CN102206799A - 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法 - Google Patents

一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102206799A
CN102206799A CN 201110098970 CN201110098970A CN102206799A CN 102206799 A CN102206799 A CN 102206799A CN 201110098970 CN201110098970 CN 201110098970 CN 201110098970 A CN201110098970 A CN 201110098970A CN 102206799 A CN102206799 A CN 102206799A
Authority
CN
China
Prior art keywords
substrate
germanium
silicon
described step
deposit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 201110098970
Other languages
English (en)
Other versions
CN102206799B (zh
Inventor
安霞
黄如
林猛
郭岳
李志强
张兴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN 201110098970 priority Critical patent/CN102206799B/zh
Publication of CN102206799A publication Critical patent/CN102206799A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102206799B publication Critical patent/CN102206799B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

本发明公布了一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，属于半导体材料器件领域。该方法首先以半导体锗衬底为基片，对基片进行清洗，以去除表面的有机、无机、金属颗粒污染物以及去除基片表面的自然氧化层；对基片进行氟化硅或者含氟硅氢化合物的等离子体处理，以实现在基片上淀积硅钝化层；最后再淀积一层高K栅介质材料后，退火。本发明可以大大减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、有效地抑制衬底中的锗向栅介质中扩散，明显提高了钝化效率。

Description

一种锗基MOS器件衬底的表面钝化方法
技术领域
本发明属于半导体材料器件领域，具体涉及一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法。
背景技术
随着集成电路的广泛应用，集成电路的工作速度已成为人们关注的焦点。在过去的几十里年，减小器件尺寸是提高电路工作速度与集成度的主要方法。但是随着器件特征尺寸缩小到纳米尺度，传统硅基晶体管逐渐达到物理和技术的双重极限。为了进一步提高集成电路的工作速度，必须寻找新材料及器件结构。锗由于其高的电子和空穴迁移率而受到广泛关注。常温(300K)下，锗沟道的电子迁移率是硅的2.4倍，空穴迁移率是硅的4倍。但是，目前锗基MOS器件的制备技术还不成熟，器件性能还不太理想，仍有许多问题未得到妥善解决。而锗衬底与栅介质之间的界面问题是影响锗基MOS器件性能的关键因素之一。
对于锗基MOS器件，普遍采用高介电常数材料(即高K介质)作为栅介质。常用的高K介质材料有HfO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、GeO2等。但是将高K栅介质直接淀积在锗衬底上会产生以下问题：1)锗衬底表面会在有氧原子的气氛中被氧化，可能会形成挥发性的GeO，扩散到栅介质中，在锗衬底与栅介质的界面处留下大量的悬挂键，造成界面态密度的大幅度增加；2)扩散到高K栅介质中的锗会在栅介质中引入缺陷，造成栅介质质量变差。因此，要利用高K材料作栅介质，需要在锗衬底与高K介质间插入中间钝化层，对锗衬底表面进行钝化。
目前，通常采用热分解SiH4淀积硅钝化层的实施办法，具体方法如下：在淀积高K介质材料(比如氧化铪)前，热分解SiH4，在锗衬底上淀积一层10
Figure BDA0000056299980000011
左右的Si钝化层。此方法只是单纯引入硅钝化层，由于硅晶体与锗晶体的晶格常数不同，在二者的界面处还是会存在悬挂键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种衬底表面钝化方法，以减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、抑制衬底中的锗向栅介质中扩散，改善衬底与栅介质的界面质量和栅介质质量，提高锗基MOS器件的性能。
本发明提供的技术方案如下：
一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，其步骤如下：
1)以半导体锗衬底为基片；
2)对基片进行清洗，以去除表面的有机、无机、金属颗粒污染物；
3)去除基片表面的自然氧化层；
4)对基片进行氟化硅或者含氟硅氢化合物的等离子体处理，以实现在锗衬底上淀积硅钝化层；
5)淀积一层高K栅介质材料后，进行退火处理。
所述步骤1)中，锗衬底可以是体Ge衬底、GeOI(Germanium on Insulator)衬底或硅上外延锗(Germanium-on-silicon)衬底等。
所述步骤2)中的清洗步骤可以为有机清洗、盐酸清洗等，目的是对锗衬底上的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除，但不局限于上述清洗方法。
所述步骤3)中的去除锗自然氧化层可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法，但并不局限于上述去除锗自然氧化层的方法。
所述步骤4)中的等离子处理过程如下：将氟化硅或者含氟硅氢化合物注入到等离子反应腔中，氟化硅或者含氟硅氢化合物分解成为硅离子和氟离子，硅离子与电子结合生成硅，淀积在清洗过的锗衬底。此Si层的作用：在其后淀积高K介质的过程中，代替锗被氧化形成SiO2，起到保护锗衬底的作用；作为扩散阻挡层阻挡锗扩散到高K介质中。这样就减少锗氧化物形成与扩散带来的影响，改善了界面质量和栅介质质量。而且等离子处理过程的氟离子对锗衬底与硅界面处的悬挂键也能起到钝化作用。结合硅与等离子氟对锗衬底表面的钝化效果，能有效减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、抑制衬底中的锗向栅介质中扩散；
所述步骤5)中淀积的高K栅介质可以是HfO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、GeO2等，但不局限于上述高K介质；
所述步骤5)中的退火可以在N2、H2、NO、N2O、NH3、O2等气氛中进行，但不局限于上述退火气氛；
所述步骤5)之后，淀积金属栅、多晶硅栅、FUSI栅或FUGE栅等。
本发明的优点如下：
本发明充分结合硅与氟离子对锗衬底表面的钝化作用，在锗衬底表面淀积硅钝化层的过程中附带引入氟的等离子体处理，即在引入硅钝化层的同时也引入氟离子，能对锗衬底与硅界面处的悬挂键进行钝化，并且Ge-F(＞5.04eV)键的键能比Ge-H键(＜3.34eV)的键能大，氟离子对界面进行钝化的效果比H的效果要好。本发明可以大大减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、有效地抑制衬底中的锗向栅介质中扩散，明显提高了钝化效率。
附图说明
图1所示本发明锗基MOS器件衬底表面钝化方法的流程图；
图2所示实施例锗基MOS器件衬底表面钝化方法示意图；
其中，(a)对锗衬底进行清洗和去除表面自然氧化层；(b)对锗衬底进行等离子体处理，以淀积硅钝化膜；(c)在硅钝化层上淀积栅介质，以及淀积后退火处理；(d)在栅介质上淀积栅电极，图中：
1-体锗衬底；2-硅钝化膜；3-高K介质层；4-栅电极。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体的实施例对本发明所述的方法做进一步描述。
步骤1.选择半导体锗衬底，可以是体锗衬底、GeOI(Germanium on Insulator)衬底或硅上外延锗(Germanium-on-silicon)等，本实施优选例为体锗衬底，如图2(a)所示；
步骤2.对锗衬底进行清洗。首先对锗衬底进行有机清洗，依次用丙酮和乙醇浸泡清洗，再用DI水冲洗干净，去除锗衬底上的油污和有机污染物。再用盐酸清洗，在稀盐酸中加热煮沸，随后用DI水冲洗干净，去除无机污染物、金属颗粒等；
步骤3.去除锗衬底表面的氧化物。可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法。本实施优选例为HF溶液浸泡的方法。具体过程如下：先用稀释的HF(HF∶H2O＝1∶5～1∶60)溶液浸泡10～50秒，再用DI水冲洗10～50秒，如此循环5～10次；
步骤4.对锗衬底表面进行等离子处理，以实现在锗衬底上淀积Si钝化层。用于等离子处理的气体可以是氟化硅，也可以是含氟的硅氢化合物，比如SiH2F3、SiHF3，本实施优选例为氟化硅。等离子处理的方法有PECVD(Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition)，PEALD(Plasma Enhancement Atomic Layer Deposition)。本实施优选例为PECVD。先将PECVD反应腔抽成真空(气压＜10-6mbr)，再将SiF4+H2+Ar(H2与Ar是辅助气体)混合气体通入等离子反应腔中，SiF4与H2的流量比可以为1～20。在250-500℃下，SiF4分解成为硅离子和氟离子，硅离子与电子(由H2分解产生)结合成为硅淀积在锗衬底上，氟离子对锗表面的悬挂键进行钝化。最后淀积的硅膜的厚度为2～20
Figure BDA0000056299980000031
本实施优选例为5
Figure BDA0000056299980000032
如图2(b)所示；
步骤5.淀积栅介质。目前常用的高K介质材料有HfO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、GeO2等。本实施优选例为HfO2。可以用溅射、CVD、ALD、MBE、PLD等方法淀积HfO2。本实施优选例为用ALD的方法在硅钝化层上淀积HfO2，如图2(c)所示；
步骤6.淀积后退火。在淀积栅介质后在N2、H2、NO、N2O、NH3、O2等气氛中退火，但不局限于上述退火气氛。本实施优选例为在400℃～700℃的N2气氛中退火3～100min；
步骤7.淀积栅电极。栅电极可以采用多晶硅、金属栅、FUSI栅或者FUGE栅等。本实施优选例为金属氮化钽(TaN)。用溅射的方法淀积50～200nm的TaN，本实施优选例为150nm，如图2(d)所示。
以上通过优选实施例详细描述了本发明所提出的一种锗基MOS器件衬底表面的钝化方法，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，可以使用其它反应材料实现本发明的钝化效果，例如SiF4也可采用SiHF3，SiH2F2等；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，其实现过程如下：
1)以半导体锗衬底为基片；
2)对基片进行清洗，以去除表面的有机、无机、金属颗粒污染物；
3)去除基片表面的自然氧化层；
4)对基片进行氟化硅或者含氟硅氢化合物的等离子体处理，以实现在基片上淀积硅钝化膜；
5)淀积一层高K栅介质材料后，进行退火处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中锗衬底是体Ge衬底、GeOI衬底或硅上外延锗衬底。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中清洗步骤为有机清洗或盐酸清洗。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中采用HF、HCl溶液浸泡或高温真空退火的方法去除锗的自然氧化层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中所述含氟硅氢化合物为SiHF3或SiH2F2。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中氟化硅的等离子处理过程如下：将SiF4+H2+Ar的混合气体注入到等离子反应腔中，SiF4与H2的流量比为1～20。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中淀积成的硅钝化膜的厚度为2～20
Figure FDA0000056299970000011
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中淀积的高K栅介质是HfO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、La2O3或GeO2。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中的退火处理是在N2、H2、NO、N2O、NH3或O2等气氛中进行。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)之后进一步淀积金属栅、多晶硅栅、FUSI栅或FUGE栅。
CN 201110098970 2011-04-20 2011-04-20 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法 Active CN102206799B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201110098970 CN102206799B (zh) 2011-04-20 2011-04-20 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201110098970 CN102206799B (zh) 2011-04-20 2011-04-20 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102206799A true CN102206799A (zh) 2011-10-05
CN102206799B CN102206799B (zh) 2012-12-19

Family

ID=44695852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 201110098970 Active CN102206799B (zh) 2011-04-20 2011-04-20 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102206799B (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102671894A (zh) * 2012-05-22 2012-09-19 南京大学 一种清洗钝化GaAs衬底表面的方法
CN102881562A (zh) * 2012-10-11 2013-01-16 北京大学 一种锗基衬底的表面钝化方法
CN103151254A (zh) * 2013-03-18 2013-06-12 北京大学 一种锗基肖特基结的制备方法
WO2013170516A1 (zh) * 2012-05-18 2013-11-21 北京大学 一种适于锗基器件的界面处理方法
US8632691B2 (en) 2012-05-18 2014-01-21 Peking University Interface treatment method for germanium-based device
CN103779280A (zh) * 2012-10-26 2014-05-07 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 高介电层金属栅器件的制造方法
CN104425241A (zh) * 2013-09-10 2015-03-18 中国科学院微电子研究所 一种自然氧化层的去除方法
CN104716189A (zh) * 2015-03-06 2015-06-17 东南大学 一种具有界面钝化层的锑化镓基半导体器件及其制备方法
CN108998697A (zh) * 2018-08-07 2018-12-14 燕山大学 一种在中锆合金表面渗锆制备富锆改性层的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030227017A1 (en) * 2002-06-07 2003-12-11 Atsushi Yasuno Photovoltaic device
CN1964073A (zh) * 2006-12-08 2007-05-16 北京大学 一种mos晶体管及其制作方法
CN101026093A (zh) * 2006-02-17 2007-08-29 三星电子株式会社 形成硅层的方法及使用该硅层的显示基板的制造方法
CN101312150A (zh) * 2007-05-21 2008-11-26 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 双镶嵌结构的形成方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030227017A1 (en) * 2002-06-07 2003-12-11 Atsushi Yasuno Photovoltaic device
CN101026093A (zh) * 2006-02-17 2007-08-29 三星电子株式会社 形成硅层的方法及使用该硅层的显示基板的制造方法
CN1964073A (zh) * 2006-12-08 2007-05-16 北京大学 一种mos晶体管及其制作方法
CN101312150A (zh) * 2007-05-21 2008-11-26 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 双镶嵌结构的形成方法

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013170516A1 (zh) * 2012-05-18 2013-11-21 北京大学 一种适于锗基器件的界面处理方法
US8632691B2 (en) 2012-05-18 2014-01-21 Peking University Interface treatment method for germanium-based device
CN102671894A (zh) * 2012-05-22 2012-09-19 南京大学 一种清洗钝化GaAs衬底表面的方法
CN102881562A (zh) * 2012-10-11 2013-01-16 北京大学 一种锗基衬底的表面钝化方法
CN103779280B (zh) * 2012-10-26 2017-07-28 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 高介电层金属栅器件的制造方法
CN103779280A (zh) * 2012-10-26 2014-05-07 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 高介电层金属栅器件的制造方法
WO2014146418A1 (zh) * 2013-03-18 2014-09-25 北京大学 一种锗基肖特基结的制备方法
US9484208B2 (en) 2013-03-18 2016-11-01 Peking University Preparation method of a germanium-based schottky junction
CN103151254A (zh) * 2013-03-18 2013-06-12 北京大学 一种锗基肖特基结的制备方法
CN104425241A (zh) * 2013-09-10 2015-03-18 中国科学院微电子研究所 一种自然氧化层的去除方法
CN104716189A (zh) * 2015-03-06 2015-06-17 东南大学 一种具有界面钝化层的锑化镓基半导体器件及其制备方法
CN108998697A (zh) * 2018-08-07 2018-12-14 燕山大学 一种在中锆合金表面渗锆制备富锆改性层的方法
CN108998697B (zh) * 2018-08-07 2020-09-11 燕山大学 一种在中锆合金表面渗锆制备富锆改性层的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102206799B (zh) 2012-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102206799B (zh) 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法
CN102306625B (zh) 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法
US9171718B2 (en) Method of epitaxial germanium tin alloy surface preparation
CN1967780B (zh) 用于制作场效应晶体管的栅极电介质的方法
US20080014759A1 (en) Method for fabricating a gate dielectric layer utilized in a gate structure
TW201411839A (zh) 用於半導體表面氣相硫鈍化之系統及方法
US20080274626A1 (en) Method for depositing a high quality silicon dielectric film on a germanium substrate with high quality interface
CN103295891B (zh) 栅介质层的制作方法、晶体管的制作方法
KR100482372B1 (ko) 반도체 소자의 게이트 산화막 형성방법
CN102610553A (zh) 一种绝缘体上锗衬底的制备方法
CN102201364A (zh) 一种绝缘体上锗衬底的制备方法
US20160322474A1 (en) Semiconductor structure and manufacturing method thereof
CN115784774B (zh) 一种改善SiC Mos界面特性的方法
CN103295890B (zh) 淀积在锗基或三五族化合物基衬底上的栅介质的处理方法
US20240145611A1 (en) Method for preparing tunnel oxide layer and amorphous silicon thin film, and topcon cell
US9093264B2 (en) Methods and apparatus for forming silicon passivation layers on germanium or III-V semiconductor devices
JP2001189275A (ja) 半導体膜形成方法及び薄膜半導体装置の製造方法
JP2010016298A (ja) 金属酸化物薄膜の成膜方法
CN102381718A (zh) 一种钝化剂及采用该钝化剂对锗基器件表面预处理的方法
JP7483038B2 (ja) パルス化学気相堆積による金属酸化物の選択的堆積
CN101197324A (zh) Cmos器件应力膜的形成方法和cmos器件
CN100570853C (zh) 半导体元件及其制造方法
CN103165440A (zh) 高介电常数金属栅极半导体器件制造方法
CN102222637A (zh) 一种绝缘体上锗衬底的制备方法
CN105140285B (zh) 一种垂直导电结构SiC MOSFET功率器件

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: BEIJING UNIV.

Effective date: 20130530

Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (BEIJING

Free format text: FORMER OWNER: BEIJING UNIV.

Effective date: 20130530

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100871 HAIDIAN, BEIJING TO: 100176 DAXING, BEIJING

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20130530

Address after: 100176 No. 18, Wenchang Avenue, Beijing economic and Technological Development Zone

Patentee after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation

Patentee after: Peking University

Address before: 100871 Beijing the Summer Palace Road, Haidian District, No. 5

Patentee before: Peking University