CN102664144A - 一种适于锗基器件的界面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适于锗基器件的界面处理方法，属于超大规模集成电路（ULSI）工艺制造技术领域。该方法采用15%～36%浓盐酸溶液去除锗基衬底表面的自然氧化层，然后用5%～10%稀盐酸溶液对表面悬挂键进行钝化，在表面形成一层稳定的钝化层，为之后在清洗钝化过的锗基衬底表面上淀积high-K（高介电常数）栅介质做好准备，提高栅介质层与衬底之间的界面质量，改善锗基MOS器件的电学性能。

Description

一种适于锗基器件的界面处理方法
技术领域
本发明属于超大规模集成电路（ULSI）工艺制造技术领域，具体涉及一种适于锗基器件的界面处理方法。
背景技术
随着特征尺寸的不断减小，传统硅基MOS器件面临了诸多挑战和限制：如迁移率退化、DIBL效应、热载流子效应、NBTI等。其中迁移率退化这一问题会影响集成电路的工作速度的提高，因此急需寻找一种新的材料及或者新的器件结构来改变现状。由于锗材料的电子和空穴迁移率比硅材料高，掺杂激活温度较低，而且锗沟道器件的制备工艺与传统CMOS工艺兼容而被广泛关注。但是目前，锗基MOS器件的制备技术还不够成熟，器件性能不够稳定，其中主要限制锗基MOS器件发展的因素之一就是锗基MOS器件栅介质与衬底之间的界面性能不够理想。因此对锗基衬底表面自然氧化层的有效去除以及对锗基衬底表面进行钝化减缓其二次自然氧化成为一个极其重要的工艺步骤。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种适于锗基器件的界面处理方法，有效去除锗基衬底表面的自然氧化层，并在清洗过后的表面形成一层钝化层有效减缓二次自然氧化发生，从而提高栅介质与锗基衬底之间的界面质量，提高锗基MOS器件的性能。
本发明提出的锗基器件的界面处理方法，依次进行下述步骤：
1）对半导体锗基衬底进行清洗；
2）在质量百分浓度15%～36%的浓盐酸溶液中浸泡，然后用去离子水反复冲洗干净去除锗基衬底表面的自然氧化层；
3）将锗基衬底在质量百分浓度5%～10%的稀盐酸溶液中浸泡，然后用去离子水反复冲洗干净，在锗基衬底表面形成一层稳定的Ge-Cl钝化层，完成对锗基器件表面的钝化处理。
上述步骤1）所述锗基衬底可以是体锗衬底、外延锗衬底或者锗覆绝缘（GOI）衬底。
上述步骤1）中对锗基衬底进行清洗的目的在于去除衬底表面的有机和无机污染物、金属颗粒等，先采用有机溶剂进行清洗，再用盐酸煮酸清洗。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，在盐酸煮酸清洗和冲水的过程中，自然氧化层中的二氧化锗已经被有效去除，但是自然氧化层中的一氧化锗等亚氧化物并不溶于水或者稀盐酸，本发明采用15%～36%的浓盐酸可以有效地去除残留的一氧化锗等亚氧化物，从而获得较为平整均匀的表面；第二，在去除自然氧化层后，由于锗基衬底表面暴露在大气环境中会发生二次自然氧化，而自然氧化层的存在会影响栅介质的质量，用5%～10%稀盐酸溶液对表面悬挂键进行钝化，在表面形成一层稳定的Ge-Cl钝化层，能有效地减缓锗基衬底表面在大气环境中二次自然氧化的发生，为之后在清洗钝化过的锗基衬底表面上淀积high-K（高介电常数）栅介质做好准备，提高栅介质层与衬底之间的界面质量，改善锗基MOS器件的电学性能。第三，此方法在不增加工艺复杂性的情况下对锗基器件表面进行界面处理，非常有利于今后的工艺集成。
附图说明
图1为实施例采用的锗基器件的界面处理方法的流程图；
图2为采用两种去除自然氧化层的方法后原子力显微镜（AFM）表征的表面形貌图；
图3为采用三种钝化方法处理后锗基衬底表面的O 1s光电子能谱图；
图4为采用三种钝化方法处理后的Ge 2p3光电子能谱图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明的方法流程作进一步阐述：
图1为实施例采用的锗基器件的界面处理方法的流程图：
步骤1：提供一块锗基衬底。其中半导体锗衬底可是体锗衬底、外延锗衬底或锗覆绝缘（GOI）衬底等。
步骤2：对锗基衬底进行清洗。首先对衬底进行有机清洗，采用丙酮和乙醇交替清洗2次，然后用去离子水反复冲洗干净，去除衬底上的油污和有机污染物；然后进行盐酸煮酸清洗，在稀盐酸中加热煮沸，随后用去离子水反复冲洗干净，去除无机污染物、金属颗粒等。清洗的目的是对衬底上的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除，但并不局限于上述清洗方法。
步骤3：去除表面自然氧化层。具体过程中用在15%～36%的浓盐酸溶液浸泡10~30秒，迅速将锗片转入去离子水中冲洗，循环冲洗15次，然后用氮气枪吹干表面。具体实例中采用36%的浓盐酸溶液浸泡10秒。
步骤4：表面钝化。主要采用5%～10%稀盐酸溶液浸泡5min~30min，然后将锗片用去离子水反复冲洗干净，再用氮气枪轻轻吹干表面，完成对锗基衬底表面悬挂键的钝化处理。具体实例中采用10%的稀盐酸溶液浸泡10min。
图2给出了采用两种去除自然氧化层的方法后原子力显微镜（AFM）表征的锗基衬底表面形貌图。图2（a）采用氢氟酸与水按1∶20的体积比混合得到的溶液进行清洗，去除自然氧化层。图2（b）采用的为本发明实施例中36%的浓盐酸溶液进行清洗去除自然氧化层。上述两张AFM表征的表面形貌图，扫描面积是3×3um2，其中采用采用稀氢氟酸溶液进行清洗后表面均方根粗糙度（Rms）是0.307nm；而本发明实施例中36%浓盐酸溶液清洗后的表面均方根粗糙度（Rms）是0.281nm。可见本发明实施例采用36%浓盐酸溶液清洗后的表面更加平整均匀，有更低的均方根粗糙度，对由于界面粗糙度而引起的散射和漏电都有很大的改善。这主要是由于采用了浓盐酸溶液后可以有效去除自然氧化层中的一氧化锗等亚氧化物，达到真正去除自然氧化层的效果。
图3给出了采用三种钝化方法处理后的锗基衬底表面X射线光电子能谱（XPS）成份分析的O 1s光电子能谱图。分别采用10%的氢氟酸溶液，40%的氟化铵溶液以及本发明实施例中10%的稀盐酸溶液。以上三个样品在钝化处理10min后均在大气环境中放置120小时进行XPS分析检测O 1s的峰值强度。对比图3中O 1s三个峰值的相对强度可知，通过本发明实施例钝化处理的锗基衬底表面含氧量最少。
图4给出了采用三种钝化方法处理后的Ge 2p3光电子能谱图。图中结合能为1219eV附近的峰值对应于GeOx，通过拟合Ge 2p3光电子能谱图中GeOx的面积，得到采用10%的氢氟酸溶液进行钝化的GeOx含量为26.12%；采用40%的氟化铵溶液进行钝化的GeOx含量为26.08%；本发明实施例10%的稀盐酸溶液钝化的GeOx含量为24.88%。这也说明了本发明实施例钝化处理的方法更能有效地形成表面钝化层，在大气环境中放置120小时后表面含氧量最少，表现出较好的界面稳定性。
以上通过优选实施例详细阐述并证明了本发明所提出的一种适于锗基器件的界面处理方法，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的一个优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，其制备方法和应用不仅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 (5)

1.一种锗基器件的界面处理方法，包括如下步骤：
1）对半导体锗基衬底进行清洗；
2）在质量百分浓度15%～36%的浓盐酸溶液中浸泡，然后用去离子水反复冲洗干净，去除锗基衬底表面的自然氧化层；
3）将锗基衬底在质量百分浓度5%～10%的稀盐酸溶液中浸泡，然后用去离子水反复冲洗干净，完成对锗基器件表面的钝化处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锗基衬底是体锗衬底、外延锗衬底或者锗覆绝缘衬底。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中对锗基衬底采用有机溶剂进行清洗，再用盐酸煮酸清洗。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤2）中在浓盐酸溶液浸泡10~30秒后，迅速将锗片转入去离子水中冲洗，循环冲洗15-20次，然后用氮气枪吹干表面。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤3）中在稀盐酸溶液浸泡5min~30min后，迅速将锗片转入去离子水中冲洗，循环冲洗次10-15次，然后用氮气枪吹干表面。
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