜的制备方法,其中,所述方法包括

以下步骤:

步骤1,选择衬底,对衬底进行清洗并对靶材进行预处理;

步骤2,在衬底上溅射第一层薄膜;

步骤3,在第一层薄膜上溅射第二层薄膜,得到复合薄膜;

任选地,还包括步骤3',将复合薄膜制备成MOS结构;

步骤4,将得到的复合薄膜或复合薄膜制成的MOS结构进行退火处理。

本发明所具有的有益效果包括:

(1)本发明所述的新型高k栅介质复合薄膜,为非晶态,具有较高的复合薄膜的禁

带宽度、介电常数,耐高温性能佳;

(2)本发明所述的新型高k栅介质复合薄膜的制备方法,操作简单,条件易控,易于

大规模生产;

(3)本发明所述的制备方法,将制得的产品在适宜的退火温度及退火气氛下进行

处理,能够显著提高薄膜的介电常数,降低薄膜的漏电流密度。

附图说明

图1示出本发明实施例1制备的复合薄膜的X射线衍射图;其中,曲线a示出实施例1

的X射线衍射结果,曲线b示出硅衬底的X射线衍射结果;

图2示出本发明实施例1制备的复合薄膜的微观结构图;

图3示出本发明实施例1中所述的第一层薄膜的紫外可见吸收谱图;其中,a示出制

备的GAO薄膜的紫外可见吸收谱图,b示出禁带宽度与吸收系数的关系图;

图4示出本发明实施例1、9、10及对比例1、2中制备的MOS结构的C-V特性曲线;

图5示出本发明实施例1及对比例1~3制备的MOS结构的I-V特性曲线。

具体实施方式

下面通过优选实施方式和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明,本发

明的特点和优点将变得更为清楚明确。

第一方面,本发明提供了一种新型高k栅介质复合薄膜,所述复合薄膜包括在衬底

上由下到上依次溅射的第一层薄膜和第二层薄膜,其中,所述第一层薄膜由稀土靶材和铝

靶材在含氧气体中溅射得到。

在本发明中,所述复合薄膜为非晶薄膜。

其中,所述衬底为半导体衬底,优选为硅、砷化镓、磷化铟或锑化镓单晶片中的一

种或多种。

根据本发明一种优选的实施方式,所述稀土靶材为镧、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥、

镱、镥、钪、钆或钇靶材中的一种或多种。

本发明人发现,稀土靶材在含氧气体中形成的氧化物具有较高的介电常数和较宽

的禁带宽度,在栅介质薄膜中加入稀土氧化物,能够有效提高铝靶材在含氧气体中形成的

氧化铝的介电常数,并能提高第一层薄膜与衬底接触的热稳定性。

同时,氧化铝由于具有较高的禁带宽度,可以阻挡载流子通过。

在进一步优选的实施方式中,所述稀土靶材为镧、铕、铽、铒、镱、钪、钆或钇靶材中

的一种或多种。

在更进一步优选的实施方式中,所述稀土靶材为钪、钆或钇靶材中的一种或多种,

优选为钆靶材。

根据本发明一种优选的实施方式,所述含氧气体包括氧气和惰性气体。

在进一步优选的实施方式中,所述惰性气体与氧气的含量比为(20~40):10,优选

为(25~35):10,更优选为30:10。

在更进一步优选的实施方式中,所述惰性气体为氩气。

根据本发明一种优选的实施方式,所述第二层薄膜由金属钛靶材、铌靶材或钡靶

材中的一种或多种在含氧气体中溅射得到。

在进一步优选的实施方式中,所述第二层薄膜由金属钛靶材在含氧气体中溅射得

到。

本发明人发现,金属钛靶材的在含氧气体中形成的二氧化钛的介电常数高达60~

80,其与第一层薄膜复合形成的栅介质材料能够保持较高的介电常数。

在更进一步优选的实施方式中,所述含氧气体包括氧气和惰性气体,所述惰性气

体与氧气的含量比为(20~40):10,优选为(25~35):10,更优选为30:10。

其中,所述惰性气体为氩气。

第二方面,本发明还提供了一种新型高k栅介质复合薄膜的制备方法,所述方法包

括以下步骤:

步骤1,选择衬底,并对衬底和靶材进行预处理;

步骤2,在衬底上溅射第一层薄膜;

步骤3,在第一层薄膜上溅射第二层薄膜,得到复合薄膜;

任选地,还包括步骤3',将复合薄膜制备成MOS结构;

步骤4,将得到的复合薄膜或复合薄膜制成的MOS结构进行退火处理。

以下进一步描述所述复合薄膜的具体制备步骤:

步骤1,选择衬底,清洗衬底并对靶材进行预处理。

在本发明中,优选选择P型(100),电阻率为1~10Ω·cm的单晶硅片为衬底,其厚

度为400~600μm,优选为500μm;

硅片大小优选为10mm×10mm。

其中,所述预处理包括以下步骤:

步骤1-1,对衬底进行清洗。

在本发明中,为了获得优质的复合薄膜,首先要清洗硅衬底,除去硅衬底表面的天

然氧化层,得到清洁、平整的硅表面。

根据本发明一种优选的实施方式,所述清洗如下进行:

(1)将硅片置于去离子水中进行超声处理5~15min,优选为7~12min;

(2)在浓硫酸和双氧水的混合溶液中(体积比为2~4:1)煮沸10~20min,优选为12

~18min;

此步处理能够去除硅片表面的有机物;

(3)用去离子水冲洗后,采用HF溶液清洗(例如浓度为10%的HF溶液)清洗20~

40s,如30s;

(4)用去离子水冲洗,然后在浓硝酸中煮沸1~5min(例如3min);

(5)用去离子水冲洗,并依次重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(3);

(6)用去离子水冲洗,在氨水和双氧水的混合水溶液(例如NH4OH:H2O2:H2O=1:

1.5:5)中煮沸2~8min(例如4min);

(7)重复步骤(3),然后去离子水冲洗,再在浓HCl:H2O=3:1混合溶液中煮沸;

(8)向步骤(7)混合溶液中加入与浓HCl等量的H2O2

(9)去离子水冲洗,氮气吹干硅片。

在进一步优选的实施方式中,将氮气吹干后的硅片迅速放入磁控溅射镀膜设备腔

室的基底盘上并进行固定。

在本发明中,优选选择磁控溅射设备进行复合薄膜的制备。

步骤1-2,对靶材表面进行清洁。

本发明人经过研究发现,现有技术中的陶瓷靶在进行磁控溅射的过程中容易受热

开裂,因此在本发明中优选选择金属靶材。

根据本发明一种优选的实施方式,用细砂纸细致打磨金属靶材,以去除靶材表面

天然形成的氧化皮。

在进一步优选的实施方式中,将打磨后的靶材安装在磁控溅射镀膜设备腔室的靶

位上,抽真空处理,进行预溅射。

其中,所述靶位与腔室基底的距离为60~80mm,优选为70mm,且在安装完毕后需要

用万用表检查,以防短路。

在本发明中,所述预溅射为:调节好靶材的射频功率后,关闭靶材挡板,通入氩气,

进行预溅射,以进一步清洁靶材表面,清洁完毕后关闭射频电源。

在更进一步优选的实施方式中,进行预溅射时,靶材的射频功率为50~70W,优选

为60W,溅射时间为15~25min,优选为20min,

所述氩气用量优选为40sccm。

根据本发明一种优选的实施方式,所述抽真空处理为真空度小于8×10-4Pa,优选

小于7×10-4Pa。

步骤2,在衬底上溅射第一层薄膜。

具体地,调节稀土靶和铝靶的射频功率,通入含氧气体,进行薄膜溅射,得到一定

厚度的第一层薄膜。

根据本发明一种优选的实施方式中,所述稀土靶材的射频功率为30~50W,所述铝

靶射频功率为10~30W。

在进一步优选的实施方式中,所述稀土靶材的射频功率为35~45W,所述铝靶射频

功率为15~25W。

其中,在第一层薄膜中,所形成的稀土氧化物的作用是为了提高薄膜的介电常数,

氧化铝的作用是为了提高薄膜材料的禁带宽度和结晶温度。

本发明人发现,将稀土金属靶材的射频功率设置为30~50W,铝靶射频功率设置为

10~30W,优选将稀土靶材的射频功率设置为35~45W,铝靶射频功率设置为15~25W,能够

使溅射得到的第一层薄膜的介电常数处于较高水平,尤其能提高薄膜的禁带宽度和结晶温

度。

根据本发明一种优选的实施方式,所述稀土靶材选自钆(Gd)、镧(La)、钐(Sm)、铕

(Eu)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),钪(Sc)和钇(Y)中的一种或

多种。

在进一步优选的实施方式中,所述稀土靶材为钆(Gd)、镧(La)、镱(Yb)、镥(Lu),钪

(Sc)和钇(Y)中的一种或多种。

在更进一步优选的实施方式中,所述稀土靶材为钆(Gd)。

根据本发明一种优选的实施方式,所述含氧气体包括氧气和惰性气体。

在进一步优选的实施方式中,所述惰性气体与氧气的含量比为(20~40):10,优选

为(25~35):10,更优选为30:10。

在更进一步优选的实施方式中,所述惰性气体为氩气。

本发明人经过研究发现,当通入的氩气和氧气的用量比为(20~40):10,优选为

(25~35):10,更优选为30:10时,制备得到的第一层薄膜具有较大的介电常数和较高的禁

带宽度。

根据本发明一种优选的实施方式,所述第一层薄膜溅射的时间为35s~150s,优选

为40s~140s,更优选为45s-135s。

在进一步优选的实施方式中,所述制备得到的第一层薄膜的厚度为3~18nm,优选

为4~17nm,更优选为5~15nm。

步骤3,在第一层薄膜上溅射第二层薄膜,得到复合薄膜。

在本发明中,优选原位溅射第二层薄膜,其中,优选选择钛(Ti)靶材在含氧气体中

进行第二层薄膜的溅射,溅射得到的第二层薄膜为二氧化钛层。

根据本发明一种优选的实施方式,调节钛靶的射频功率为40~80W,优选为50~

70W,更优选为60W。

在进一步优选的实施方式中,所述含氧气体包括氧气和惰性气体,所述惰性气体

与氧气的含量比为(20~40):10,优选为(25~35):10,更优选为30:10。

其中,所述惰性气体为氩气。

根据本发明一种优选的实施方式,所述第二层薄膜溅射的时间为120~450s,优选

为130s-440s,更优选为140s-420s。

在进一步优选的实施方式中,制备得到的复合薄膜的厚度为17~25nm,优选为18

~21nm,更优选为20nm。

步骤3',任选地,将得到的复合薄膜制成MOS结构。

根据本发明一种优选的实施方式,在制备得到的复合薄膜的上层和衬底的下层分

别溅射金属电极,制成MOS结构,以测试其电学性能。

在进一步优选的实施方式中,所述溅射的金属电极选自金(Au)、铂(Pt)和钯(Pd)

中的一种或几种。

在更进一步优选的实施方式中,所述溅射的金属电极为金(Au)。

在本发明中,所述制成MOS结构的步骤为现有技术中的常规步骤,一般为:用掩膜

板遮盖得到的溅有复合薄膜的硅片,调节直流脉冲电源80W,通入氩气40sccm,溅射金属电

极,厚度约为1000nm,制成MOS结构。

步骤4,将得到的复合薄膜或复合薄膜制成的MOS结构进行退火处理。

根据本发明一种优选的实施方式,所述退火处理在一定的氩气、氧气或氨气气氛

下进行,优选在氧气气氛下进行。

在本发明中,溅射得到的复合薄膜中存在很多氧空位等缺陷,氧空位的存在会降

低介电常数,增大漏电流。本发明人发现,在充足氧气氛下退火可以补充溅射过程中产生的

氧空位,提高介电常数、降低漏电流。

在进一步优选的实施方式中,所述氧气的流速为80~120sccm,优选为90~

110sccm,更优选为100sccm。

其中,所述sccm为标准状态下每分钟1立方厘米的流量。

根据本发明一种优选的实施方式,所述退火处理的温度为650~800℃,优选为680

~750℃,更优选为700℃。

本发明人发现,复合薄膜的介电常数在退火温度为650~800℃,优选为680~750

℃,更优选为700℃时,介电常数最大,当退火温度高于800℃时,介电常数呈下降趋势,主要

是因为高温使薄膜结构发生了非晶相向晶向的转变,影响了性能。

在进一步优选的实施方式中,所述退火处理时间为4~8min,优选为5~7min,更优

选为6min。

在本发明中,所述退火处理的过程为:将样品置于管式炉上的石英管中,待管式炉

升温至退火温度后,将样品移动至管式炉体内,同时调节石英管内的氧气流速,开始进行快

速退火,处理结束后将样品移出炉体,退火完成。

其中,将样品移动至设定退火温度的炉体内,是为了使复合薄膜来不及生成低介

电常数的界面层,以进一步提高复合薄膜的性能。

在本发明中,在对复合薄膜进行退火处理后,为检测其电学性能,优选将其制成

MOS结构,更优选将制成的MOS结构再次进行退火处理。

本发明还提供了一种MOS结构,其由第二方面所述方法制备的复合薄膜制成。

实施例

以下通过具体实例进一步描述本发明,不过这些实例仅仅是范例性的,并不对本

发明的保护范围构成任何限制。

在实施例及对比例中,所使用的硅片是博特万德公司生产的P(100)晶向,电阻率

1-10Ω·cm;靶材是由中诺新材(北京)有限公司生产,纯度为99.9%;

所述硅片的清洗按照下述步骤进行:(1)将硅片置于去离子水中进行超声处理

10min;(2)在浓硫酸和双氧水的混合溶液中(体积比为3:1)煮沸15min;(3)用去离子水冲洗

后,采用浓度为10%的HF溶液清洗30s;(4)用去离子水冲洗,然后在浓硝酸中煮沸3min;(5)

用去离子水冲洗,并依次重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(3);(6)用去离子水冲洗,在NH4OH:

H2O2:H2O=1:1.5:5的混合液中煮沸4min;(7)重复步骤(3),然后去离子水冲洗,再在浓HCl:

H2O=3:1混合溶液中煮沸;(8)向步骤(7)混合溶液中加入与浓HCl等量的H2O2;(9)去离子水

冲洗,氮气吹干硅片。

实施例1


(1)切取大小约为10mm×10mm的硅片进行清洗,氮气吹干后迅速放进磁控溅射镀

膜设备(北京泰科诺科技公司生产的JCP500高真空多靶磁控溅射镀膜设备)腔室的基底盘

上并进行固定;取细砂纸打磨过的Gd靶、Al靶和Ti靶,安装在靶位上,使得靶位与基底的距

离为70mm,抽真空至7×10-4Pa以下。

(2)调节射频电源功率为60W,在关闭靶材挡板的情况下,通入氩气40sccm,进行预

溅射,进一步清洁靶材表面,20min后关闭射频电源。

(3)调节Gd靶材的射频电源功率为40W,铝靶材的射频电源功率为20W,通入氩气和

氧气的比例为30:10,打开靶材挡板,正式进行薄膜溅射,经过90s溅射,得到10nm第一层薄

膜。

(4)调节钛靶的射频功率为60W,通入氩气和氧气的比例为30:10,进行原位溅射,

经过210s溅射,得到厚度为10nm的二氧化钛薄膜,得到厚度为20nm的复合薄膜。

(5)用掩膜板遮盖得到的溅有复合薄膜的硅片,调节直流脉冲电源80W,通入氩气

40sccm,溅射金属电极Au,厚度为1000nm,制成MOS结构。

(6)将制备得到的MOS结构置于石英管中,然后移动至升温至700℃的管式炉中,同

时调节石英管内氧气气流为100sccm,开始进行快速退火,6min后将样品移出炉体,退火完

成。

实施例2


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,采用钪靶材替换钆靶材。

实施例3


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,采用钇靶材替换钆靶材。

实施例4


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,溅射第一层薄膜和第二层薄膜的

氩气和氧气的用量比均为40:10。

实施例5


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,退火处理的温度为650℃。

实施例6


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,退火处理的温度为800℃。

实施例7


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,退火处理在100sccm的氩气气氛

下进行。

实施例8


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,退火处理在100sccm的氨气气氛

下进行。

实施例9


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,溅射得到的第一层薄膜的厚度为

15nm,第二次薄膜的厚度为5nm。

实施例10


本实施例所用方法与实施例1相似,区别仅在于,溅射得到的第一层薄膜的厚度为

5nm,第二次薄膜的厚度为15nm。

对比例

对比例1


本对比例所用方法与实施例1相似,区别在于,仅在硅衬底上溅射20nm厚的第一层

薄膜。

对比例2


本对比例所用方法与实施例1相似,区别在于,仅在硅衬底上溅射20nm厚的第二层

二氧化钛薄膜。

对比例3


本对比例所用方法与实施例1相似,区别在于,退火的温度为600℃。

实验例

实验例1


对实施例1中制备的双层复合薄膜进行X射线衍射,结果如图1所示。由图1中的曲

线a和b可以看出,复合薄膜均无任何衍射峰出现,说明其为非结晶状态,能够使薄膜的漏电

流降低。

实验例2


采用SPI3800/SPA400扫描探针显微镜对实施例1中制备的双层复合薄膜的微观结

构进行测定和观察分析,结果如图2所示。

由图2可以看出,本发明实施例1制备得到的复合薄膜的表面较平滑,测定得到复

合薄膜的粗糙度Ra为1.942×10-1nm,Rz为7.789×10-1nm,可知本发明中所述方法制备得到

的复合薄膜的粗糙度较小,不会存在较高表面粗糙度所引起的问题,高表面粗糙度会影响

光子散射及薄膜的禁带宽度。

实验例3


采用Tauc光学方法对实施例1中第一层薄膜的禁带宽度进行测定,具体步骤为:用

丙酮超声清洗后的石英玻璃吹干,放进磁控溅射镀膜设备腔室的基底盘上并进行固定并抽

真空,按照实施例1中的步骤(3)溅射一层300nm厚的GAO薄膜(Gd和Al靶材),700℃进行退火

处理,利用紫外可见分光光度计测试其紫外可见吸收谱图,结果如图3的a所示。

利用α=Abs/d(d为薄膜厚度,Abs为吸光度)得到吸收系数α,再利用吸收系数与禁

带宽度的关系,做出(αhv)2相对于hv曲线,再通过曲线的切线与横坐标的交点得到氧化物

的禁带宽度,结果如图3的b所示,其中,(αhυ)2=C(hυ-Eg);式中,α为吸收系数,hυ为光子能

量,h为普朗克常量,υ为光的频率,C为常数,Eg为禁带宽度。

由上述可知,GAO薄膜的禁带宽度为5.31eV,高于高k薄膜的禁带宽度(5eV),说明

本发明中所述方法制备的第一层薄膜具有符合要求的禁带宽度,与硅衬底接触时热稳定性

较好。

实验例4


对实施例1、9、10及对比例1、2中制备的MOS结构进行C-V曲线测试,采用的是常州

同惠公司生产的TH2838H LCR电桥,结果如图4所示。

由图4可以看出,在本发明所限定的薄膜厚度范围内,随着第一层薄膜(GAO)厚度

逐渐增大,电学性能变化不明显,说明在复合薄膜性能受第一层膜厚度的影响较小,降低了

制备难度。

结合测定结果,对比例1中制备的单一的GAO薄膜的介电常数为15,明显小于复合

薄膜的介电常(实施例1的20.5,实施例9的20.0,实施例10的19.5),而对比例2中制备的单

一的二氧化钛薄膜的C-V曲线发生了严重畸变,推测是由于TiO2的结晶温度低,单一的薄膜

承受不了700℃的高温退火,薄膜遭到破坏。

根据实施例1中制备的复合薄膜的测定结果,得到其平带电压为0.18V,缺陷电荷

密度为1.6×10-12cm-2,说明本发明实施例1制备的复合膜内部氧空位等缺陷少,性能优异。

实验例5


对实施例1和对比例1~3中制备的MOS结构进行I-V曲线测试,采用的是上海辰华

公司生产的电化学工作站,结果如图5所示。

由图5可以看出,实施例1中制备的复合膜的漏电流非常小,仅为5.16×10-4A/cm
-2,相比较对比例1中单一的GAO薄膜的漏电流(2.13×10-2A/cm-2)降低了两个数量级;相比

对比例2中单一的TiO2薄膜漏电流(0.34A/cm-2)降低了三个数量级;相比于对比例3中的薄

膜漏电流(2.10×10-2A/cm-2)降低了两个数量级;实施例1中之制备的复合膜的漏电流远远

小于MOS器件允许的最大漏电流1.5×10-2A/cm-2

由上述可知,制备的复合薄膜的性能远优于单层薄膜的性能,且制备过程中的气

体氛围和退火温度对复合薄膜的电学性能有较大影响。

推测原因是:单层薄膜无法达到既高介电常数又宽禁带宽度,如对比例2中的单一

二氧化钛薄膜,其虽然具有高达60~80的介电常数,但是其禁带宽度只有3.4eV,并且热稳

定性差,容易向硅衬底扩散,与硅衬底反应。而本发明复合薄膜的第一层为氧化稀土和氧化

铝的三元化合物,稀土氧化物(介电常数为12-15)的引入可以提高氧化铝(介电常数为9)的

介电常数,并提高与衬底接触热稳定性,而氧化铝(禁带宽度为8.7eV)的引入使此层具有较

高的禁带宽度,可阻挡载流子通过,从而显著降低薄膜的漏电流,并且此层阻止了钛向衬底

的扩散,避免了低介电常数界面层的生成;第二层为二氧化钛层,此层可进一步提高介电常

数。因此本发明实施例中的双层薄膜成功复合了稀土基化合物和二氧化钛的优势,得到的
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图1
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