CN102306625A

CN102306625A - 一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法

Info

Publication number: CN102306625A
Application number: CN201110259567A
Authority: CN
Inventors: 黄如; 林猛; 安霞; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: CN102306625B

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。该方法首先对锗衬底进行清洗；随后去除衬底表面的自然氧化层；对锗衬底进行GeF₄或含氟锗氢化合物和NH₃或NF₃的混合气体的等离子体处理，以实现淀积在锗衬底表面淀积氮化锗；淀积高K栅介质，进行退火处理。本发明充分结合氮化锗与氟离子对锗衬底表面钝化的作用，在锗衬底表面淀积氮化锗钝化层的过程中附带引入氟的等离子体处理，有效地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，明显提高了钝化效果。

Description

一种锗基MOS器件衬底的表面钝化方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种锗基MOS器件衬底的表面钝化方法。

背景技术

集成电路技术遵循着摩尔定律已发展了40多年，带来集成电路集成度及功能的迅速提升，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)几何尺寸的减小是提高器件工作速度的主要手段。然而器件特征尺寸的进一步缩小使晶体管逐渐达到物理和技术的双重极限，传统体Si器件性能难以按照以往速度进一步提升。高迁移率沟道材料的引入可以进一步提升器件性能，因此锗基器件成为当前研究的热点。常温(300K)下，锗沟道的电子迁移率是硅的2.4倍，空穴是硅的4倍。

目前锗基MOS器件的制备技术还不成熟，还有一系列问题需要解决。而锗衬底与栅介质之间的界面问题是影响锗基MOS器件性能提高的关键因素之一。对于锗基MOS器件，通常采用高介电常数材料(高K介质)作为栅介质，常用的高K介质材料有Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂、ZrO₂、GeO₂、La₂O₃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，导致锗衬底与栅介质界面处的界面态密度增加，界面质量变差；2)锗会扩散到高K栅介质中，从而在栅介质中引入缺陷，造成栅介质质量退化。因此，要利用高K材料作栅介质，就必须对锗衬底表面进行钝化，即在锗衬底与高K栅介质间插入中间钝化层。

目前，有很多材料已被用于钝化锗衬底，比如Si、GeO_xN_y、Si_xN_y、氮化锗、Y₂O₃、La₂O₃、Al₂O₃、金属氮化物等。对于氮化锗作钝化层的情况：通常采用NH₃的等离子处理的方法，在锗衬底表面形成一层氮化锗钝化层，以抑制锗衬底表面在淀积高K过程中被氧化及锗向高K介质中扩散，改善界面质量和栅介质量，提高锗基MOS器件性能。

发明内容

为了提高锗基MOS器件的性能，本发明给出一种锗基MOS器件衬底的表面钝化方法。该方法能有效地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。

一种锗基MOS器件衬底的表面钝化方法，其工艺实现方法如下：

1)选择半导体锗衬底；

2)对锗衬底进行清洗，并且去除衬底表面的自然氧化层；

3)对锗衬底进行GeF₄或含氟锗氢化合物和NH₃或NF₃的混合气体的等离子体处理，以实现在锗衬底表面淀积氮化锗；

4)淀积高K栅介质，进行退火处理。

所述步骤1)中，锗衬底可以是体Ge衬底、硅上外延锗(Germanium-on-silicon)衬底或GeOI(Germanium on Insulator)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2)中去除锗衬底表面的自然氧化层可以采用高温真空退火的方法，亦可采用HCl、HF溶液浸泡的方法，但并不局限于上述去除锗衬底表面自然氧化层的方法；

所述步骤3)用GeF₄或含氟锗氢化合物和NH₃或NF₃的混合气体的等离子体对锗衬底进行处理，以实现在锗衬底上淀积氮化锗钝化层。GeF₄或含氟锗氢化合物和NH₃或NF₃的混合气体有以下组合：a)GeF₄和NH₃；b)氟锗氢化合物和NH₃；c)GeF₄和NF₃；d)氟锗氢化合物和NF₃。NH₃或NF₃的体积在混合气体总体积中所占的百分比为75％～90％。氮化锗的作用：在其后淀积高K介质的过程中，保护Ge衬底表面不被氧化；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锗扩散带来的影响，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表面剩余的悬挂键也能起到钝化作用。结合氮化锗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4)中淀积的高K栅介质可以是Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂、ZrO₂、GeO₂、La₂O₃等，但不局限于上述高K介质；

所述步骤4)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4)之后，淀积金属栅、FUSI栅或FUGE栅等。

本发明的优点如下：

与用NH₃等离子处理实现锗衬底表面氮化(在锗衬底表面生成一层氮化锗)的方法相比，本发明在一个工艺步骤中同时引入了氮化锗钝化层与氟的等离子体处理，具有提高钝化效果的优势。对于氮化锗作钝化层的情况，由于氮化锗与锗的晶格结构并不是完全匹配，在二者的界面处还是会存在悬挂键。而本发明在对锗衬底等离子处理的过程中，附带引入氟离子。氟离子能对锗衬底表面剩余的悬挂键进行钝化，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。

本发明充分结合氮化锗与氟离子对锗衬底表面钝化的作用，在锗衬底表面淀积氮化锗钝化层的过程中附带引入氟的等离子体处理，有效地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，明显提高了钝化效果。

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；

图中：

1-半导体锗衬底；2-氮化锗；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Ge衬底、硅上外延锗(Germanium-on-silicon)衬底或GeOI(Germanium on Insulator)衬底等，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，依次用丙酮和乙醇进行浸泡清洗，然后用DI水冲洗干净，以去除衬底上的油污和有机污染物。然后进行盐酸清洗，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。但不局限于此清洗方法；

步骤3.去除锗衬底表面的自然氧化层。可以采用高温真空退火的方法，亦可采用HF、HCl溶液浸泡的方法。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∶100)溶液浸泡10～50秒，再用DI水冲洗10～50秒，如此循环5～15次；

步骤4.对锗衬底表面进行GeF₄或含氟锗氢化合物和NH₃或NF₃的混合气体的等离子体处理。本实施例的优选组合为GeF₄+NH₃。等离子处理的方法有PECVD，PEALD。本实施优选例为PECVD。，在250-500℃下，将GeF₄与NH₃混合气体(NH₃的体积在混合气体总体积中所占的百分比为75％～90％，本实施优选例为85％)通入等离子反应腔中：GeF₄分解成为锗离子和氟离子，锗离子与氮离子(由NH₃分解产生)结合成为氮化锗淀积在锗衬底上，氟离子对锗衬底表面的剩余的悬挂键进行钝化。最后淀积的氮化锗的厚度在本实施优选例为

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Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂、ZrO₂、GeO₂、La₂O₃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的方法在氮化锗钝化层上淀积HfO₂，淀积HfO₂的厚度为2～20nm，本实施优选厚度为5nm，如图2(c)所示；

步骤6.淀积后退火。在淀积栅介质后在N₂、NO、H₂、NH₃、N₂O、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300℃～700℃的N₂气氛中退火3～100min；

步骤7.淀积栅电极。栅电极可以采用金属栅、FUGE栅或FUSI栅等。本实施优选例为金属氮化钛(TiN)。用溅射的方法淀积50～400nm的TiN，本实施优选例为200nm，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GeF₄也可采用GeHF₃，GeH₂F₂等，NH₃也可采用NF₃；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

1.一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，其步骤包括：

1)选择半导体锗衬底；

2)对上述半导体锗衬底进行清洗，并且去除衬底表面的自然氧化层；

3)对上述半导体锗衬底进行GeF₄和NH₃或NF₃的混合气体的等离子体处理；或者对上述半导体锗衬底进行含氟锗氢化合物和NH₃或NF₃的混合气体的等离子体处理，以实现在衬底表面淀积氮化锗；

4)淀积高K栅介质，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、硅上外延锗衬底或GeOI衬底。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的清洗步骤为有机清洗和盐酸清洗。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中去除锗衬底表面的自然氧化层采用高温真空退火的方法，或采用HCl、HF溶液浸泡的方法。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中混合气体的组合是：a)GeF₄与NH₃；b)GeF₄与NF3；c)含氟锗氢化合物与NH₃；d)含氟锗氢化合物与NF₃，其中，NH₃或NF₃在混合气体中所占的体积百分比为75％～90％。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中氮化锗的厚度范围是

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中淀积的高K栅介质是Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂、ZrO₂、GeO₂或La₂O₃。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中的退火是在N₂、H₂、NO、N₂O、NH₃或O₂气氛中进行。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)之后，淀积金属栅、FUSI栅或FUGE栅。