CN103681289A - 一种采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，该方法包括：选择Ge衬底，去除Ge衬底表面的自然氧化层，然后将其转移到原子层沉积系统的腔体中，在Ge衬底表面沉积一层Al2O3薄膜作为氧化过程中的O3阻挡层；利用原子层沉积系统中的前驱体O3作为氧化剂，在Al2O3／Ge界面处氧化形成一层GeOx界面层；将在Al2O3／Ge界面处形成有超薄GeOx界面层的Ge衬底放入原子层沉积反应腔体中，在Al2O3薄膜上沉积高k栅介质；利用快速退火炉对其先后进行栅介质沉积后退火及低温氧气退火，进一步提升氧化物栅介质质量，改善高k介质／Al2O3／GeOx／Ge界面质量。本发明实现了Ge基MOS器件中栅叠层所要求的界面稳定性与高质量，适用于Ge基MOS电容、MOSFET及其他含有Ge基栅叠层的器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种采用原位臭氧氧化在Ge衬底上制备超薄氧化锗(GeOx)界面修复层的方法。
背景技术
近年来锗(Ge)作为最具前景的金属氧化物半导体晶体管(MOSFETs)的衬底材料得到了广泛的研究。相比于硅，锗的载流子迁移率很高，其驱动电流较小、适合于低温工艺。为了实现高性能小尺寸的Ge基MOSFETs，高k栅叠层必须具有低界面态密度以及有效钝化的界面层。高k栅介质／Ge的界面处需要特殊的界面层作为扩散阻挡层，以阻止热处理条件下高k金属氧化物与Ge衬底的界面反应。已经报道的界面钝化的方法有硫钝化、氟钝化、硅钝化、等离子体氧化以及热氧化等。其中在高k栅介质与Ge界面处生长薄层GeOx界面层是实现高性能Ge基MOSFETs的解决方法。
为获取具有界面修复作用的GeOx，有研究人员通过热氧化、中性氧离子氧化等方式获取GeOx。现有其他制备氧化锗界面层的方法所需条件较为苛刻，消耗成本也比较高昂。本发明提出了一种利用原位臭氧氧化来获得GeOx界面修复层的方法，即在生长高k介质之前，利用原子层沉积系统中的前驱体O3生长GeOx。本发明可以有效缩减制备成本，降低制备条件，而且可以减小晶圆在传送过程中造成的污染。经实验摸索，本发明采用薄层Al2O3来阻挡O3的扩散，减缓氧化反应，从而获得较薄的GeOx界面修复层。
原位臭氧氧化方法使用Al2O3薄膜作为O3阻挡层，既可以减缓O3扩散，减小氧化反应速度，又能有效地抑制GeO解析，减小界面损伤。此方式不但可以生成具有修复界面作用的GeOx，减小界面态密度，而且还可以有效控制GeOx的厚度，以满足较低EOT的要求。同时，沉积后退火与低温氧化退火工艺的使用又可以进一步改善栅介质及界面质量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的是提供一种采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，以实现具有高界面质量与稳定性的高k栅介质／Ge栅叠层，提高Ge基MOS器件的电学性能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：选择Ge衬底，去除Ge衬底表面的自然氧化层，然后将其转移到原子层沉积系统的腔体中，在Ge衬底表面沉积一层Al2O3薄膜作为氧化过程中的O3阻挡层；
步骤2：利用原子层沉积系统中的前驱体O3作为氧化剂，在Al2O3／Ge界面处氧化形成一层GeOx界面层；
步骤3：将在Al2O3／Ge界面处形成有超薄GeOx界面层的Ge衬底放入原子层沉积反应腔体中，在Al2O3薄膜上沉积高k栅介质；
步骤4：利用快速退火炉对其先后进行栅介质沉积后退火及低温氧气退火，进一步提升氧化物栅介质质量，改善高k介质／Al2O3／GeOx/Ge界面质量。
上述方案中，步骤1中所述的Ge衬底是由GOI衬底替换。所述的Al2O3薄膜的厚度为0.1～3nm。
上述方案中，步骤2中所述的原子层沉积系统中反应腔体的温度为30℃～400℃，氧化时间为1秒～1小时。
上述方案中，步骤3中所述的高k栅介质为Al2O3、La2O3、HfO2及Y2O3中的一种、多种或其复合物。
上述方案中，步骤4中所述的栅介质沉积后退火的气体氛围为O2，退火温度为450℃～600℃，退火时间为1分钟～1小时。步骤4中所述的低温氧气退火的温度为300℃～450℃，退火时间为1分钟～3小时。
上述方案中，还可以通过选择不同厚度的Al2O3阻挡层，改变氧化温度及时间来有效控制GeOx界面修复层的厚度及界面质量，适用于Ge基MOS电容、MOSFET及含有Ge基栅叠层器件的制备。
(三)有益效果
本发明提供了一种简单易行、控制方便的在Ge衬底上制备氧化锗界面修复层的方法。这种方法不仅能够在Ge衬底上实现超薄氧化锗界面修复层，有效改善高k栅介质／Ge界面质量，还因为其采用原位生长方式，使得制备工艺简化，减小其他污染，耗费较小。通过改变氧化过程中的参数，还可以实现对氧化锗质量及厚度的有效控制。此种原位臭氧氧化制备氧化锗界面层的方法还适用于Ge基MOS电容、MOSFET及其他含有Ge基栅叠层的器件。
本发明提供的这种在Ge衬底制备氧化锗界面修复层的原位臭氧氧化方法，可以通过改变Al2O3阻挡层的厚度、氧化温度及时间相结合，达到有效控制GeOx界面层厚度的目的。
附图说明
图1为依照本发明实施例的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法流程图；
图2a至图2d为依照本发明实施例的在Ge衬底制备GeOx界面修复层的工艺流程图；
图3a至图3d为依照本发明实施例的将本发明制备GeOx界面修复层的方法应用于一般MOSFET制作的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种在Ge衬底采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，修复高k栅介质／Ge界面，以实现Ge基MOS器件中栅叠层所要求的界面稳定性与高质量。此方法包括以下步骤：先去除Ge衬底表面的自然氧化层，并迅速将其转移到原子层沉积系统的腔体中，沉积一层较薄Al2O3薄膜；然后利用原子层沉积系统里的前驱体O3作为氧化剂，在Al2O3／Ge界面处氧化形成一层GeOx界面层；接着继续利用原子层沉积系统沉积高k栅介质；最后利用快速退火炉先后进行栅介质沉积后退火及低温氧气退火，进一步提升氧化物栅介质质量，改善高k栅介质／Al2O3／GeOx/Ge界面质量。
如图1所示，图1为依照本发明实施例的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：选择Ge衬底，去除Ge衬底表面的自然氧化层，然后将其转移到原子层沉积系统的腔体中，在Ge衬底表面沉积一层Al2O3薄膜作为氧化过程中的O3阻挡层；
步骤2：利用原子层沉积系统中的前驱体O3作为氧化剂，在Al2O3／Ge界面处氧化形成一层GeOx界面层；
步骤3：将在Al2O3／Ge界面处形成有超薄GeOx界面层的Ge衬底放入原子层沉积反应腔体中，在Al2O3薄膜上沉积高k栅介质；
步骤4：利用快速退火炉对其先后进行栅介质沉积后退火及低温氧气退火，进一步提升氧化物栅介质质量，改善高k介质／Al2O3／GeOx／Ge界面质量。
其中，步骤1中所述的Ge衬底是由GOI衬底替换。所述的Al2O3薄膜的厚度为0.1～3nm。步骤2中所述的原子层沉积系统中反应腔体的温度为30℃～400℃，氧化时间为1秒～1小时。步骤3中所述的高k栅介质为Al2O3、La2O3、HfO2及Y2O3中的一种、多种或其复合物。步骤4中所述的栅介质沉积后退火的气体氛围为O2，退火温度为450℃～600℃，退火时间为1分钟～1小时。步骤4中所述的低温氧气退火的温度为300℃～450℃，退火时间为1分钟～3小时。
本发明提供的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，还可以通过选择不同厚度的Al2O3阻挡层，改变氧化温度及时间来有效控制GeOx界面修复层的厚度及界面质量，适用于Ge基MOS电容、MOSFET及含有Ge基栅叠层器件的制备。
图2a至图2d为依照本发明实施例的在Ge衬底制备GeOx界面修复层的工艺流程图，该方法包括：
如图2a所示，先去除Ge衬底101表面的自然氧化层，形成激活的锗表面，可以选用HCl或者HF处理；
如图2b所示，迅速将衬底转移到原子层沉积系统的腔体中，沉积一层较薄Al2O3薄膜102作为臭氧氧化过程中的O3阻挡层；
如图2c所示，然后利用原子层沉积系统中的前驱体O3作为氧化剂，采用臭氧氧化的方式在Al2O3／Ge界面处形成一层超薄GeOx界面层103；
如图2d所示，接着继续利用原子层沉积系统沉积高k栅介质。最后利用快速退火炉先后对其进行栅介质沉积后退火及低温氧气退火，进一步提升氧化物栅介质质量和改善界面质量。
基于图1和图2所示的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，图3a至图3d示出了依照本发明实施例的将本发明制备GeOx界面修复层的方法应用于一般MOSFET制作的工艺流程图。
如图3a至图3d所示，将本发明制备GeOx界面修复层的方法应用于制作一般的Ge基MOSFETs器件，其过程包括以下步骤：先去除Ge衬底201表面的自然氧化层，形成激活的锗表面。在利用本发明提供的原位臭氧氧化方法制备栅叠层，其中包括GeOx界面层202、Al2O3阻挡层203、高k栅介质204，其结构如图3a所示。然后在栅介质上沉积Ti／Au栅电极205，如图3b。沉积Si3N4层206作为离子注入阻挡层，进行p或n型离子注入和离子激活，形成重掺杂区207，如图3c所示。如图3d所示，最后去除Si3N4层206，制作源漏电极208，至此Ge基MOSFETs即制备完成。
本发明提供了一种在Ge衬底制备GeOx界面修复层的新思路和方法，以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案进一步说明和阐述。但应该强调的是，以上所述实施例仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (8)
1.一种采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：选择Ge衬底，去除Ge衬底表面的自然氧化层，然后将其转移到原子层沉积系统的腔体中，在Ge衬底表面沉积一层Al2O3薄膜作为氧化过程中的O3阻挡层；
步骤2：利用原子层沉积系统中的前驱体O3作为氧化剂，在Al2O3／Ge界面处氧化形成一层GeOx界面层；
步骤3：将在Al2O3／Ge界面处形成有超薄GeOx界面层的Ge衬底放入原子层沉积反应腔体中，在Al2O3薄膜上沉积高k栅介质；
步骤4：利用快速退火炉对其先后进行栅介质沉积后退火及低温氧气退火，进一步提升氧化物栅介质质量，改善高k介质／Al2O3／GeOx/Ge界面质量。
2.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，步骤1中所述的Ge衬底是由GOI衬底替换。
3.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，步骤1中所述的Al2O3薄膜的厚度为0.1～3nm。
4.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，步骤2中所述的原子层沉积系统中反应腔体的温度为30℃～400℃，氧化时间为1秒～1小时。
5.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，步骤3中所述的高k栅介质为Al2O3、La2O3、HfO2及Y2O3中的一种、多种或其复合物。
6.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，步骤4中所述的栅介质沉积后退火的气体氛围为O2，退火温度为450℃～600℃，退火时间为1分钟～1小时。
7.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，步骤4中所述的低温氧气退火的温度为300℃～450℃，退火时间为1分钟～3小时。
8.根据权利要求1所述的采用原位臭氧氧化制备氧化锗界面修复层的方法，其特征在于，还可以通过选择不同厚度的Al2O3阻挡层，改变氧化温度及时间来有效控制GeOx界面修复层的厚度及界面质量，适用于Ge基MOS电容、MOSFET及含有Ge基栅叠层器件的制备。
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