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1、电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment高K栅介质薄膜的制备报告人: 雷雨秋 时间：2014/11/29电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment绪论RCA清洗工艺高K栅介质薄膜制备方法原子层沉积ALD参考文献目录电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power
2、Equipment 绪论绪论绪论绪论绪论摩尔定律：当价格不变时集成电路上可容纳的 晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性 能也将提升一倍。随着微电子技术的迅猛发展,集成电路的集成度 不断增大,器件的尺寸不断缩小。MOSFET尺寸缩小到0.1m以下EOT小于3nm。高K材料高介电常数确保足够的物理厚度降低由隧穿引起的漏电流二氧化铪：排除氧化层形成；优良的界面特性；良好热稳定性与抗腐蚀性；低的漏电流 和超高稳定度；高介电系数；较宽的禁带宽度；高的折射率；较高的抗激光损伤阈值； 与Si有很好的晶格匹配；在紫外到红外范围内透射率较高电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laborat
3、ory of Electrical Insulation and Power Equipment RCARCARCARCA标准清洗工艺标准清洗工艺标准清洗工艺标准清洗工艺RCA标准清洗法(Radio Corporation of American (RCA) standard cleaning procedure)是 1965年由Kern等人在RCA实验室首创的，并由此而得名。不同的清洗工艺是针对不同的表面结构和污染物种类而制定的。在随后的冲洗、烘干过程 中污染物颗粒将会留在清洗液中,从而达到清洗效果。然而,污染物颗粒并不能完全进入清 洗液中而被冲洗掉。硅片清洗流程中便采用了反复利用强氧化剂生
4、成氧化膜然后再腐蚀的方法来达到更好的清 洗效果。一般来讲其表面污染物主要包含有机杂质沾污、颗粒沾污和金属离子沾污。因此,清洗溶 液的选择要根据污染物的特点而制定。有机杂质沾污有机剂的溶解作用金属离子沾污化学方法电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment RCARCARCARCA标准清洗工艺标准清洗工艺标准清洗工艺标准清洗工艺含硫酸 的酸性 过氧化 氢含胺的 弱碱性 过氧化 氢氢氟酸 溶液含盐酸 的酸性 过氧化 氢RCA清洗流程主要有:SC一1DHFSC一21、SC一1SC一1
5、溶液主要用来去除颗粒沾污和部分金属杂质。2、DHF氢氟酸溶液可用于去除SC一1溶液清洗时产生的自然氧化膜,化学反应式 为:SiO2+6HF H2SiF6+2H2O2.3、SC一2溶液SC一2酸性溶液可再次对自然氧化膜进行腐蚀从而达到对金属杂质的清洗 效果。电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipmenta) 在120oC的温度下的SPM溶液（H2SO4:H2O2=1:3）中清洗5分钟，以除去硅片表面的有机物与金属污染物； b) 在去离子水（DI Water）中漂洗，以除去SPM和杂
6、质； c) 在HF溶液（HF:H2O=1:50）清洗1分钟，除去硅片表面的SiO2； d) 在DI Water中漂洗，以除去残留的HF溶液； e) 在80-90oC条件下的SC-1溶液（NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5）中清洗10分钟，依靠NH4OH 的溶解能力和H2O2的强氧化能力将有机污染物或附着的颗粒去除掉，同时NH4OH也可与某些金属污染物反应形成络合物而除去这些金属污染物； f)在DI Water中漂洗，以除去SC-1溶液和杂质； g) 在HF溶液（HF:H2O=1:50）中清洗1分钟，除去硅片表面的SiO2； h) 在DI Water中再次漂洗，以除去残留的HF酸； i)在
7、80-90oC下的SC-2溶液（HCl:H2O2:H2O=1:1:6）中清洗10分钟，以去除碱金属（如Na 、Ca、K等）及过渡元素的污染物； j)在DI Water中漂洗，以除去多于的SC-2溶液；在HF溶液（HF:H2O=1:50）清洗1分钟， 除去硅片表面的SiO2，最后用纯净的N2吹干；RCARCARCARCA标准清洗工艺标准清洗工艺标准清洗工艺标准清洗工艺电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 高高高高K K K K栅介质薄膜制备方法栅介质薄膜制备方法栅介质薄膜
8、制备方法栅介质薄膜制备方法化学气相沉积（CVD）原子层沉积（ALD）物理气相沉积（PVD） 真空蒸镀 溅射镀膜 电弧等离子体镀膜 离子镀膜 分子束外延电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment制备方法沉积原理沉积过程均匀性台阶覆盖性膜厚控制化学成分沉积温度沉积速率ALD表面反应层状生长优秀优秀反应循环次数均匀，杂质 少低慢PVD蒸发-凝固成核长大一般一般沉积时间杂质 少低快CVD气相反应成核长大较好较好沉积时间 气相分压易含杂质高高表2- 1常用高k栅介质制备工艺比较高高高高
9、K K K K栅介质薄膜制备方法栅介质薄膜制备方法栅介质薄膜制备方法栅介质薄膜制备方法电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积/ / / /物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方 法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低 压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄
10、膜的技术。 镀料的气化镀料原子、分子或离子 的迁移镀料原子、分子或离子 在基体上沉积物理气相沉积技术工艺步骤物理气相沉积 技术工艺优点过程简单对环境改善，无污染耗材少成膜均匀致密与基体的结合力强化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反 应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 原子原子原子原子层沉积法层沉积法层沉积法层沉积法ALDALDAL
11、DALD的发展和优点的发展和优点的发展和优点的发展和优点ZnS:Mn薄膜 上世纪70年代III-V族半导体薄膜、 非晶（多晶）薄膜 上世纪80年代纳米级薄膜 20世纪80年代原子层沉积在薄膜制备上的优点可以通过控 制反应周期 数简单精确 地控制薄膜 的厚度，形 成达到原子 层厚度精度 的薄膜；不需要控制 反应物流量 的均一性前驱体是饱 和化学吸附 ，保证生成 大面积均匀 性的薄膜可生成极好 的三维保形 性化学计量 薄膜，可作 为台阶覆盖 和纳米孔材 料的图层可以沉积多 组分纳米薄 层和混合氧 化物薄膜生长可 在低温（从 室温到 400oC）下 进行可广泛适用 于各种形状 的衬底。电力设备电气绝
12、缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 原子原子原子原子层沉积法层沉积法层沉积法层沉积法ALDALDALDALD的原理和工艺流程的原理和工艺流程的原理和工艺流程的原理和工艺流程原子层沉积技术的原理原子层沉积的基础是位于衬底表面的交替饱和反应，这一过程中，前体反应物交替独 立地进入反应腔，但是彼此并不直接发生反应，而是与前面已经吸附在衬底表面的其 他前体反应物进行反应。所以使用ALD生长的薄膜，具有良好的保持性、一致性、可重复和数字化精确控制性 等优点ALD自限制生长原理 原子层沉积的表
13、面吸附反应具有自限制性即在单周期薄膜沉积过程中,第一种反应前驱 体输入到衬底材料表面并通过化学吸附(饱和吸附)沉积在表面。当第二种前驱体通入 反应腔,就会与己吸附于衬底材料表面的第一种前驱体发生反应。两种前驱体之间会发 生置换反应并产生相应的副产物,直到吸附在表面的第一种前驱体提供的反应空位完全 消耗,反应会自动停止并形成需要的薄膜。电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 原子原子原子原子层沉积法层沉积法层沉积法层沉积法ALDALDALDALD的原理和工艺流程的原理和工艺
14、流程的原理和工艺流程的原理和工艺流程原子层沉积法的工艺流程图电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 原子原子原子原子层沉积法层沉积法层沉积法层沉积法ALDALDALDALD前驱体特性前驱体特性前驱体特性前驱体特性 在原子层沉积过程中,要生长出高质量的薄膜,反应前驱体应具有一定的挥发性和稳定 性。而前驱体和衬底材料以及前驱体之间的反应是能够实现原子层沉积的重要因素。反应前驱体的 挥发性 原子层沉积要求反应前驱体在进入反应器时具有很好的挥发性,这样能够保证 反应剂有效的传输,
15、使原子层沉积反应不受前驱体流量控制。反应前驱体的 化学稳定性及 其反应性 该技术所使用的前驱体物质必须能够迅速在材料表面进行化学吸附,保证在较 短的循环时间内在材料表面达到饱和吸附;或与材料表面基团快速有效的反应 (吸附),使表面膜具有高的纯度,避免在反应器中发生气相反应而增加薄膜缺陷惰性气体的清 理作用 原子层沉积过程中,在不同前驱体脉冲注入之间必须要通入惰性气体以清理反 应器。电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment ALDALDALDALD前驱体种类前驱体种类前驱体种
16、类前驱体种类ALD淀积材料金属源氧源工艺Al2O3AlCl3 Al(OCH(CH3)2)3* Al(OCH(CH3)2)3* Al(CH3)2Cl Al(CH3)3H2O H2O2 O2AlCl3+H2O Al(CH3)3+H2OTiO2TiCl4, TiO4 Ti(OC2H5)4* Ti(OCH(CH3)2)4*H2O H2O2 O2TiCl4+H2O Ti(OC2H5)4+H2O Ti(OCH(CH3)2)4+H2OZrO2ZrCl4, ZrI4 Zr(OC(CH3)3)4*H2O H2O2ZrCl4+H2OHfO2HfCl4, HfCl4 Hf(NO3)4H2O O2HfCl4+H2O Hf(NO3)4+H2O常用高k栅介质材料及其ALD淀积工艺电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 原子层沉积技术的应用原子层沉积技术的应用原子层沉积技术的应用原子层沉积技术的应用晶体管栅极介电层(h
