CN102903625B - 锗基衬底表面钝化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锗基衬底表面钝化方法，先对锗基衬底进行表面清洗，然后将其放入等离子体腔内，利用多键原子对应的反应气体产生等离子体，对锗基衬底表面进行等离子体浴处理，并且在等离子体浴处理过程中施加引导电场，引导等离子体漂移至锗基衬底表面。该处理使活性的多键原子和锗表面原子形成共价键连接，而不生成含锗化合物的界面层，从而既钝化了表面悬挂键，又降低了锗表面原子脱离锗基衬底表面而扩散的几率，同时不会引入界面层而不利于EOT的减薄。而且，施加引导电场能有效抑制锗亚氧化物的形成，提高钝化效率，减小界面态密度。

Description

锗基衬底表面钝化方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种半导体表面钝化方法。
背景技术
随着硅基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)几何尺寸缩小到纳米尺度，传统通过缩小器件尺寸提升性能和集成度的方法正面临物理和技术的双重极限考验。为了进一步提高器件性能，有效方法之一是引入高迁移率沟道材料。由于同时具有较高的电子和空穴迁移率（室温（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），锗材料以及锗基器件成为一种选择。
目前，在锗基MOS器件的制备技术中，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。其界面处所存在问题主要有两点，一是界面态密度高，二是表面锗原子易外扩散。目前，解决该问题的主要方法大致分为两大类。一是采用传统硅技术中的H钝化以及Cl钝化等实现表面悬挂键钝化以降低界面态，但研究表明，该方法的钝化效果，如形成的Ge-H，Ge-Cl键化学稳定性差，易断裂，不能有效抑制锗表面原子的外扩散问题。二是在锗衬底和栅介质的界面处插入一层超薄层，可以是介质也可以是半导体外延层，如SiO2、GeOxNy、Si等，但这种方法不利于等效栅氧化层厚度（EOT）的减薄。
因此，对于锗基器件制备，需要一种钝化办法来以同时实现如下效果：表面悬挂键钝化、抑制表面锗原子扩散以及有利于EOT减薄。
发明内容
为了满足锗基器件制备的需要，本发明提出了一种通过特定条件的等离子浴处理实现锗衬底的表面钝化的方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种锗基衬底的表面钝化方法，对锗基衬底进行表面清洗，然后将其放入等离子体腔内，利用多键原子对应的反应气体产生等离子体，对锗基衬底表面进行等离子体浴处理，并且在等离子体浴处理过程中施加引导电场，引导等离子体漂移至锗基衬底表面。
上述对锗基衬底表面进行钝化的方法中，在进行等离子体浴之前先对锗基衬底表面进行清洗，以去除表面沾污和自然氧化层。
上述对锗基衬底表面进行钝化的方法中，所谓等离子体浴处理是将需要处理的基片置于反应气体电离形成的等离子体环境中一定时间。所述等离子体腔可以是感应耦合等离子体（ICP）腔，也可以是其它任何可以产生等离子体的腔体。
所述多键原子是指原子最外层电子数小于7，能形成多个共价键的非金属原子，比如氮，硫，磷等。所述多键原子对应的反应气体是指能产生具有多个共价键的非金属原子的气体，可以是多键原子对应的单质气体（例如能形成三个共价键的氮原子对应的氮气），和/或含多键原子的氢化物（例如含有能形成三个共价键的氮原子的氨气，含有能形成两个共价键的硫原子的硫化氢，及含有能形成三个共价键的磷原子的磷化氢等），也可以是多键原子对应的单质气体和含多键原子的氢化物中的一种或多种气体与惰性原子气体（如Ar气）的混合气体。
上述锗基衬底的表面钝化方法中，若只使用多键原子对应的单质气体（和/或含多键原子的氢化物），气体流量可以为5~100sccm；而对于多键原子对应的单质气体（和/或含多键原子的氢化物）与惰性原子气体的混合气体的情况，多键原子对应的单质气体（和/或含多键原子的氢化物）与惰性原子气体的流量分别为5~100sccm和2~100sccm。
上述锗基衬底的表面钝化方法，等离子体浴过程中气压为8~200mTorr。用于产生等离子体的功率一般为20~1500W；等离子体浴处理时间为5s~60min。
在等离子体浴过程中所施加的引导电场强度要求为，电场使离子加速到锗基衬底表面时能量达到5~50eV。本领域技术人员可以利用现有的等离子体处理设备来产生所述引导电场，例如利用等离子体腔设备（如ICP刻蚀系统）中的RIE（反应离子刻蚀）功率产生引导电场。
本发明的锗基衬底表面钝化方法适用于体Ge衬底、GOI衬底或任何表面含有Ge外延层的衬底，也适用于含锗的化合物半导体衬底，比如SiGe，GeSn等。钝化处理后的锗基衬底上淀积栅介质，然后进行后续工艺以制备MOS电容或器件。
本发明优点如下：
本发明利用等离子体浴、并且在等离子体浴处理过程中施加引导电场的方法，使活性的多键原子和锗表面原子形成共价键连接，而不生成含锗化合物的界面层。这样，既钝化了表面悬挂键，从而降低界面态，又利用多键原子与锗表面相邻的锗原子的多个单键键连接，降低锗表面原子脱离锗基衬底表面而扩散的几率，达到加固锗表面原子和有效抑制表面锗原子外扩散的效果，同时不会引入界面层而不利于EOT的减薄，如图1所示（以氮原子钝化为例）。与单键原子的钝化方法（如Ge-H，Ge-Cl）相比，，本发明的多键原子钝化能将临近的多个锗原子连接在一起，有效地抑制锗外扩散。与无引导电场的多键原子等离子体浴钝化处理相比，本发明在等离子体浴处理过程中施加引导电场，使更多的等离子体漂移到锗表面，实现锗表面的有效钝化，提高钝化效率。图2给出了经过N2+Ar混合气体的等离子浴钝化处理制作的MOS电容的TEM图：图2(a)为等离子体浴处理（无施加引导电场）钝化，图2(b)为等离子浴处理过程中施加引导电场（本例利用ICP刻蚀系统中的RIE功率产生引导电场，施加的RIE功率为30W）钝化。可以看到，施加引导电场（即施加RIE功率）后，栅介质与锗衬底间的界面相比于无引导电场处理的更清晰、分明，能有效抑制锗亚氧化物的形成（即防止在淀积栅氧化物及其后的热工艺过程中锗衬底表面被氧化形成亚氧化物），有文献指出，锗亚氧化物是引入慢界面态的主要来源。由此说明施加引导电场能有效提高钝化效率，减小界面态密度。
附图说明
图1所示为本发明所提出的锗基衬底表面钝化方法的原理示意图。
图2所示为等离子浴过程中没有施加引导电场（a）和施加引导电场（RIE功率为30W）（b）后钝化形成的MOS电容。
图3所示为实施例对半导体锗衬底进行表面钝化的方法示意图；
图中：1—氮原子；2—锗原子；3—半导体锗衬底；4—栅介质。
具体实施方式
以下结合附图和锗衬底，通过具体的实施例对本发明所述的方法做进一步描述。
1）对锗衬底进行清洗，并清除表面氧化层，如图3(a)所示；
2）将清洗好的锗衬底放入感应耦合等离子体腔，利用反应气体产生等离子体并对锗片进行等离子体浴处理，并在等离子浴处理的同时施加RIE功率。
反应气体可以是多键原子对应的单质气体和/或含多键原子的氢化物，也可以是多键原子对应的单质气体和含多键原子的氢化物中的一种或多种气体与惰性原子气体（如Ar气）的混合气体。本实施例优选为用N2与Ar混合气体产生氮等离子体，对锗衬底进行等离子体浴处理，如图3(b)所示。其中，N2流量为5~100sccm，本实施例优选为8sccm；Ar流量为2~100sccm，本实施例优选为12sccm；等离子体处理腔的气压为8~200mTorr，本实施例优选为10mTorr；等离子体处理的功率为20~1500W，本实施例优选为500W；RIE功率为5~80W，本实施例优选为30W；衬底温度为室温；等离子体浴处理的时间为5s~60min，如2min。
3）在步骤2）处理后的锗衬底上淀积栅介质，如图3(c)所示。其中栅介质可以是SiO2、Al2O3、Y2O3、HfO2、ZrO2、GeO2、La2O3等，可以采用溅射、CVD、ALD、MBE等方法；栅介质厚度在2~20nm之间，如5nm。
以上通过特定实施例详细描述了本发明所提出的锗基衬底表面钝化方法。本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的特定实施例，在不脱离本发明实质的范围内，可以使用其它材料实现本发明的钝化效果，亦可以采用同样方法在实施例中锗衬底之外的其它半导体衬底上获得同样的效果，制备方法均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 (9)

1.一种锗基衬底的表面钝化方法，对锗基衬底进行表面清洗后将其放入等离子体腔内，利用多键原子对应的反应气体产生等离子体，对锗基衬底表面进行气压为8～200mTorr、产生等离子体的功率为20～1500W和时间为5s～60min的等离子体浴处理，并且在等离子体浴处理过程中施加引导电场，引导等离子体漂移至锗基衬底表面，其中所述多键原子是指原子最外层电子数小于7，能形成多个共价键的非金属原子。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子体腔是感应耦合等离子体腔。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多键原子对应的反应气体是多键原子对应的单质气体和/或含多键原子的氢化物，或者是多键原子对应的单质气体和/或含多键原子的氢化物中的一种或多种气体与惰性原子气体的混合气体。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多键原子对应的反应气体是氮气、氨气、硫化氢和/或磷化氢，或者是氮气、氨气、硫化氢和磷化氢中的一种或多种气体与惰性原子气体的混合气体。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多键原子对应的反应气体是多键原子对应的单质气体和/或含多键原子的氢化物，其流量为5～100sccm。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多键原子对应的反应气体是多键原子对应的单质气体和/或含多键原子的氢化物中的一种或多种气体与惰性原子气体的混合气体，其中，多键原子对应的单质气体和/或含多键原子的氢化物中的一种或多种气体的流量为5～100sccm；惰性原子气体的流量为2～100sccm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引导电场强度要求为，电场使离子加速到锗基衬底表面时能量达到5～50eV。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用等离子体腔设备的RIE功率产生引导电场。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锗基衬底是体Ge衬底、GOI衬底或其他表面含有Ge外延层的衬底，或者是含锗的化合物半导体衬底。
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