CN102005479A - 一种具有吸氧钛盖帽层的砷化镓mos器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件。在砷化镓(GaAs)衬底表面生长一层很薄的金属钛(Ti)盖帽层，Ti对氧原子具有很强的吸附能力，可以分解GaAs衬底表面的自然氧化物和界面附近的低k界面层，从而可以抑制低k界面层的形成，降低界面态密度，减小串联寄生电容，获得陡直的高k栅介质/衬底界面。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种砷化镓MOS器件及其制备方法。
背景技术
随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)特征尺寸的不断缩小, 绝缘栅介质层也按照等比例缩小的原则变得越来越薄，当栅介质层薄到一定程度后,其可靠性问题,尤其是与时间相关的击穿及栅电极中的杂质向衬底的扩散等问题,将严重影响器件的稳定性和可靠性。现在，在MOS集成电路工艺中广泛采用高介电常数（高k）栅介质来增大电容密度和减小栅极泄漏电流。高k材料因其大的介电常数，可实现在与SiO2具有相同等效栅氧化层厚度(EOT)的情况下，其实际厚度比SiO2大的多，从而解决了SiO2因近厚度极限而产生的问题。
采用高k栅介质的MOS堆栈结构如图1所示，包括半导体衬底11，高k 栅介质层14和栅电极15。在淀积高k栅介质和后续的热工艺中，通常会无法避免地在衬底表面与高k栅介质层之间形成低k界面层13。高k栅介质层电容C14与低k界面层电容C13的串联电容Ctotal为：
而MOS进行工作时，其MOS电容由高k栅介质层电容C14、低k界面层电容C13和反型层(耗尽层、积累层)电容的串联电容决定，由此可知串联电容中的低k界面层电容对整体的电容有很大影响。低k界面层的存在增大了EOT、界面态密度和栅极泄漏电流。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能抑制低k界面层形成的砷化镓MOS器件及其制备方法，以减小EOT、界面态密度和栅极泄漏电流。
本发明提出的砷化镓MOS器件，具有吸氧钛盖帽层，其结构包括：一个GaAs衬底；在所述GaAs衬底表面形成的金属钛盖帽层；覆盖所述钛盖帽层形成的高k栅介质层；在所述高k栅介质层之上形成的金属电极。
进一步地，所述金属钛盖帽层厚度为0.5-1纳米的。所述高k栅介质为Ta2O5、Pr2O3、TiO2、HfO2或ZrO2等高k材料。
同时，本发明还提出了上述具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件的制备方法，包括：
将清洗后的GaAs衬底表面吹干；
在GaAs衬底表面形成一层0.5-1纳米厚的金属Ti层；
采用原子层淀积方法在金属Ti层之上形成一层高k栅介质层；
进行高温快速热退火操作，分解GaAs表面的自然氧化物并将金属Ti转化为TiOx；
在所述高k栅介质层之上形成金属电极。
经过化学清洗过后的GaAs衬底表面仍然会附着较薄的自然氧化层（GaxOy、AsxOy、As）。Ti对氧原子具有很强的吸附能力，在GaAs衬底表面生长一层金属Ti层后，Ti可以分解GaAs衬底表面的自然氧化物，生成Ti的氧化物TiOx（
）、TixGa1-x和TiAs。同时，Ti也可以分解界面附近的低k界面层，从而可以控制低k界面层的形成，降低界面态密度，减小串联寄生电容，获得陡直的高k栅介质/衬底界面。
附图说明
图1为现有技术的采用高k栅介质的MOS堆栈结构示意图。
图2至图5为本发明提供的一个具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件的实施例的制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明所提出的具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件可以广泛应用于金属/高k栅介质/Ti/GaAs结构的MOS器件中，以下所述的是本发明所提出的一种Al/Al2O3 /Ti/GaAs MOS结构的实施例的制备过程。
在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
首先，将清洗过后的GaAs片子后用氮气吹干表面，此时GaAs衬底表面仍然会附着较薄的自然氧化层（GaxOy、AsxOy、As）。
接下来，利用电子束蒸发或者磁控溅射方法在GaAs衬底21的表面淀积一层约0.5-1纳米厚的金属Ti层22，如图3所示。淀积Ti层后，Ti会扩散到GaAs衬底中，Ga也会进入到Ti层中，从而形成Ti/Ti-Ga/Ti-As/GaAs界面。
接下来，采用原子层淀积方法在金属Ti层22之上淀积一层约5-8纳米厚的Al2O3栅介质层23，如图4所示。其中淀积Al2O3时，采用三甲基铝（TMA）作为Al的前驱体，采用H2O作为氧（O）的前驱体，淀积温度为200-300℃。然后，在400-700℃的温度下，对GaAs片子进行高温快速热退火0.5-5分钟，其中退火气氛为N2。
淀积Al2O3和后续的高温退火过程，会不可避免的在GaAs衬底表面形成低k界面层24。
由于Ti具有很强的吸氧能力，因此Ti层22能够分解GaAs衬底表面的自然氧化物，并形成Ti的氧化物TiOx（
）层25。同时，在淀积Al2O3时，过量的O也会与Ti发生反应生成TiO2，防止了GaAs的氧化，从而可以控制低k界面层24的形成，减薄低k界面层24的厚度，如图4所示。
最后，采用电子束蒸发淀积一层厚度为500纳米的金属Al层26，如图5所示。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
Claims (4)
1.一种具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件，其特征在于包括：
一个GaAs衬底；
在所述GaAs衬底表面形成的钛盖帽层；
覆盖所述钛盖帽层形成的高k栅介质层；
在所述高k栅介质层之上形成的金属电极。
2.根据权利要求1所述的具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件，其特征在于，所述钛盖帽层的厚度为0.5-1纳米。
3.根据权利要求1所述的具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件，其特征在于，所述高k栅介质为Ta2O5、Pr2O3、TiO2、HfO2或ZrO2。
4.一种具有吸氧钛盖帽层的砷化镓MOS器件的制备方法，其特征在于具体步骤包括：
将清洗后的GaAs衬底表面吹干；
在GaAs衬底表面形成一层0.5-1纳米厚的金属Ti层；
采用原子层淀积方法在金属Ti层之上形成一层高k栅介质层；
进行高温快速热退火；
在所述高k栅介质层之上形成金属电极，得到Metal/高k栅介质/TiOx/GaAs的MOS堆栈结构。
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| CN 201010511487 CN102005479A (zh) | 2010-10-19 | 2010-10-19 | 一种具有吸氧钛盖帽层的砷化镓mos器件及其制备方法 |
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