JP2016207789A - Passivation processing method, semiconductor structure forming method, and semiconductor structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the defect density of a surface of a germanium or group III-V material.SOLUTION: There is provided a passivation processing method comprising the steps of: mounting a germanium (Ge) or group III-V substrate on a mounting table in a processing chamber; and depositing a passivation film containing sulfur (S) or selenium (Se) on the germanium (Ge) or group III-V substrate by supplying a hydrogen sulfide (HS) gas or a hydrogen selenide (HSe) gas and an ammonia gas (NH) into the processing chamber.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、パッシベーション処理方法、半導体構造の形成方法及び半導体構造に関する。   The present invention relates to a passivation processing method, a method for forming a semiconductor structure, and a semiconductor structure.

ゲルマニウム(Ge)やインジウムガリウム砒素(InGaAs)等のIII−V族の材料は、シリコン(Si)材料と比較してモビリティ(移動度)が高い。そのため、次世代の集積回路の基板としてシリコンの替わりにゲルマニウム等を使用することが期待されている。しかしながら、ゲルマニウム等の基板と基板上に成膜する誘電体膜との界面の欠陥密度が高いことが、製造された半導体構造のモビリティを低下させる要因の一つとなっている。   Group III-V materials such as germanium (Ge) and indium gallium arsenide (InGaAs) have higher mobility than silicon (Si) materials. Therefore, it is expected to use germanium or the like instead of silicon as a substrate for the next generation integrated circuit. However, a high defect density at the interface between a substrate such as germanium and a dielectric film formed on the substrate is one of the factors that reduce the mobility of the manufactured semiconductor structure.

そこで、欠陥密度を低くするために、ゲルマニウム等の基板の上に誘電体膜を成膜する前に、硫化水素(HS)ガスで基板の上にパッシベーション膜を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1、2を参照)。 In order to reduce the defect density, a method of forming a passivation film on a substrate with hydrogen sulfide (H 2 S) gas before forming a dielectric film on the substrate such as germanium has been proposed. (For example, see Patent Documents 1 and 2).

特許第5224678号公報Japanese Patent No. 5224678 特開2011−91394号公報JP 2011-91394 A

しかしながら、上記パッシベーション膜を形成する方法では、基板の温度を300℃〜400℃の高温にする必要があり、かつ、パッシベーション膜の成膜時間が長いため、生産効率が悪くなるという課題がある。   However, in the method of forming the passivation film, there is a problem that the substrate temperature needs to be set to a high temperature of 300 ° C. to 400 ° C. and the passivation film is formed for a long time, so that the production efficiency is deteriorated.

これに対して、硫化アンモニウム(NH)2Sを用いたウェットエッチングによりゲルマニウム基板の表面の欠陥密度を低くする方法が考えられる。しかし、この方法ではウェットエッチング後、ゲルマニウム基板が空気に暴露される。このため、ゲルマニウム基板の表面が再酸化され、ゲルマニウム基板の表面に欠陥密度の高い自然酸化膜が形成されてしまう。 On the other hand, a method of reducing the defect density on the surface of the germanium substrate by wet etching using ammonium sulfide (NH 4 ) 2S is conceivable. However, in this method, the germanium substrate is exposed to air after wet etching. For this reason, the surface of the germanium substrate is reoxidized, and a natural oxide film having a high defect density is formed on the surface of the germanium substrate.

上記課題に対して、一側面では、本発明は、ゲルマニウム又はIII−V族の材料の表面の欠陥密度を低くすることを目的とする。   In one aspect, the present invention is directed to reducing the defect density on the surface of germanium or III-V materials.

上記課題を解決するために、一の態様によれば、ゲルマニウム(Ge)又はIII−V族の基板を処理室内の載置台に載置する工程と、硫化水素(HS)ガス又はセレン化水素(HSe)ガスと、アンモニア(NH)ガスとを前記処理室内に供給し、前記ゲルマニウム又はIII−V族の基板の上に硫黄(S)又はセレン(Se)を含有するパッシベーション膜を成膜する工程と、を有するパッシベーション処理方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to one aspect, a step of placing a germanium (Ge) or III-V group substrate on a mounting table in a processing chamber, and a hydrogen sulfide (H 2 S) gas or selenization A passivation film containing hydrogen (H 2 Se) gas and ammonia (NH 3 ) gas in the processing chamber and containing sulfur (S) or selenium (Se) on the germanium or III-V substrate. A passivation process method is provided.

一の側面によれば、ゲルマニウム又はIII−V族の材料の表面の欠陥密度を低くすることができる。   According to one aspect, the surface defect density of germanium or III-V materials can be reduced.

一実施形態にかかる半導体構造の一例を示す図。The figure which shows an example of the semiconductor structure concerning one Embodiment. 基板と酸化物等との界面の欠陥密度の一例を示す図。The figure which shows an example of the defect density of the interface of a board | substrate and an oxide. 一実施形態にかかる半導体構造の製造工程の一例を示すフローチャート。6 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of a semiconductor structure according to an embodiment. 空気に暴露する時間と基板の上の酸化物の厚さとの関係の一例を示す図。The figure which shows an example of the relationship between the time exposed to air, and the thickness of the oxide on a board | substrate. 一実施形態にかかるトリートメント(パッシベーション膜形成)結果を示す図。The figure which shows the treatment (passivation film formation) result concerning one Embodiment. 一実施形態にかかるトリートメントの有無と基板表面の組成を示す図。The figure which shows the presence or absence of the treatment concerning one Embodiment, and the composition of a substrate surface. 一実施形態にかかるトリートメントの有無と基板表面及び断面の状態を示す図。The figure which shows the presence or absence of the treatment concerning one Embodiment, and the state of a board | substrate surface and a cross section. 一実施形態にかかるトリートメントの温度及び圧力依存性を示す図。The figure which shows the temperature and pressure dependence of the treatment concerning one Embodiment. 一実施形態にかかるトリートメントの温度依存性を示す図。The figure which shows the temperature dependence of the treatment concerning one Embodiment. 一実施形態にかかるパッシベーション膜の温度依存性を示す図。The figure which shows the temperature dependence of the passivation film concerning one Embodiment. 一実施形態にかかるパッシベーション膜の温度及び圧力依存性を示す図。The figure which shows the temperature and pressure dependence of the passivation film concerning one Embodiment. 一実施形態にかかるパッシベーション膜の流量依存性を示す図。The figure which shows the flow volume dependence of the passivation film concerning one Embodiment. 一実施形態にかかるパッシベーション膜の有無とキャパシタのC−V特性を示す図。The figure which shows the presence or absence of the passivation film concerning one Embodiment, and the CV characteristic of a capacitor.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in this specification and drawing, about the substantially same structure, the duplicate description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

[半導体構造例]
まず、本発明の一実施形態にかかる半導体構造の一例について、図1を参照しながら説明する。図1は、MOSトランジスタの半導体構造の一例を示す。本実施形態では、基板にゲルマニウム(Ge)を使用する。ゲルマニウム基板がP形の場合、n形のソース及びドレイン層が形成される。なお、ゲルマニウム基板がn形の場合、p形のソース及びドレイン層が形成される。ソース及びドレイン層間には、ゲート層が形成される。ゲート層及びゲルマニウム基板間には、High−k膜(高誘電率ゲート絶縁膜)が形成される。本実施形態では、ゲルマニウム基板とHigh−k膜との界面にパッシベーション膜が形成される。
[Example of semiconductor structure]
First, an example of a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of a semiconductor structure of a MOS transistor. In this embodiment, germanium (Ge) is used for the substrate. When the germanium substrate is P-type, n-type source and drain layers are formed. When the germanium substrate is n-type, p-type source and drain layers are formed. A gate layer is formed between the source and drain layers. A High-k film (high dielectric constant gate insulating film) is formed between the gate layer and the germanium substrate. In this embodiment, a passivation film is formed at the interface between the germanium substrate and the high-k film.

ゲルマニウム(Ge)材料は、シリコン(Si)材料と比較してモビリティ(移動度)が高い。例えば、電子のモビリティ(単位:cm/V・s)は、シリコンが1400であるのに対して、ゲルマニウムは3900である。ガリウム砒素(GaAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、インジウム砒素(InAs)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジウム(InSb)等のIII−V族の材料もまた、シリコン材料と比較してモビリティが高い。例えば、電子のモビリティは、ガリウム砒素が8500、インジウムガリウム砒素が12000、インジウム砒素が40000、アンチモン化ガリウムが3000、アンチモン化インジウムが77000である。なお、III−V族の材料は、周期表III族(13族)元素とV族(15族)元素との化合物であり、上記に示したガリウム砒素等の材料に限らない。 The germanium (Ge) material has higher mobility than the silicon (Si) material. For example, electron mobility (unit: cm 2 / V · s) is 1400 for silicon, and 3900 for germanium. Group III-V materials such as gallium arsenide (GaAs), indium gallium arsenide (InGaAs), indium arsenide (InAs), gallium antimonide (GaSb), indium antimonide (InSb) are also more mobile than silicon materials. Is expensive. For example, the mobility of electrons is 8500 for gallium arsenide, 12000 for indium gallium arsenide, 40000 for indium arsenide, 3000 for gallium antimonide, and 77000 for indium antimonide. The group III-V material is a compound of a group III (group 13) element and a group V (group 15) element in the periodic table, and is not limited to the above-described materials such as gallium arsenide.

次世代の集積回路の基板としてシリコンの替わりにゲルマニウムやIII−V族の材料を使用し、高性能な半導体構造を製造することが期待される。しかしながら、ゲルマニウム基板とHigh−k膜等の誘電体膜(ゲート絶縁膜)との界面の欠陥密度が高いことが、製造された半導体構造のモビリティを低下させる要因の一つとなっている。   It is expected that a high-performance semiconductor structure will be manufactured by using germanium or III-V group material instead of silicon as a substrate for the next generation integrated circuit. However, a high defect density at the interface between the germanium substrate and a dielectric film (gate insulating film) such as a high-k film is one of the factors that reduce the mobility of the manufactured semiconductor structure.

シリコン基板の場合、例えばゲート絶縁膜にはシリコン酸化膜(SiO)が使われる。ゲルマニウム基板の場合、例えばゲート絶縁膜にはアルミナ(Al)が使われる。 In the case of a silicon substrate, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) is used for the gate insulating film. In the case of a germanium substrate, for example, alumina (Al 2 O 3 ) is used for the gate insulating film.

図2(a)に示すシリコン基板100とシリコン酸化膜200との界面100aの欠陥密度は、1010のオーダである。これに対して、ゲルマニウム基板10と酸化ゲルマニウム膜20との界面10aの欠陥密度は、1013のオーダであり、シリコン基板の場合と比べて3桁高くなっている。 The defect density at the interface 100a between the silicon substrate 100 and the silicon oxide film 200 shown in FIG. 2A is on the order of 10 10 . In contrast, the defect density at the interface 10a between the germanium substrate 10 and the germanium oxide film 20, 10 13 of the order of, has three orders of magnitude higher than in the case of a silicon substrate.

そこで、以下に説明する本実施形態では、ゲルマニウム基板10の表面を硫化水素(HS)ガス及びアンモニア(NH)ガスでトリートメントし、ゲルマニウム基板10の表面に硫化ゲルマニウム(GeS)のパッシベーション膜30を形成する。これにより、ゲルマニウム基板10の表面の欠陥密度は、1011のオーダになる。このようにして、本実施形態ではゲルマニウムの表面の欠陥密度を低くすることにより、製造された半導体構造のモビリティを高め、高性能なトランジスタやその他の半導体構造を製造することができる。 Accordingly, in the present embodiment described below, the surface of the germanium substrate 10 is treated with hydrogen sulfide (H 2 S) gas and ammonia (NH 3 ) gas, and germanium sulfide (GeS x ) passivation is performed on the surface of the germanium substrate 10. A film 30 is formed. As a result, the defect density on the surface of the germanium substrate 10 is on the order of 10 11 . Thus, in this embodiment, by reducing the defect density on the surface of germanium, the mobility of the manufactured semiconductor structure can be increased, and a high-performance transistor or other semiconductor structure can be manufactured.

[半導体構造例:パッシベーション処理方法]
次に、本実施形態にかかるパッシベーション処理方法を用いた半導体構造の製造工程の一例について、図3のフローチャートを参照しながら説明する。本実施形態にかかる半導体構造では、まず、塩酸(HCL)又はDHF(Diluted Hydrofluoric acid:希フッ酸(HFとHOの混合液))の液体によりゲルマニウム基板10をウェットエッチングする(ステップS10)。この工程により、ゲルマニウム基板10上の酸化ゲルマニウム(GeO)20が除去される。
[Example of semiconductor structure: Passivation method]
Next, an example of the manufacturing process of the semiconductor structure using the passivation processing method according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The semiconductor structure according to the present embodiment, first, hydrochloric acid (HCL) or DHF: germanium substrate 10 is wet-etched by the liquid (Diluted hydrofluoric acid diluted hydrofluoric acid (a mixed solution of HF and H 2 O)) (step S10) . By this step, germanium oxide (GeO 2 ) 20 on the germanium substrate 10 is removed.

次に、ゲルマニウム基板10上にHigh−k膜を成膜するために、ゲルマニウム基板10を成膜装置1に搬送する(ステップS12)。この工程により、ゲルマニウム基板10は所定の時間だけ空気に暴露される。この放置時間にゲルマニウム基板10の表面が再酸化され、ゲルマニウム基板10に自然酸化膜(GeO)40が形成される。自然酸化膜40により、ゲルマニウム基板10の表面は欠陥密度が高い状態になる。   Next, in order to form a High-k film on the germanium substrate 10, the germanium substrate 10 is transferred to the film formation apparatus 1 (step S12). By this step, the germanium substrate 10 is exposed to air for a predetermined time. During this standing time, the surface of the germanium substrate 10 is reoxidized, and a natural oxide film (GeO) 40 is formed on the germanium substrate 10. Due to the natural oxide film 40, the surface of the germanium substrate 10 has a high defect density.

そこで、成膜装置1と同一又は異なる装置にてゲルマニウム基板10をNHガスの雰囲気にてエッチングする(ステップS14)。この工程により、ゲルマニウム基板10の表面の然酸化膜40が概ね除去される。 Therefore, the germanium substrate 10 is etched in an NH 3 gas atmosphere using the same or different apparatus as the film forming apparatus 1 (step S14). By this step, the oxide film 40 on the surface of the germanium substrate 10 is substantially removed.

次に、成膜装置1内に硫化水素(HS)ガス及びアンモニア(NH)ガスを供給し、ゲルマニウム基板10のトリートメントを行う(ステップS16)。この工程により、ゲルマニウム基板10の表面にGeSのパッシベーション膜30が形成される。次に、High−k膜50を成膜する(ステップS18)。High−k膜50としては、アルミナ(Al)、酸化ハフニウム(HfO)、ハフニウムアルミネート(HfAlO)、酸化ジルコニア(ZrO)、酸化プラセオジム(PrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ガドリニウム(Gd)が使用されてもよい。 Next, hydrogen sulfide (H 2 S) gas and ammonia (NH 3 ) gas are supplied into the film forming apparatus 1 to treat the germanium substrate 10 (step S16). By this step, a GeS x passivation film 30 is formed on the surface of the germanium substrate 10. Next, a high-k film 50 is formed (step S18). As the high-k film 50, alumina (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium aluminate (HfAlO), zirconia oxide (ZrO 2 ), praseodymium oxide (PrO x ), lanthanum oxide (LaO x ) Gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ) may be used.

最後に、上部電極として機能する金属膜60を成膜し(ステップS20)、本処理を終了する。金属膜60としては、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN),窒化チタン(TiN)が使用されてもよい。   Finally, a metal film 60 that functions as an upper electrode is formed (step S20), and this process is terminated. As the metal film 60, tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), or titanium nitride (TiN) may be used.

(自然酸化膜)
なお、ステップS16以降の工程をin−situで行う環境が好ましい。ex−situで行う環境では、ステップS16のパッシベーション膜を成膜する前やステップS18のHigh−k膜50を成膜する前に、ゲルマニウム基板10の表面が空気に暴露されてしまい、その間にゲルマニウム基板10の表面に自然酸化膜40が形成されてしまう。例えば、図4は、空気に暴露する時間(すなわち、ゲルマニウム基板の放置時間)とゲルマニウム基板上の自然酸化物の厚さとの関係の一例を示す。図4の横軸は、放置時間を示し、縦軸は自然酸化膜の厚さを示す。なお、図4は、論文「Native Oxidation Growth on Ge(111) and (100) Surfaces」,Siti Kudnie Sahari, Hideki Murakami, Tomohiro Fujioka, Tatsuya Bando, Akio Ohta, Katsunori Makihara, Seiichiro Higashi, and Seiichi Miyazaki ,Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) 04DA12 のFig.6を引用する。
(Natural oxide film)
In addition, the environment where the process after step S16 is performed in-situ is preferable. In an ex-situ environment, the surface of the germanium substrate 10 is exposed to air before forming the passivation film in step S16 and before forming the high-k film 50 in step S18. A natural oxide film 40 is formed on the surface of the substrate 10. For example, FIG. 4 shows an example of the relationship between the time of exposure to air (ie, the time for which the germanium substrate is left) and the thickness of the native oxide on the germanium substrate. The horizontal axis in FIG. 4 indicates the standing time, and the vertical axis indicates the thickness of the natural oxide film. 4 shows the paper `` Native Oxidation Growth on Ge (111) and (100) Surfaces '', Siti Kudnie Sahari, Hideki Murakami, Tomohiro Fujioka, Tatsuya Bando, Akio Ohta, Katsunori Makihara, Seiichiro Higashi, and Seiichi Miyazaki, Japanese. Citing Fig. 6 of Journal of Applied Physics 50 (2011) 04DA12.

これによれば、放置時間が同じ場合、n形ゲルマニウム基板(n−Ge)及びp形ゲルマニウム基板(p−Ge)の自然酸化膜の厚さは、n形シリコン基板(n−Si)の自然酸化膜の厚さに対して4〜5倍になっている。つまり、ゲルマニウム基板は、シリコン基板よりも酸化しやすい。   According to this, when the leaving times are the same, the thicknesses of the natural oxide films of the n-type germanium substrate (n-Ge) and the p-type germanium substrate (p-Ge) It is 4 to 5 times the thickness of the oxide film. That is, the germanium substrate is more easily oxidized than the silicon substrate.

よって、放置時間が長くなるほどゲルマニウム基板10上にGeOの結合が増え、GeSの結合が減るため、放置時間が長くなるほどゲルマニウム基板10上のSの濃度が低くなり、Oの濃度が高くなる。 Therefore, the longer the standing time, the more GeO x bonds are increased on the germanium substrate 10 and the GeS x bonds are decreased. Therefore, the longer the standing time, the lower the concentration of S on the germanium substrate 10 and the higher the O concentration. .

ゲルマニウム基板10上のOの濃度が高くなると、ゲルマニウム基板10とHigh−k膜との界面における欠陥密度が高くなる。つまり、ゲルマニウム基板10は、シリコン基板よりも自然酸化され易く、これによって表面の欠陥密度が高くなり、モビリティが下がる傾向があることがわかる。   As the O concentration on the germanium substrate 10 increases, the defect density at the interface between the germanium substrate 10 and the High-k film increases. That is, it can be seen that the germanium substrate 10 is more likely to be naturally oxidized than the silicon substrate, which increases the surface defect density and tends to decrease mobility.

ゲルマニウム基板10上の酸化ゲルマニウム(GeO)膜20は、図3のステップS10のウェットエッチングでほぼ除去できる。しかし、ゲルマニウム基板10上の自然酸化膜は上記のウェットエッチングですべて除去することは難しい。このため、ステップS12のゲルマニウム基板10の放置時間(搬送時間等)を短縮することで、自然酸化膜40が形成され難いようにすることが好ましい。 The germanium oxide (GeO 2 ) film 20 on the germanium substrate 10 can be almost removed by wet etching in step S10 of FIG. However, it is difficult to remove all the natural oxide film on the germanium substrate 10 by the wet etching. For this reason, it is preferable to make it difficult to form the natural oxide film 40 by shortening the time for which the germanium substrate 10 is left in step S <b> 12 (the transfer time or the like).

したがって、前記放置時間の管理は重要である。本実施形態では、図3のステップS16において、ゲルマニウム基板10のトリートメントを行い、ゲルマニウム基板10の表面にパッシベーション膜を形成し、保護し、これにより、ゲルマニウム基板10の表面が酸化されることを防止する。この結果、ゲルマニウム基板10の表面の欠陥密度が高くなり、製造された半導体構造のデバイス特性が悪くなることを防ぐことができる。なお、以上の理由から図3のステップS16以降の工程は、例えば成膜装置1においてin−situで行うことがより好ましい。ただし、ステップS16にてゲルマニウム基板10の表面にパッシベーション膜が形成されているため、ステップS18及びステップS20はex−situで行う環境であってもよい。   Therefore, management of the standing time is important. In the present embodiment, the germanium substrate 10 is treated in step S16 of FIG. 3 to form and protect a passivation film on the surface of the germanium substrate 10, thereby preventing the surface of the germanium substrate 10 from being oxidized. To do. As a result, it is possible to prevent the defect density on the surface of the germanium substrate 10 from being increased and the device characteristics of the manufactured semiconductor structure from being deteriorated. For the above reason, it is more preferable that the processes after step S16 in FIG. 3 are performed in-situ in the film forming apparatus 1, for example. However, since a passivation film is formed on the surface of the germanium substrate 10 in step S16, an environment in which steps S18 and S20 are performed ex-situ may be used.

(成膜装置の構成例)
なお、成膜装置の構成例について簡単に説明する。成膜装置1は、表面がアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムからなる円筒形の処理室Cを有している。処理室Cの内部には載置台12が設けられている。載置台12は、ゲルマニウム基板10を載置する。
(Configuration example of film deposition system)
A configuration example of the film forming apparatus will be briefly described. The film forming apparatus 1 has a cylindrical processing chamber C made of aluminum whose surface is anodized (anodized). A mounting table 12 is provided inside the processing chamber C. The mounting table 12 mounts the germanium substrate 10.

処理室Cの天井部には、ガスシャワーヘッド11が設けられている。硫化水素ガス及びアンモニアガスは、ガスシャワーヘッド11のガス導入口14から導入され、ガスバッファ空間11bを通って多数のガス通気孔11aから処理室C内に供給される。処理室C内へ供給された硫化水素ガス及びアンモニアガスの作用によりゲルマニウム基板10上にパッシベーション膜30が成膜される。   A gas shower head 11 is provided on the ceiling of the processing chamber C. Hydrogen sulfide gas and ammonia gas are introduced from the gas introduction port 14 of the gas shower head 11 and supplied into the processing chamber C through the gas buffer space 11b and from a large number of gas vent holes 11a. A passivation film 30 is formed on the germanium substrate 10 by the action of hydrogen sulfide gas and ammonia gas supplied into the processing chamber C.

(NH添加)
図3のステップS16では、ゲルマニウム基板10のトリートメントを行い、ゲルマニウム基板10の表面にパッシベーション膜を形成するために硫化水素(HS)ガス及びアンモニア(NH)ガスを用いた。次に、5つのトリートメント条件に対して成膜されたパッシベーション膜について、図5を参照しながら説明する。図5(a)は、5つのトリートメント条件を示す。
(NH 3 added)
In step S16 in FIG. 3, the germanium substrate 10 is treated, and hydrogen sulfide (H 2 S) gas and ammonia (NH 3 ) gas are used to form a passivation film on the surface of the germanium substrate 10. Next, a passivation film formed under five treatment conditions will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows five treatment conditions.

トリートメント条件Aは、アンモニア/硫化水素ガスの比が、0/100である。   In the treatment condition A, the ratio of ammonia / hydrogen sulfide gas is 0/100.

トリートメント条件Bは、アンモニア/硫化水素ガスの比が、60/140である。   In the treatment condition B, the ammonia / hydrogen sulfide gas ratio is 60/140.

トリートメント条件Cは、アンモニア/硫化水素ガスの比が、100/100である。   In the treatment condition C, the ammonia / hydrogen sulfide gas ratio is 100/100.

トリートメント条件Dは、アンモニア/硫化水素ガスの比が、140/60である。   In the treatment condition D, the ammonia / hydrogen sulfide gas ratio is 140/60.

トリートメント条件Eは、アンモニア/硫化水素ガスの比が、0/100である。   In the treatment condition E, the ammonia / hydrogen sulfide gas ratio is 0/100.

トリートメント条件Fは、アンモニア/硫化水素ガスの比が、100/100である。   In the treatment condition F, the ammonia / hydrogen sulfide gas ratio is 100/100.

つまり、トリートメント条件A、Eは、アンモニアガスが添加されていない点が他の条件B〜D,Fと異なる。また、トリートメント条件A〜Dは、トリートメント時間が2分と短い点で、トリートメント時間が20分と長いトリートメント条件E、Fと異なる。   That is, the treatment conditions A and E are different from the other conditions B to D and F in that ammonia gas is not added. Treatment conditions A to D are different from treatment conditions E and F in which the treatment time is as short as 2 minutes and the treatment time is as long as 20 minutes.

トリートメント条件A〜Fの共通点は以下である。
・塩酸(HCL)のウェットエッチング(10%の溶液、10分)がトリートメント前に実行されている。
・処理室内の圧力は100Torr(13332Pa)、温度は100℃に制御されている。
The common points of the treatment conditions A to F are as follows.
Hydrochloric acid (HCL) wet etching (10% solution, 10 minutes) is performed before treatment.
The pressure in the processing chamber is controlled to 100 Torr (13332 Pa), and the temperature is controlled to 100 ° C.

図5(b)は、5つのトリートメント条件下で成膜されたパッシベーション膜(つまり、ゲルマニウム基板の表面)のXPS(X線光電子分光:X-ray Photoelectron Spectroscopy)測定によるS2p軌道電子の観測結果における硫黄Sの割合を示す。例えば、トリートメント条件Aでは、パッシベーション膜が形成されたゲルマニウム基板10の表面付近に4%の硫黄が存在していることを示す。   FIG. 5 (b) shows the result of observation of S2p orbital electrons by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) measurement of a passivation film (that is, the surface of a germanium substrate) formed under five treatment conditions. The ratio of sulfur S is shown. For example, the treatment condition A indicates that 4% sulfur is present near the surface of the germanium substrate 10 on which the passivation film is formed.

これによれば、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加してトリートメントを行った条件B、C、D、Fは、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加せずにトリートメントを行った条件A、Eよりもパッシベーション膜の物質に含まれる硫黄Sの割合が多いことがわかる。特に、条件Eの硫化水素ガスにアンモニアガスを添加せずに20分間トリートメントを行った場合、パッシベーション膜に含まれる硫黄Sの割合は6%である。これに対して、条件B〜Dの硫化水素ガスにアンモニアガスを添加して2分間トリートメントを行った場合、パッシベーション膜に含まれる硫黄Sの割合は10%程度である。つまり、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加してトリートメントを行うと、トリートメント時間を1/10に短縮してもパッシベーション膜に含まれるSの割合は高くなり、ゲルマニウム基板10の表面の欠陥密度を低くすることができることがわかる。   According to this, the conditions B, C, D, and F in which the ammonia gas was added to the hydrogen sulfide gas and the treatment were performed are more than the conditions A and E in which the treatment was performed without adding the ammonia gas to the hydrogen sulfide gas. It can be seen that the ratio of sulfur S contained in the material of the passivation film is large. In particular, when the treatment is performed for 20 minutes without adding ammonia gas to the hydrogen sulfide gas of Condition E, the ratio of sulfur S contained in the passivation film is 6%. On the other hand, when ammonia gas is added to the hydrogen sulfide gas under the conditions B to D and treatment is performed for 2 minutes, the ratio of sulfur S contained in the passivation film is about 10%. That is, when treatment is performed by adding ammonia gas to hydrogen sulfide gas, even if the treatment time is shortened to 1/10, the ratio of S contained in the passivation film increases, and the defect density on the surface of the germanium substrate 10 decreases. You can see that you can.

ただし、図5(b)に示されるパッシベーション膜に含まれる硫黄Sには、膜中のゲルマニウムGeと結合していない硫黄Sも含まれる。よって、次に、ゲルマニウム基板10中のGeと結合している硫黄Sの成分について考察する。図6は、パッシベーション膜が形成されたゲルマニウム基板10を表面からXPS測定した結果の一例を示す。横軸は結合エネルギーであり、縦軸はゲルマニウム基板10表面の組成の状態を示す。図6(a)は、トリートメントを行っていない場合(パッシベーション膜が形成されていない場合)を示す。図6(b)は、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加せずにトリートメントを行った場合を示す。図6(c)は、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加してトリートメントを行った場合を示す。   However, the sulfur S contained in the passivation film shown in FIG. 5B includes sulfur S that is not bonded to germanium Ge in the film. Therefore, next, the component of sulfur S bonded to Ge in the germanium substrate 10 will be considered. FIG. 6 shows an example of the result of XPS measurement from the surface of the germanium substrate 10 on which the passivation film is formed. The horizontal axis represents the binding energy, and the vertical axis represents the composition state of the germanium substrate 10 surface. FIG. 6A shows a case where no treatment is performed (a case where a passivation film is not formed). FIG. 6B shows a case where treatment is performed without adding ammonia gas to hydrogen sulfide gas. FIG. 6C shows a case where treatment is performed by adding ammonia gas to hydrogen sulfide gas.

図6の測定結果によれば、図6(c)のアンモニアガスを添加したトリートメントでは、パッシベーション膜に含まれるGeSやGeSのピークが、図6(b)のアンモニアガスを添加しないトリートメントを行った場合のGeSやGeSのピークよりも顕著に高くなっている。つまり、本実施形態では、アンモニアガスを添加した場合のパッシベーション膜には、アンモニアガスを添加しない場合よりもGeと結合した硫黄Sの成分が多く含まれることを示す。つまり、アンモニアガスを添加した硫化水素ガスを用いてトリートメントを行うことで、GeSを形成する際の活性化エネルギーが下がると推測される。 According to the measurement result of FIG. 6, in the treatment to which ammonia gas is added in FIG. 6 (c), the peak of GeS or GeS 2 contained in the passivation film is performed without adding ammonia gas in FIG. 6 (b). It is significantly higher than the peaks of GeS and GeS 2 in the case of That is, in the present embodiment, it is shown that the passivation film when ammonia gas is added contains more sulfur S components bonded to Ge than when ammonia gas is not added. That is, it is presumed that the activation energy when forming GeS x is lowered by performing treatment using hydrogen sulfide gas to which ammonia gas is added.

以上から、アンモニアガスを添加した硫化水素ガスを用いてトリートメントを行うことで、ゲルマニウムと結合しているSがパッシベーション膜中に含まれる割合が高くなり、ゲルマニウム基板10表面の欠陥密度が低下することがわかる。これにより、ゲルマニウム基板10とHigh−k膜50との界面の状態がよくなって、モビリティが高くなると予想される。   From the above, by performing the treatment using hydrogen sulfide gas to which ammonia gas is added, the proportion of S bonded to germanium is increased in the passivation film, and the defect density on the surface of the germanium substrate 10 is reduced. I understand. As a result, the state of the interface between the germanium substrate 10 and the High-k film 50 is improved, and mobility is expected to increase.

なお、図6(a)のトリートメントを行っていない場合、ゲルマニウム基板10表面のGeSやGeSのピークは、図6(b)のアンモニアガスを添加せずに硫化水素ガスを用いてトリートメントを行った場合よりも更に低くなっている。 When the treatment of FIG. 6A is not performed, the GeS and GeS 2 peaks on the surface of the germanium substrate 10 are treated using hydrogen sulfide gas without adding the ammonia gas of FIG. 6B. It is even lower than the case.

以上に説明したように、本実施形態によるパッシベーション処理方法により形成したパッシベーション膜では、硫黄Sの含有率が高くなり、ゲルマニウムと結合して安定したGeSやGeSとして膜中に存在することがわかった。これにより、ゲルマニウム基板の表面における欠陥密度を低下させ、製造された半導体のモビリティを向上させることができる。 As described above, in the passivation film formed by the passivation processing method according to the present embodiment, the content of sulfur S is high, and it is found that GeS or GeS 2 is present in the film as a stable combination with germanium. It was. Thereby, the defect density in the surface of a germanium substrate can be reduced and the mobility of the manufactured semiconductor can be improved.

また、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加することでトリートメント時間を短縮することができる。また、通常300℃〜400℃の高温にてHSガスを用いてパッシベーション膜が成膜されるのに対し、本実施形態では、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加して、より低温の100℃でパッシベーション膜を形成する。この結果、トリートメント時間を約1/10に短縮でき、かつ低温処理にてパッシベーション膜を形成することができ、生産効率を向上させることができる。 Moreover, treatment time can be shortened by adding ammonia gas to hydrogen sulfide gas. In addition, while a passivation film is usually formed using H 2 S gas at a high temperature of 300 ° C. to 400 ° C., in this embodiment, ammonia gas is added to the hydrogen sulfide gas to lower the temperature to 100 ° C. A passivation film is formed at ° C. As a result, the treatment time can be shortened to about 1/10, and a passivation film can be formed by low-temperature treatment, and production efficiency can be improved.

なお、図7(a)の上段及び下段のSEM(走査型電子顕微鏡)画像には、トリートメントを行っていないゲルマニウム基板の表面及び断面を示す。図7(b)の上段及び下段のSEM画像には、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行ったゲルマニウム基板の表面及び断面を示す。これによれば、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行ったゲルマニウム基板の表面粗さ(roughness)が、トリートメントを行っていないゲルマニウム基板の表面粗さと同等であることが証明される。つまり、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行っても、トリートメント前のゲルマニウム基板の表面粗さよりも表面状態が悪くならないことが確認できる。   Note that the upper and lower SEM (scanning electron microscope) images in FIG. 7A show the surface and cross section of a germanium substrate that has not been treated. The upper and lower SEM images in FIG. 7B show the surface and cross section of a germanium substrate treated with hydrogen sulfide gas and ammonia gas. This proves that the surface roughness of the germanium substrate treated with hydrogen sulfide gas and ammonia gas is equivalent to the surface roughness of the germanium substrate not treated. In other words, it can be confirmed that even if treatment is performed with hydrogen sulfide gas and ammonia gas, the surface condition is not worse than the surface roughness of the germanium substrate before treatment.

[温度及び圧力依存]
次に、本実施形態にかかるパッシベーション処理方法を適用する処理室の温度及び圧力依存性について、図8〜図11を参照しながら説明する。図8〜図11は、TOF−SIMS(Time-of-Flight Secondary Mass Spectrometry:二次イオン質量分析法)によりパッシベーション膜が形成されたゲルマニウム基板の表面状態を分析した結果を示す。
[Temperature and pressure dependence]
Next, the temperature and pressure dependence of the processing chamber to which the passivation processing method according to the present embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 8 to 11 show the results of analyzing the surface state of a germanium substrate on which a passivation film is formed by TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Mass Spectrometry).

本実施形態では、処理室の温度として載置台の温度が示されている。   In this embodiment, the temperature of the mounting table is shown as the temperature of the processing chamber.

ここでは、まず、塩酸(HCL)を含む液体でゲルマニウム基板10を10分間ウェットエッチングする。次に、ウェットエッチング後のゲルマニウム基板に、硫化水素ガス及びアンモニアガスによりトリートメントを行った結果の一例を示す。図8(a)は、処理室内の圧力が3Torr(400Pa)の場合であって、処理室内の温度が25℃、50℃、100℃のときのパッシベーション膜中のGeOの個数とGeSの個数とを示したグラフである。図8(c)は、横軸はトリートメント時の温度を示し、縦軸はGeSに対するGeOの比率を示す。この結果によれば、膜中のGeSに対するGeOの比率は、25℃よりも50℃及び100℃の方が少なくなっている。 Here, first, the germanium substrate 10 is wet-etched with a liquid containing hydrochloric acid (HCL) for 10 minutes. Next, an example of the result of treating the germanium substrate after wet etching with hydrogen sulfide gas and ammonia gas is shown. FIG. 8A shows the case where the pressure in the processing chamber is 3 Torr (400 Pa), and the number of GeO 2 and the number of GeS in the passivation film when the temperature in the processing chamber is 25 ° C., 50 ° C., and 100 ° C. It is the graph which showed. In FIG. 8C, the horizontal axis represents the temperature during treatment, and the vertical axis represents the ratio of GeO 2 to GeS. According to this result, the ratio of GeO 2 to GeS in the film is smaller at 50 ° C. and 100 ° C. than at 25 ° C.

図8(b)は、処理室内の圧力が50Torr(6667Pa)の場合であって、処理室内の温度が25℃、50℃、100℃のときのパッシベーション膜中のGeOの個数とGeSの個数とを示したグラフである。図8(c)に示すように、膜中のGeSに対するGeOの比率は、25℃よりも50℃及び100℃の方が少なくなっている。 FIG. 8B shows the case where the pressure in the processing chamber is 50 Torr (6667 Pa), and the number of GeO 2 and the number of GeS in the passivation film when the temperature in the processing chamber is 25 ° C., 50 ° C., and 100 ° C. It is the graph which showed. As shown in FIG. 8C, the ratio of GeO 2 to GeS in the film is less at 50 ° C. and 100 ° C. than at 25 ° C.

これによれば、処理室内の圧力が3Torr及び50Torrのいずれの場合も温度が高くなるほどGeSに対するGeOの比率は低くなり、この結果、欠陥密度が低下することがわかる。以上から、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行う際、処理室内を50℃以上に制御することが好ましい。 According to this, it can be seen that the ratio of GeO 2 to GeS decreases as the temperature increases in both cases where the pressure in the processing chamber is 3 Torr and 50 Torr, and as a result, the defect density decreases. From the above, when treatment is performed with hydrogen sulfide gas and ammonia gas, it is preferable to control the processing chamber to 50 ° C. or higher.

また、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行う際、処理室内の圧力は3Torr以上に制御することが好ましく、50Torr以上の高圧にするとより好ましい。   Further, when the treatment is performed with hydrogen sulfide gas and ammonia gas, the pressure in the processing chamber is preferably controlled to 3 Torr or higher, and more preferably 50 Torr or higher.

図9は、処理室内の圧力を50Torrに制御し、処理室内の温度を25℃、50℃、100℃、150℃、200℃にしたときのパッシベーション膜中のGeOの個数とGeSの個数とGeSに対するGeOの比率とを示したグラフである。これによれば、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行う際、処理室内の温度を50℃以上に制御するとゲルマニウム基板の表面のOの濃度を低下できるため処理室内の温度は50℃以上が好ましいことがわかる。また、処理室内の温度が100℃〜200℃の範囲では飽和状態にあり、パッシベーション膜中のGeSに対するGeOの割合はほぼ同じになる。 FIG. 9 shows the number of GeO 2 and the number of GeS in the passivation film when the pressure in the processing chamber is controlled to 50 Torr and the temperature in the processing chamber is 25 ° C., 50 ° C., 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C. is a graph showing the ratio of GeO 2 for GeS. According to this, when treatment with hydrogen sulfide gas and ammonia gas is performed, the temperature in the processing chamber is preferably 50 ° C. or higher because the O concentration on the surface of the germanium substrate can be reduced by controlling the temperature in the processing chamber to 50 ° C. or higher. I understand that. Further, when the temperature in the processing chamber is in the range of 100 ° C. to 200 ° C., it is in a saturated state, and the ratio of GeO 2 to GeS in the passivation film is almost the same.

図10は、処理室内の圧力を50Torrに制御し、処理室内の温度を25℃、50℃、100℃、150℃、200℃にしたときのパッシベーション膜中のGeOの個数とGeSの個数とGeSに対するGeOの比率とを示したグラフである。本例では、GeOの個数は、GeOとGeOの個数の合計であり、GeSの個数は、GeSとGeSの個数の合計である。これによれば、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行う際、処理室内の温度を50℃以上に制御するとゲルマニウム基板の表面のOの濃度を低下できるためが好ましいことがわかる。また、100℃〜200℃の範囲では飽和状態にあり、パッシベーション膜中のGeSに対するGeOの割合がほぼ同じになる。 FIG. 10 shows the number of GeO x and the number of GeS x in the passivation film when the pressure in the processing chamber is controlled to 50 Torr and the temperature in the processing chamber is 25 ° C., 50 ° C., 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C. And a ratio of GeO x to GeS x . In this example, the number of GeO x is the total number of GeO and GeO 2 , and the number of GeS x is the total number of GeS and GeS 2 . According to this, it is understood that when the treatment is performed with hydrogen sulfide gas and ammonia gas, it is preferable to control the temperature in the processing chamber to 50 ° C. or higher because the O concentration on the surface of the germanium substrate can be reduced. Further, in the range of 100 ° C. to 200 DEG ° C. is in the saturated state, the ratio of GeO x is approximately the same for GeS x in the passivation film.

図11の実験では、処理室内の圧力を50Torr(6667Pa)、100Torr(13332Pa)、300Torr(39996Pa)、500Torr(66670Pa)に制御し、処理室内の温度を100℃、200℃、250℃に制御する。図11は、そのときのパッシベーション膜中のGeOの個数とGeSの個数とGeSに対するGeOの比率とを示したグラフである。これによれば、硫化水素ガスとアンモニアガスによりトリートメントを行う際、処理室内の圧力を100Torr(13332Pa)以上に制御し、温度を100℃以上に制御すると、概ねゲルマニウム基板の表面のOの濃度を低下できるためが好ましいことがわかる。 In the experiment of FIG. 11, the pressure in the processing chamber is controlled to 50 Torr (6667 Pa), 100 Torr (13332 Pa), 300 Torr (39996 Pa), and 500 Torr (66670 Pa), and the temperature in the processing chamber is controlled to 100 ° C., 200 ° C., and 250 ° C. . FIG. 11 is a graph showing the number of GeO 2 in the passivation film, the number of GeS, and the ratio of GeO 2 to GeS. According to this, when the treatment with hydrogen sulfide gas and ammonia gas is performed, if the pressure in the processing chamber is controlled to 100 Torr (13332 Pa) or more and the temperature is controlled to 100 ° C. or more, the concentration of O on the surface of the germanium substrate is generally reduced. It can be seen that this is preferable because it can be lowered.

また、Tにて差し示す枠内の結果によれば、同じ圧力で温度を上げるとパッシベーション膜に含まれるOの数が増えている。また、Pにて差し示す枠内の結果によれば、同じ温度で圧力を上げるとパッシベーション膜に含まれるOの数が減っている。ただし、GeSに対するGeOの比率を考慮すると、載置台の温度は50℃〜250℃に制御すればよい。また、処理室の圧力は3Torr以上に制御すればよい。また、圧力の上限値は、200Torr(26664Pa)程度が好ましい。APC(自動圧力制御器)を動作させて処理室内を調圧する際、APCの実用範囲の上限値が200Torr程度であるため、機械的な制限から処理室の圧力は、3Torr〜200Torrに制御することが好ましい。また、処理ガスの使用量を少なくする上でも、上限値は200Torr程度になると思われる。 Further, according to the result in the frame indicated by T, when the temperature is increased with the same pressure, the number of O contained in the passivation film increases. Further, according to the results in the frame indicated by P, when the pressure is increased at the same temperature, the number of O contained in the passivation film is reduced. However, considering the ratio of GeO 2 to GeS, the temperature of the mounting table may be controlled to 50 ° C. to 250 ° C. Further, the pressure in the processing chamber may be controlled to 3 Torr or more. The upper limit of the pressure is preferably about 200 Torr (26664 Pa). When adjusting the processing chamber by operating the APC (automatic pressure controller), the upper limit of the practical range of APC is about 200 Torr. Therefore, the processing chamber pressure should be controlled to 3 Torr to 200 Torr due to mechanical limitations. Is preferred. Further, the upper limit is considered to be about 200 Torr in reducing the amount of processing gas used.

[インジウムガリウム砒素基板と流量依存]
次に、本実施形態にかかるパッシベーション処理方法におけるガスの流量依存性について、図12を参照しながら説明する。ここでは、ゲルマニウム基板の替わりにインジウムガリウム砒素(InGaAs)の基板が使用される。インジウムガリウム砒素の基板は、本実施形態にかかるパッシベーション処理方法を適用するIII−V族の基板の一例である。III−V族の他の材料としては、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム砒素(InAs)、アンチモン化ガリウム(GaSb)及びアンチモン化インジウム(InSb)等を使用することができる。なお、図12は、TOF−SIMSによりパッシベーション膜が形成されたゲルマニウム基板の表面状態を分析した結果を示す。
[Indium gallium arsenide substrate and flow rate dependence]
Next, the gas flow rate dependency in the passivation processing method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, an indium gallium arsenide (InGaAs) substrate is used instead of a germanium substrate. The indium gallium arsenide substrate is an example of a group III-V substrate to which the passivation processing method according to the present embodiment is applied. As other III-V group materials, gallium arsenide (GaAs), indium arsenide (InAs), gallium antimonide (GaSb), indium antimonide (InSb), or the like can be used. FIG. 12 shows the result of analyzing the surface state of the germanium substrate on which the passivation film is formed by TOF-SIMS.

ここでは、まず、希フッ酸(DHF)を含む液体でゲルマニウム基板10を10分間ウェットエッチングする。次に、処理室の温度を50℃、圧力を50Torr(6666Pa)に制御し、硫化水素ガスとアンモニアガスとにより2分間のトリートメントが行われる。この工程により、パッシベーション膜が成膜される。   Here, first, the germanium substrate 10 is wet-etched with a liquid containing dilute hydrofluoric acid (DHF) for 10 minutes. Next, the treatment chamber temperature is controlled to 50 ° C., the pressure is controlled to 50 Torr (6666 Pa), and treatment for 2 minutes is performed with hydrogen sulfide gas and ammonia gas. Through this process, a passivation film is formed.

ゲルマニウム基板の場合、ゲルマニウム基板の表面のGeO及びGeSの個数を測定することでそれらの比率からパッシベーション膜の特性を考察した。これに対して、インジウムガリウム砒素(InGaAs)の基板の場合、InGaAsの基板の表面のInO、InS、GaO、GaS、AsO及びAsSの個数を測定する。そして、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、砒素(As)のそれぞれに関するOとSとの比率を考察する。図12には、トリートメントなしの場合と、トリートメントありの場合が示されている。ここで「トリートメントあり」とは、アンモニアガスと硫化水素ガスの流量比が20/180の場合にアンモニアガスと硫化水素ガスのトリートメントである。図12には、これにより形成されたパッシベーション膜中のAsO及びAsSの比率、GaO及びGaSの比率、InO及びInSの比率が示されている。これによれば、AsO及びAsSの比率、GaO及びGaSの比率、InO及びInSの比率のいずれも、トリートメントありの場合には、トリートメントなしの場合よりもInGaAsの基板の表面のSの濃度がOの濃度よりも高くなっていることがわかる。この結果、硫化水素ガスに対するアンモニアガスの流量比を10%(=20/(20+180)×100)以上に制御することが好ましいことがわかる。なお、図12の結果ではAsO/AsS < GaO/GaS < InO/InSとなっている。 In the case of a germanium substrate, the number of GeO x and GeS x on the surface of the germanium substrate was measured, and the characteristics of the passivation film were considered from their ratio. In contrast, in the case of an indium gallium arsenide (InGaAs) substrate, the number of InO x , InS x , GaO x , GaS x , AsO x and AsS x on the surface of the InGaAs substrate is measured. Then, the ratio of O and S with respect to indium (In), gallium (Ga), and arsenic (As) will be considered. FIG. 12 shows a case without treatment and a case with treatment. Here, “with treatment” is treatment of ammonia gas and hydrogen sulfide gas when the flow rate ratio of ammonia gas to hydrogen sulfide gas is 20/180. FIG. 12 shows the ratio of AsO and AsS, the ratio of GaO and GaS, and the ratio of InO and InS in the passivation film thus formed. According to this, as for the ratio of AsO and AsS, the ratio of GaO and GaS, and the ratio of InO and InS, the concentration of S on the surface of the InGaAs substrate is higher when the treatment is performed than when the treatment is not performed. It can be seen that it is higher than the concentration of. As a result, it is understood that the flow rate ratio of ammonia gas to hydrogen sulfide gas is preferably controlled to 10% (= 20 / (20 + 180) × 100) or more. In the results of FIG. 12, AsO / AsS <GaO / GaS <InO / InS.

以上に説明したように、本実施形態のパッシベーション処理方法によれば、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加したトリートメントにより硫黄Sの含有率が高いパッシベーション膜がゲルマニウム等の基板の表層に成膜される。これにより、ゲルマニウム等の基板の表面(つまり、基板とHigh−k膜との界面)における欠陥密度を低下させることができる。   As described above, according to the passivation treatment method of the present embodiment, a passivation film having a high sulfur S content is formed on the surface layer of a substrate such as germanium by a treatment in which ammonia gas is added to hydrogen sulfide gas. . Thereby, the defect density on the surface of the substrate such as germanium (that is, the interface between the substrate and the High-k film) can be reduced.

また、本実施形態によれば、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加することでトリートメントの処理スピードを、アンモニアを添加せずに硫化水素ガスのみによりトリートメントを行う場合と比較して10倍程高速にできる。また、本実施形態によれば、前記トリートメントを300℃程度の高温で処理する場合と比較して、100℃程度の低温にてパッシベーション膜を形成することができる。この結果、生産効率を向上させることができる。   In addition, according to the present embodiment, the treatment speed of treatment is increased by about 10 times faster by adding ammonia gas to hydrogen sulfide gas than in the case of performing treatment with only hydrogen sulfide gas without adding ammonia. it can. In addition, according to the present embodiment, the passivation film can be formed at a low temperature of about 100 ° C. as compared with the case where the treatment is processed at a high temperature of about 300 ° C. As a result, production efficiency can be improved.

なお、本実施形態のパッシベーション処理方法では、硫化水素ガスとアンモニアガスとを使用した。しかしながら、硫化水素ガスの替わりにセレン化水素(HSe)ガスを使用してもよい。この場合、本実施形態のパッシベーション処理方法によれば、セレン化水素ガスにアンモニアガスを添加したトリートメントによりセレンSeの含有率が高いパッシベーション膜がゲルマニウムやIII−V族の基板の上に成膜される。これにより、ゲルマニウムやIII−V族の基板の界面における欠陥密度を低下させることができる。 In the passivation treatment method of this embodiment, hydrogen sulfide gas and ammonia gas are used. However, hydrogen selenide (H 2 Se) gas may be used instead of hydrogen sulfide gas. In this case, according to the passivation treatment method of the present embodiment, a passivation film having a high selenium Se content is formed on a germanium or III-V substrate by a treatment in which ammonia gas is added to hydrogen selenide gas. The Thereby, the defect density at the interface of germanium or a group III-V substrate can be reduced.

[キャパシタへの応用]
上記実施形態にかかるパッシベーション処理方法は、トランジスタの製造に用いられた。しかしながら、上記実施形態にかかるパッシベーション処理方法は、ゲルマニウムやIII−V族を含むキャパシタに適用可能である。上記実施形態にかかるパッシベーション処理方法により、ゲルマニウムやIII−V族半導体とその上に形成される酸化膜との界面の欠陥密度を低下させることができる。
[Application to capacitors]
The passivation processing method according to the above embodiment was used for manufacturing a transistor. However, the passivation method according to the above embodiment can be applied to capacitors including germanium and III-V groups. With the passivation treatment method according to the above embodiment, the defect density at the interface between germanium or a group III-V semiconductor and an oxide film formed thereon can be reduced.

図13は、本実施形態にかかるトリートメント(パッシベーション膜)の有無とキャパシタのC−V特性を示す。図13(a)は、本実施形態にかかるゲルマニウム基板に対してトリートメントを行わなかった場合のキャパシタの電圧Vに対する容量Cの特性(C−V特性)を示す。図13(b)は、本実施形態にかかるトリートメントを行なった場合のキャパシタのC−V特性を示す。各周波数は、ICチップ内のキャパシタに印加する電力の周波数である。   FIG. 13 shows the presence or absence of a treatment (passivation film) according to this embodiment and the CV characteristics of the capacitor. FIG. 13A shows the characteristic of the capacitance C (CV characteristic) with respect to the voltage V of the capacitor when the treatment is not performed on the germanium substrate according to the present embodiment. FIG. 13B shows the CV characteristics of the capacitor when the treatment according to this embodiment is performed. Each frequency is a frequency of power applied to the capacitor in the IC chip.

これによれば、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加してパッシベーション膜を成膜した場合、パッシベーション膜によりキャパシタのC−V特性が良好になっている。特に、図13(b)のWに示すように、曲線F1(1MHz)、曲線F2(500kHz)、曲線F3(200kHz)、曲線F4(100kHz)において良好なC−V特性が得られている。つまり、キャパシタの界面の欠陥密度が低い場合、周波数が高くても(例えば、100kHz、200kHz、500kHz)、良好な特性が得られていることがわかる。   According to this, when the passivation film is formed by adding ammonia gas to hydrogen sulfide gas, the CV characteristic of the capacitor is improved by the passivation film. In particular, as indicated by W in FIG. 13B, good CV characteristics are obtained in the curve F1 (1 MHz), the curve F2 (500 kHz), the curve F3 (200 kHz), and the curve F4 (100 kHz). That is, when the defect density at the interface of the capacitor is low, good characteristics can be obtained even when the frequency is high (for example, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz).

これに対して、本実施形態にかかるトリートメントを行なっていない場合、図13(a)のUに示すように、キャパシタのC−V特性にバラツキがある。つまり、この場合、キャパシタの界面の欠陥密度が高く、良好な特性が得られていないことがわかる。   On the other hand, when the treatment according to the present embodiment is not performed, the CV characteristics of the capacitors vary as indicated by U in FIG. That is, in this case, it can be seen that the defect density at the interface of the capacitor is high and good characteristics are not obtained.

以上から、本実施形態のパッシベーション処理方法によれば、硫化水素ガスにアンモニアガスを添加したトリートメントにより硫黄Sの含有率が高いパッシベーション膜がゲルマニウムやIII−V族の基板の上に成膜される。これにより、ゲルマニウムやIII−V族の基板の界面における欠陥密度を低下させ、モビリティを高めることができる。   From the above, according to the passivation treatment method of the present embodiment, a passivation film having a high sulfur S content is formed on a germanium or III-V group substrate by a treatment in which ammonia gas is added to hydrogen sulfide gas. . Thereby, the defect density in the interface of a germanium or a III-V group board | substrate can be reduced, and mobility can be improved.

また、本実施形態のパッシベーション処理方法によれば、セレン化水素ガスにアンモニアガスを添加したトリートメントによりセレンSeの含有率が高いパッシベーション膜がゲルマニウムやIII−V族の基板の上に成膜される。これにより、ゲルマニウムやIII−V族の基板の界面における欠陥密度を低下させ、モビリティを高めることができる。   In addition, according to the passivation treatment method of the present embodiment, a passivation film having a high selenium Se content is formed on a germanium or III-V substrate by a treatment in which ammonia gas is added to hydrogen selenide gas. . Thereby, the defect density in the interface of a germanium or a III-V group board | substrate can be reduced, and mobility can be improved.

以上、パッシベーション処理方法、半導体構造の形成方法及び半導体構造を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるパッシベーション処理方法、半導体構造の形成方法及び半導体構造は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。また、上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。   As described above, the passivation processing method, the semiconductor structure forming method, and the semiconductor structure have been described in the above embodiments, but the passivation processing method, the semiconductor structure forming method, and the semiconductor structure according to the present invention are not limited to the above embodiments. Various modifications and improvements are possible within the scope of the present invention. Moreover, the matters described in the plurality of embodiments can be combined within a consistent range.

例えば、パッシベーション膜を成膜する工程は、硫化水素(HS)ガス又はセレン化水素(HSe)ガスと、アンモニア(NH)ガスに加えてN2等の不活性ガスを加えてもよい。ただし、硫化水素ガス又はセレン化水素ガスの分圧は他のガスの分圧よりも高く制御することが好ましい。 For example, the passivation film may be formed by adding an inert gas such as N 2 in addition to hydrogen sulfide (H 2 S) gas or hydrogen selenide (H 2 Se) gas and ammonia (NH 3 ) gas. Good. However, it is preferable to control the partial pressure of hydrogen sulfide gas or hydrogen selenide gas higher than the partial pressure of other gases.

また、本発明により処理される基板は、ウェハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ(Flat Panel Display)用の大型基板、EL素子又は太陽電池用の基板であってもよい。太陽電池用の基板の場合、CIGS(CuInGaSe2)、CZTS(Cu2ZnSnS4)等の発電層の薄膜が、アンモニアを添加した硫化水素ガス又はアンモニアを添加したセレン化水素ガスの雰囲気で、かつ100℃〜500℃の温度で形成される。このとき形成される発電層は、バンドギャップが調整された結晶構造を有する。   The substrate to be processed according to the present invention is not limited to a wafer, and may be, for example, a large substrate for a flat panel display, a substrate for an EL element, or a solar cell. In the case of a substrate for a solar cell, a thin film of a power generation layer such as CIGS (CuInGaSe2) or CZTS (Cu2ZnSnS4) is in an atmosphere of hydrogen sulfide gas to which ammonia is added or hydrogen selenide gas to which ammonia is added, and 100 ° C. to 500 ° C. It is formed at a temperature of ° C. The power generation layer formed at this time has a crystal structure in which the band gap is adjusted.

1:成膜装置
10:ゲルマニウム基板
11:ガスシャワーヘッド
12:載置台
20:酸化ゲルマニウム膜
30:パッシベーション膜
40:自然酸化膜
50:High−k膜
60:金属膜
C:処理室
1: Film forming apparatus 10: Germanium substrate 11: Gas shower head 12: Mounting table 20: Germanium oxide film 30: Passivation film 40: Natural oxide film 50: High-k film 60: Metal film C: Processing chamber

Claims (7)

ゲルマニウム(Ge)又はIII−V族の基板を処理室内の載置台に載置する工程と、
硫化水素(HS)ガス又はセレン化水素(HSe)ガスと、アンモニア(NH)ガスとを前記処理室内に供給し、前記ゲルマニウム又はIII−V族の基板の上に硫黄(S)又はセレン(Se)を含有するパッシベーション膜を成膜する工程と、
を有するパッシベーション処理方法。
Placing a germanium (Ge) or III-V group substrate on a mounting table in the processing chamber;
Hydrogen sulfide (H 2 S) gas or hydrogen selenide (H 2 Se) gas and ammonia (NH 3 ) gas are supplied into the processing chamber, and sulfur (S) is deposited on the germanium or III-V substrate. ) Or a passivation film containing selenium (Se),
A passivation processing method comprising:
前記載置台の温度を50℃〜250℃に制御する、
請求項1に記載のパッシベーション処理方法。
Controlling the temperature of the mounting table to 50 ° C. to 250 ° C.,
The passivation processing method according to claim 1.
前記処理室の圧力を3Torr〜200Torrに制御する、
請求項1又は2に記載のパッシベーション処理方法。
Controlling the pressure of the processing chamber to 3 Torr to 200 Torr;
The passivation processing method according to claim 1 or 2.
硫化水素(HS)ガスに対するアンモニア(NH)ガスの流量比を10%以上に制御する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のパッシベーション処理方法。
Controlling the flow rate ratio of ammonia (NH 3 ) gas to hydrogen sulfide (H 2 S) gas to 10% or more,
The passivation processing method as described in any one of Claims 1-3.
硫化水素(HS)ガス又はセレン化水素(HSe)ガスと、アンモニア(NH)ガスとともに不活性ガスを供給する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のパッシベーション処理方法。
Supplying an inert gas together with hydrogen sulfide (H 2 S) gas or hydrogen selenide (H 2 Se) gas and ammonia (NH 3 ) gas;
The passivation processing method as described in any one of Claims 1-4.
半導体構造の形成方法であって、
ゲルマニウム(Ge)又はIII−V族の基板を処理室内の載置台に載置する工程と、
硫化水素(HS)ガス又はセレン化水素(HSe)ガスと、アンモニア(NH)ガスとを前記処理室内に供給し、前記ゲルマニウム又はIII−V族の基板の上に硫黄(S)又はセレン(Se)を含有するパッシベーション膜を成膜する工程と、
前記パッシベーション膜の上に誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜の上に金属膜を形成する工程と、
を有する、半導体構造の形成方法。
A method for forming a semiconductor structure, comprising:
Placing a germanium (Ge) or III-V group substrate on a mounting table in the processing chamber;
Hydrogen sulfide (H 2 S) gas or hydrogen selenide (H 2 Se) gas and ammonia (NH 3 ) gas are supplied into the processing chamber, and sulfur (S) is deposited on the germanium or III-V substrate. ) Or a passivation film containing selenium (Se),
Forming a dielectric film on the passivation film;
Forming a metal film on the dielectric film;
A method for forming a semiconductor structure comprising:
ゲルマニウム(Ge)又はIII−V族の基板と、
硫化水素(HS)ガス又はセレン化水素(HSe)ガスと、アンモニア(NH)ガスとにより、前記基板の上に形成された硫黄(S)又はセレン(Se)を含有するパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜の上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜の上に形成された金属膜と、
を有する半導体構造。
Germanium (Ge) or III-V substrate;
Passivation containing sulfur (S) or selenium (Se) formed on the substrate by hydrogen sulfide (H 2 S) gas or hydrogen selenide (H 2 Se) gas and ammonia (NH 3 ) gas. A membrane,
A dielectric film formed on the passivation film;
A metal film formed on the dielectric film;
A semiconductor structure.
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