專(zhuān)利名稱(chēng)：砷化鎵表面自體氧化物清洗、純化及淀積Al₂O₃介質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種砷化鎵表面自體氧化物的清洗和進(jìn)一步淀積Al2O3介質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子產(chǎn)業(yè)和光電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)GaAs等III-V族化合物半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體激光器、光纖通信光接收組件、高速和高頻半導(dǎo)體器件的需求越來(lái)越大，所以GaAs 等III- V族化合物半導(dǎo)體材料的研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。GaAs本征材料由于具有很高的電子遷移率、較大的禁帶寬度(1.4;3eV)和較低載流子濃度，因而在高速器件和高溫環(huán)境中獲得廣泛運(yùn)用。GaAs被認(rèn)為是后硅時(shí)代(Post-Silicon)中非常有可能取代硅(Si)作為CMOS器件的溝道材料。但是，由于GaAs暴露在空氣中很容易被氧化生成一系列復(fù)雜的氧化物和砷單質(zhì)，這使得GaAs材料的表面缺陷很多，無(wú)法直接用于和微電子器件和光電子器件中。無(wú)法制備出清潔表面的GaAs和缺少合適的鈍化GaAs表面的介質(zhì)材料是長(zhǎng)期以來(lái)是阻礙GaAs材料大規(guī)模應(yīng)用的最大的問(wèn)題。上世紀(jì)六、七十年代，借鑒Si氧化后能生成高質(zhì)量的SiO2薄膜的思路，科研人員曾花費(fèi)大量精力研究GaAs的自體氧化物作為鈍化介質(zhì)，但最后都以失敗告終。深入的研究發(fā)現(xiàn)，砷的氧化物是不穩(wěn)定的，自體氧化層與GaAs之間有很高的界面態(tài)密度，它們對(duì)載流子起著散射中心和非輻射復(fù)合中心的作用，減小載流子的遷移率，并引起費(fèi)米能級(jí)釘扎，因而嚴(yán)重影響到器件的電學(xué)和光學(xué)特性。采用常規(guī)的GaAs清洗流程后，GaAs表面自體氧化物并不能完全清除，而且清洗過(guò)程結(jié)束后的GaAs樣品到下一步的工藝步驟之間無(wú)法避免在空氣中暴露。清潔的GaAs表面具有很活潑的化學(xué)性質(zhì)，GaAs樣品的表面會(huì)和空氣中的氧氣發(fā)生如下的一系列反應(yīng)
302+2GaAs=As203+Ga203(1)
402+2GaAs=As205+Ga203(2)
As203+2GaAs=Ga203+4As(3)
3As205+10GaAs=5Ga203+16As(4)
從而在GaAs表面生成了 Ga203、As2O3和As等成分。1987年sandroff等首先提出了硫化物水溶液鈍化GaAs表面的硫鈍化方法。他們使用Na2S · 9H20溶液來(lái)鈍化Al^iihAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)器件，使HBT的小電流放大系數(shù)提高達(dá)60倍，鈍化后樣品的光致發(fā)光(PL)強(qiáng)度增加了 250倍。濕法硫鈍化的機(jī)理是通過(guò)溶液中的S2_離子和GaAs的自體氧化物以及砷單質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，生成以GaxSy 和AsxSy為主的致密的鈍化層。硫鈍化方法有效地去除表面不穩(wěn)定氧化物，生成硫化物層， 并且能抑制表面再次被氧化，使表面態(tài)密度下降，表面復(fù)合速率下降?；具_(dá)到了降低表面態(tài)密度(電子學(xué)鈍化)和提高穩(wěn)定性(化學(xué)鈍化)的效果。近些年來(lái)，有關(guān)GaAs材料的各種硫鈍化方法不斷被發(fā)明和采用，極大地改善了 GaAs的表面特性。通常GaAs采用的是(NH4)2S鈍化液，(NH4)2S水解能夠產(chǎn)生大量S2_和HS_離子， 由于反應(yīng)速度很快，會(huì)使得GaAs表面腐蝕比較嚴(yán)重，產(chǎn)生較多的凹坑。而且溶液中的水會(huì)導(dǎo)致GaAs在有氧環(huán)境中被再次氧化，生成的硫化物厚度較薄，這對(duì)后續(xù)工藝而言來(lái)說(shuō)是很不利的。獲得清潔的無(wú)氧GaAs襯底表面是生長(zhǎng)高質(zhì)量薄膜的先決條件，為此這里采用了 CH3CSNH2,乙醇和氨水的混合液緩慢水解形成HS—和S2—離子來(lái)鈍化GaAs表面，生成更為致密且更厚的硫化物，這層硫化物將GaAs和外界環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)。由于醇溶液的相對(duì)介電系數(shù)比水要低很多，HS_、S2_離子和GaAs表面的靜電吸附能力增強(qiáng)，氨水(PH>7)的堿性環(huán)境促進(jìn)水解產(chǎn)生HS_和S2_離子，從而有利于S與GaAs表面原子形成共價(jià)鍵，其鈍化的GaAs表面具有較低的界面態(tài)密度、腐蝕的凹坑數(shù)目較少。硫鈍化雖然消除了 GaAs表面大部分的自體氧化物和單質(zhì)砷，但是鈍化形成的硫化物，尤其是As-S仍然會(huì)在GaAs禁帶中形成新的缺陷能級(jí)，因此GaAs表面的費(fèi)米能級(jí)釘扎仍然無(wú)法消除。As-S鍵在350°C左右的溫度下，會(huì)分解而脫離GaAs表面，而fei-S鍵在 460°C的溫度下仍然具有穩(wěn)定性。另一方面，在原子層淀積(ALD)工藝中，反應(yīng)源和淀積的襯底表面發(fā)生的自清洗現(xiàn)象逐漸被認(rèn)識(shí)和利用，它是指吸附在襯底表面的反應(yīng)源會(huì)和襯底上的氧化物等發(fā)生反應(yīng)，這樣襯底上的氧化物等會(huì)被清洗干凈。本發(fā)明利用三甲基鋁(TMA) 和Ai^xSy GaxSy,AsxOy,GaxOy,As等之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以及ALD工藝中的熱效應(yīng)使GaAs上殘留的硫化物和自體氧化物揮發(fā)而脫離GaAs表面，從而在淀積Al2O3薄膜介質(zhì)之前能夠獲得清潔的襯底表面。根據(jù)摩爾定律，器件的尺寸不斷縮小，工作速度越來(lái)越快，功耗也越來(lái)越小。器件尺寸不斷縮小的的趨勢(shì)也體現(xiàn)在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)的柵氧化層厚度(T。x)的減薄上。由量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的柵極泄漏電流隨柵極氧化層厚度的減小而指數(shù)上升，當(dāng)柵氧化層厚度小于2nm時(shí)，量子隧穿效應(yīng)帶來(lái)柵極泄漏電流急速增加，最終導(dǎo)致器件性能的退化。由平行板電容器電容公式 ·￡" IS
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵表面自體氧化物清洗、純化及淀積Al2O3介質(zhì)的方法，其特征在于具體步驟為(1)砷化鎵樣品經(jīng)過(guò)常規(guī)的化學(xué)清洗后，立即放入事先配置好的硫鈍化溶液中，硫鈍化溶液由l-5g硫代乙酰胺、1-細(xì)1無(wú)水乙醇和Hml氨水所組成，鈍化反應(yīng)的溫度 250C _60°C，鈍化時(shí)間為 5-30min ；(2)鈍化結(jié)束后，再用去離子水漂洗砷化鎵樣品10-60秒，然后用高純的氮?dú)獯迪礃悠?5-15秒，然后立刻裝入原子層淀積反應(yīng)腔中；(3)在生長(zhǎng)氧化鋁薄膜介質(zhì)之前，先進(jìn)行砷化鎵樣品的三甲基鋁的預(yù)處理反應(yīng)，預(yù)處理的條件為三甲基鋁氣體通入原子層淀積反應(yīng)腔中2-8分鐘，氮?dú)獯迪?0-60秒鐘；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于步驟(4)中單個(gè)反應(yīng)周期依次為1-5秒的三甲基鋁氣體通入，2-10秒鐘的氮?dú)獯迪矗?-5秒的去離子水蒸汽通入，2-10秒的氮?dú)獯迪础?br> 全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種砷化鎵表面自體氧化物清洗、純化及淀積Al2O3介質(zhì)的方法。該方法包括使用新型的硫鈍化劑，與砷化鎵表面的自體氧化物發(fā)生反應(yīng)而清洗，并生成硫化物鈍化膜使砷化鎵和外界隔絕，從而防止了砷化鎵的再次氧化；利用ALD淀積Al2O3的反應(yīng)源三甲基鋁與砷化鎵表面進(jìn)行的預(yù)處理反應(yīng)，進(jìn)一步清洗GaAs表面的殘留自體氧化物和硫化物等，然后采用ALD淀積高質(zhì)量Al2O3介質(zhì)作為柵介質(zhì)，Al2O3介質(zhì)層將GaAs和外界環(huán)境很好地隔離開(kāi)來(lái)。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，效果良好，為進(jìn)一步制備GaAs的器件提供了前提條件。
文檔編號(hào)H01L21/67GK102339775SQ20111028567
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者孫清清, 張衛(wèi), 房潤(rùn)辰, 楊雯, 王鵬飛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)