CN101838812A - 一种清洗钝化Ge衬底表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种清洗钝化Ge衬底表面的方法，首先将锗衬底在丙酮、甲醇中依次超声清洗，然后将锗衬底移到5-20％(重量比)的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着用高纯氮气吹干，再放入15-50％(重量比)的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后冲洗锗表面并吹干。本发明采用氢溴酸溶液清洗Ge衬底表面，有效地去除了Ge表面的氧化物，然后再采用加热硫化铵溶液钝化Ge衬底表面，形成了稳定的钝化层。之后在钝化过的Ge衬底上沉积氧化铝或者氧化铝/氧化铪纳米叠层或堆栈结构等栅介质薄膜，可以发现明显改进了栅介质薄膜与Ge衬底之间的界面质量，并改善了栅介质薄膜的电学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料制备过程中的化学清洗方法，具体是一种清洗钝化Ge衬底表面的方法。
背景技术
随着集成电路集成度的不断提高，硅基半导体集成电路中金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFETs)器件特征尺寸即将达到纳米尺度。新材料和新型器件结构的应用已经成为半导体微纳电子技术可持续发展最主要的解决方案和必须突破的技术瓶颈。当硅基MOSFET尺寸缩小到0.1um以下时，采用传统的SiO2作为栅氧化层介质，电子的直接隧穿效应和栅介质层所承受的电场将变得很大，由此引起栅介质的漏电流增大和可靠性下降等严重问题，阻碍了MOS器件的进一步发展。因此，寻找到SiO2的可靠合适的高介电常数(k)替代材料，使得可以在保持栅极电容的同时，仍然确保介质层有足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响，以降低由隧穿引起的漏电流。虽然高k材料在传统的硅基集成电路领域的研究，已经取得了不少进展，但还是面临一系列严峻的物理和技术问题的挑战。其中一个主要的痼疾就是高k栅介质和金属栅材料的引入，在降低小尺度互补型CMOS器件高功耗的同时，也带来沟道材料/栅介质材料界面的恶化，由于库仑散射、声子散射等原因，导致沟道迁移率的明显下降，极大影响了CMOS逻辑器件速度的提高。于是，采用新型的具有高迁移率的半导体沟道材料如Ge和GaAs代替传统的Si材料成为制备高性能新型CMOS器件的另一个有吸引力的解决方案。
与硅相比，锗具有更高的电子和空穴迁移率，低的掺杂激活温度。历史上，锗曾经是最重要的半导体之一，世界上成功制作的第一个晶体管和第一块集成电路都是制备在Ge半导体基片上。后来制约锗在集成电路里面大规模应用的主要因素，就是缺乏与锗具有高质量界面的稳定的锗氧化物，通常的表面锗氧化物(GeO2和GeO)或者是水溶性的或者是易挥发的，这极大地阻碍了Ge晶体管的制备，将高k材料引入锗中，为Ge晶体管的发展提供了一个新的契机。发展有效的表面钝化(Surface passivation)方法，成为发展Ge基场效应管的一个极其重要关键的步骤。研究表明，引入合适的界面钝化层IPL(Interfacial passivation layer)或进行适当的表面预处理可以极大地改进高k材料/高迁移率沟道材料的界面质量，有效降低界面态密度，获得较好的电学性能，解决费来能级钉扎问题。
近年来，高k栅介质材料HfO2、Al2O3、ZrO2等在Ge基MOSFET上的应用引起了广泛的关注。然而，在栅介质的淀积过程及后续退火工艺中Ge表面易氧化生成GeOx层，此界面层存在很大的界面态密度，严重恶化了器件的性能。为此，我们发展了一种与传统的Si工艺相兼容、简单有效的化学溶液清洗钝化Ge衬底表面的方法，改进高k材料/Ge高迁移率沟道材料的界面质量，获得较好的电学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单的清洗钝化Ge衬底表面的方法，该方法能够有效地去除了Ge表面的氧化物，并在Ge衬底表面形成了稳定的钝化层。
本发明所述的清洗钝化Ge衬底表面的方法，包括以下步骤：首先将锗衬底在丙酮、甲醇中依次超声清洗2-10分钟，去除Ge表面的油污，然后将锗衬底移到5-20％(重量比)的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入15-50％(重量比)的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
本发明采用氢溴酸溶液清洗Ge衬底表面，有效地去除了Ge表面的氧化物，然后再采用加热硫化铵溶液钝化Ge衬底表面，形成了稳定的钝化层。之后在钝化过的Ge衬底上沉积氧化铝或者氧化铝/氧化铪纳米叠层或堆栈结构等栅介质薄膜，可以发现明显改进了栅介质薄膜与Ge衬底之间的界面质量，并改善了栅介质薄膜的电学性能。此方法工艺简单，在Ge基MOSFET器件的制备上具有令人期待的应用前景。
附图说明
图1(a)为本发明以氢溴酸和硫化铵处理的锗衬底，图1(b)为现有技术以氢氟酸和硫化铵处理的锗衬底。
图2为不同暴露时间Ge表面的Ge-S的比例变化。
图3为原子力显微镜(AFM)表征的两种不同清洗钝化方法的氧化铝/锗样品(厚度为4nm)的表面形貌。
图4为分别采用两种方法处理后的锗衬底，再沉积厚度为4nm的氧化铝的光电子能谱图，其中图4(a)为O1s光电子能谱图，图4(b)为Ge 2p3光电子能谱图。
图5展示了两种清洗钝化工艺处理后Ge衬底沉积10nm氧化铝薄膜的电容-电压(C-V)曲线，其中图5(a)氢溴酸和硫化铵处理后生长的样品；图5(b)氢氟酸和硫化铵处理后生长的样品。
图6为Ge衬底上沉积10nm氧化铝薄膜的电容-电压的滞后曲线，其中图6(a)氢溴酸和硫化铵处理后生长的样品；图6(b)氢氟酸和硫化铵处理后生长的样品。
图7为两种方法清洗钝化后沉积的10nm氧化铝的漏电流密度(JA)-电压曲线。
图8为HfAlO/Ge MOS结构的电容-电压曲线。
图9为HfO2/Al2O3/Ge MOS结构的电容-电压曲线。
图10为Hf-Al-O复合纳米薄膜和HfO2/Al2O3堆栈结构薄膜的漏电流密度(JA)-电压曲线。
具体实施方式
1、Ge表面的清洗钝化工艺
衬底材料：商业单晶锗片，N或P型，取向(100)，电阻率0.01-10Ωcm。
实施例1：锗衬底首先在丙酮、甲醇中依次超声清洗2-10分钟，去除Ge表面的油污，然后将锗衬底移到5％重量百分比的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入15％重量百分比的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
实施例2：锗衬底首先在丙酮、甲醇中依次超声清洗2-10分钟，去除Ge表面的油污，然后将锗衬底移到15％重量百分比的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入35％重量百分比的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
实施例3：锗衬底首先在丙酮、甲醇中依次超声清洗2-10分钟，去除Ge表面的油污，然后将锗衬底移到20％重量百分比的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入50％重量百分比的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
对比常用的工艺：现在文献报导中最常用的清洗剂是氢氟酸溶液。为此，我们做了对比实验。锗衬底首先在丙酮、甲醇依次超声清洗2-10分钟后，将锗衬底移到氢氟酸溶液(2wt％)中清洗30秒，接着将衬底移到去离子水中泡30秒，接着又将锗衬底移到氢氟酸溶液(2wt％)中清洗30秒，如此重复3次。然后锗衬底用高纯氮气吹干，吹干的锗衬底放入硫化铵(15％-50wt％)溶液中，将硫化铵溶液加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。上面两种工艺清洗钝化过的Ge衬底就可以用来生长栅介质薄膜。
2、栅介质薄膜生长工艺
栅介质薄膜生长工艺：这里我们采用生长栅介质薄膜的代表性工艺-原子层沉积法制备栅介质材料Al2O3薄膜、Hf-Al-O复合纳米薄膜和HfO2/Al2O3堆栈(stackingstructure)结构薄膜。
生长温度：200-300℃；反应源：三甲基铝Al(CH3)3，氯化铪HfCl4或四双(甲乙基氨)铪(TEMAH)，氧源为水H2O；源温：三甲基铝和水为室温，TEMAH为120-130℃，HfCl4为180-200℃；生长脉冲：金属源的脉冲时间为0.1秒，氧源的脉冲时间为0.1秒；清洗脉冲时间为6秒。一个原子层沉积循环周期由一个金属脉冲，一个清洗脉冲，一个氧源脉冲和一个清洗脉冲组成。
Al2O3薄膜：先通入金属源TMA脉冲0.1秒，接着通入N2脉冲清洗6秒，再入水蒸气脉冲0.1秒，最后通入N2脉冲清洗6秒，如此各循环40和100次。
Hf-Al-0复合纳米薄膜：先通入金属源TMA脉冲0.1秒，接着通入N2脉冲清洗6秒，再通入水蒸气脉冲0.1秒，最后通入N2脉冲清洗6秒；又通入金属源TEMAH脉冲0.1秒，接着通入N2脉冲清洗清洗6秒，再通入水蒸气脉冲0.1秒，最后通入N26秒，如此循环80次。
HfO2/Al2O3堆栈：先通入金属源TMA脉冲0.1秒，接着通入N2脉冲清洗6秒，再通入水蒸气脉冲0.1秒，最后通入N2脉冲清洗6秒；如此循环20次。又通入金属源TEMAH脉冲0.1秒，接着通入N2脉冲清洗清洗6秒，再通入水蒸气脉冲0.1秒，最后通入N26秒，如此循环40次。
电极材料：真空沉积背电极铝，磁控溅射顶电极铂。
测试表征：锗衬底处理后的表面物理化学结构用x射线光电子能谱仪测量，栅介质薄膜的表面均方根(root mean square，RMS)粗糙度用原子力显微镜表征，电流-电压特性用高精度电压源/皮安表测量，电容-电压特性用精密阻抗分析仪测量。
发明效果：在栅介质氧化物沉积前，用氢溴酸溶液和硫化铵溶液依次清洗钝化衬底表面，有效地除掉了表面的锗氧化物，形成了稳定的钝化层，有效地防止了Ge的扩散和GeOx的生成，改进了栅介质薄膜与Ge衬底之间的界面质量，降低界面粗糙度，提高界面热稳定性，降低了缺陷电荷和界面态密度，明显地改进了电学性能，降低了漏电流密度，减少了C-V曲线的滞后。
3、两种方法实现效果的具体分析
示例1：两种不同的表面清洗钝化方法对锗衬底表面物理化学状态的影响。
N型0.2-0.3Ωcm(100)的单晶锗衬底，首先在丙酮、甲醇溶剂中各超声清洗5分钟，然后将锗衬底移到氢溴酸溶液(10％)中，清洗5分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入硫化铵(25％)溶液中，同时将硫化铵加热到75℃，维持20分钟，最后用去离子水冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
对比试验：N型0.2-0.3Ωcm(100)的单晶锗衬底，首先在丙酮、甲醇溶剂中各超声清洗5分钟后，将锗衬底移到氢氟酸溶液(2％)中清洗30秒，接着将衬底移到去离子水中泡30秒，接着又将锗衬底移到氢氟酸溶液(2％)中清洗30秒，如此重复3次。然后锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入硫化铵(25％)溶液中，同时将硫化铵溶液加热到75℃，维持20分钟，最后用去离子水冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
图1展示了上面两种清洗钝化方法处理过的锗衬底的Ge2p3光电子能谱图。图中的三个峰的结合能分别为1217.4，1218.4和1219.7eV，分别对应于衬底Ge，GeS，以及GeOX。根据两个化学位移峰的强度计算得到，氢溴酸和硫化铵处理后锗衬底表面的GeS和GeOX的含量分别为7.40％和9.25％(图1(a))，而氢氟酸和硫化铵处理后锗衬底表面的GeS和GeOX的含量分别为3.37％和16.45％(图1(b))。这说明前一种处理方法更能有效除掉锗的氧化物，同时引入更多的Ge-S键，表面覆盖的Ge-S能够在退火时，表现出更好的界面热稳定性，防止锗扩散。
为了研究氢溴酸和硫化铵处理后Ge衬底存放在空气中钝化的稳定性，将三片氢溴酸和硫化铵处理的Ge衬底，其中一片马上做XPS，另外两片分别在空气中暴露120分钟和300分钟后做XPS研究。通过拟合Ge 3d的光电子能谱图中Ge-O，Ge-S的面积，得到Ge-S随不同空气暴露时间的变化。图2给出了相应变化的曲线。从图中可以看出处理后的Ge衬底在空气中暴露300分钟后大部分Ge-S仍然存在，充分证明了氢溴酸和硫化铵处理后Ge衬底存放在空气中钝化的稳定性很好。
示例2：两种不同的表面清洗钝化方法对沉积在锗衬底上氧化铝薄膜平整性和电学性质的影响
将示例1中两种方法清洗钝化好的Ge衬底样品，移入原子层沉积的反应室，生长温度为250℃，在Ge衬底上沉积两种不同厚度的氧化铝薄膜，厚度分别为4nm和10nm。
图3给出了原子力显微镜(AFM)表征的两种不同清洗钝化方法的氧化铝/锗样品(厚度为4nm)的表面形貌。扫描面积是1×1um2，氢溴酸和硫化铵处理后沉积的4nm氧化铝薄膜的表面平均粗糙度(RMS)是0.54nm图3(a)，而氢氟酸和硫化铵处理后沉积4nm氧化铝薄膜的表面平均粗糙度RMS是0.73nm图3(b)。可见氢溴酸和硫化铵处理后得到的样品比氢氟酸和硫化铵处理后的样品有更低的表面平均粗糙度，这对降低由界面粗糙度引起的漏电流增加和沟道电子的表面散射增强是很有效的。
图4给出了厚度为4nm的氧化铝的和Ge2p3光电子能谱图。通过对比图4(a)中O1s两个峰的强度可知，氢溴酸和硫化铵处理后沉积4nm氧化铝的薄膜含氧量更少。图4(b)的Ge2p3光电子能谱图也表明氢氟酸和硫化铵处理后沉积4nm氧化铝的薄膜含有更多的GeOx。由于两种氧化铝薄膜样品是在ALD反应室同时生长的，因此O1s和Ge2p3光电子能谱证实了氢溴酸和硫化铵处理的Ge衬底，可以有效地减少Ge的扩散和GeOx的生成。
图5(a)和5(b)展示了两种清洗钝化工艺处理后Ge衬底沉积10nm氧化铝薄膜的电容-电压(C-V)曲线。在测量频率为1MHz时，氢溴酸和硫化铵处理后沉积10nm氧化铝薄膜的积累态电容是216pF图5(a)，而氢氟酸和硫化铵处理后得到的积累态电容是195pF图5(b)，而且，氢溴酸和硫化铵处理后沉积的氧化铝薄膜在低频0.1MHz时仍然可以得到正常的C-V曲线，直至在1kHz观测到典型的C-V反型曲线，但是氢氟酸和硫化铵处理后沉积的氧化铝薄膜在0.2MHz以下就由于界面态密度太大和缺陷太多，无法获得正常的C-V曲线。
图6(a)和6(b)展示了在测量频率为1MHz时图5中的两种氧化铝薄膜对应的滞后(hysteresis)曲线。两个样品均出现顺时针方向的后滞。经过计算平带电压(平带电容的公式为CFB＝Cmin+(Cmax-Cmin)×0.66，通过平等电容就可以得到平带电压)得到氢溴酸和硫化铵处理后沉积氧化铝薄膜的滞后是335mV图6(a)，氢氟酸和硫化铵处理后沉积氧化铝薄膜的滞后是498mV图6(b)，这说明氢氟酸和硫化铵处理后沉积在Ge衬底的氧化铝薄膜样品中存在更多的电荷缺陷。
图7显示了图5中的两种氧化铝薄膜对应的漏电流曲线。在电压为Vfb+1V的条件下，氢溴酸和硫化铵处理后沉积10nm氧化铝薄膜的漏电流密度是8.41×10-6A/cm2，氢氟酸和硫化铵处理后沉积10nm氧化铝薄膜的漏电流密度是7.24×10-4A/cm2，前者漏电流密度降低了近两个数量级，同样说明氢溴酸和硫化铵处理后在Ge衬底上生长的栅介质薄膜样品，与氢氟酸和硫化铵处理工艺相比，显示了明显改进的电学性能。
示例3：使用氢溴酸和硫化铵处理后的锗衬底上沉积Hf-Al-O复合纳米薄膜和HfO2/Al2O3堆栈结构薄膜的电学性质
在前面的实验结果基础上，采用氢溴酸与硫化铵溶液对锗衬底处理后，在锗衬底上沉积了Hf-Al-O复合纳米薄膜(8nm厚，Hf与Al脉冲循环次数比例为1∶1)和HfO2(4nm)/Al2O3(2nm)堆栈结构薄膜。图8和图9分别给出了这两个样品对应的电容-电压(C-V)滞后曲线，测试频率为1MHz。从C-V曲线中得到：HfAlO/Ge的滞后为174mV，HfO2/Al2O3/Ge的滞后为201mV，这比文献已报道的数值有所改善，显示出了有效的Ge表面钝化效果。图10给出了这两个样品对应的漏电流曲线，在电压为Vfb+1V的条件下，Hf-Al-O复合纳米薄膜的漏电流密度是5.11×10-3A/cm2，HfO2(4nm)/Al2O3(2nm)堆栈结构薄膜的漏电流密度是2.21×10-5A/cm2，可见HfO2(4nm)/Al2O3(2nm)堆栈结构薄膜的电学性质比Hf-Al-O复合纳米薄膜的好。
Claims (1)
1.一种清洗钝化Ge衬底表面的方法，其特征在于包括以下步骤：首先将锗衬底在丙酮、甲醇中依次超声清洗2-10分钟，去除Ge表面的油污，然后将锗衬底移到5-20％(重量比)的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入15-50％(重量比)的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。
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|---|---|---|---|---|
| CN102005390A (zh) * | 2010-10-19 | 2011-04-06 | 复旦大学 | 一种锗的表面钝化方法 |
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