專利名稱：一種鍺基襯底的表面鈍化方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體器件領域，具體涉及一種半導體表面鈍化方法。
背景技術：
在過去的40多年里，集成電路技術遵循摩爾定律迅速發(fā)展，通過減小金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)幾何尺寸，實現(xiàn)集成電路集成度及功能的迅速提升。但是，隨著器件特征尺寸縮小到納米尺度，器件特征尺寸的進一步縮小使晶體管逐漸達到物理和技術的雙重極限，傳統(tǒng)體Si器件性能難以按照以往速度進一步提升。進一步提高器件性能的有效方法之一是引入高遷移率溝道材料。由于同時具有較高的電子和空穴遷移率(室溫(300K)下，鍺溝道的電子遷移率是硅的2. 4倍，空穴是硅的4倍)，鍺材料以及鍺基器件成為一種選擇。
目前，在鍺基MOS器件的制備技術中，鍺襯底與柵介質之間的界面問題是影響鍺基MOS器件性能提高的關鍵因素之一。其界面處所存在問題主要有兩點，一是界面態(tài)密度高，二是表面鍺原子易外擴散。目前，解決該問題的主要方法大致分為兩大類。一是采用傳統(tǒng)硅技術中的H鈍化以及Cl鈍化等實現(xiàn)表面懸掛鍵鈍化以降低界面態(tài)，但研究表明，該方法的鈍化效果，如形成的Ge-H，Ge-Cl鍵化學穩(wěn)定性差，易斷裂，不能有效抑制鍺表面原子的外擴散問題。二是在鍺襯底和柵介質的界面處插入一層超薄層，可以是介質也可以是半導體外延層，如Si02、Ge0xNy、Si等,但這種方法不利于等效柵氧化層厚度(EOT)的減薄。因此，對于鍺基器件制備，需要一種鈍化辦法來以同時實現(xiàn)如下效果表面懸掛鍵鈍化、抑制表面鍺原子擴散以及有利于EOT減薄。
發(fā)明內容
為了滿足鍺基器件制備的需要，本發(fā)明提出了一種通過等離子浴處理(所謂等離子體浴處理將需要處理的基片置于反應氣體電離形成的等離子體環(huán)境中)，用多鍵原子(即原子最外層電子數(shù)小于7，能形成多個共價鍵的非金屬原子，比如氮，硫，磷等)實現(xiàn)鍺襯底的表面鈍化的方法。本發(fā)明的具體技術方案如下一種鍺基襯底的表面鈍化方法，其步驟包括I)對鍺襯底基片表面進行清洗，以去除表面沾污和自然氧化層；2)將鍺襯底基片放入等離子體腔內；3)利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體并對鍺襯底基片進行等離子浴處理；4)淀積柵介質，進行后續(xù)工藝以制備MOS電容或器件。所述步驟I)中，半導體鍺襯底可以是體Ge襯底、GOI襯底或任何表面含有Ge外延層的襯底。所述步驟2)中等離子體腔可以是感應耦合等離子體腔，也可以是其它任何可以產生等離子體的腔體。
所述步驟3)中反應氣體可以是多鍵原子對應的單質氣體(例如能形成三個共價鍵的氮原子對應的氮氣)或者含多鍵原子的氫化物(如含有能形成三個共價鍵的氮原子的氨氣，含有能形成個兩個共價鍵的硫原子的硫化氫及含有能形成三個共價鍵的磷原子的磷化氫等)，也可以是多鍵原子對應的單質氣體(或含多鍵原子的氫化物)與惰性原子氣體(如Ar氣)的混合氣體；所述步驟3)中反應氣體若只使用多鍵原子對應的單質氣體(或含多鍵原子的氫化物)，氣體流量為5 100sCCm ;對于多鍵原子對應的單質氣體(或含多鍵原子的氫化物)與惰性原子氣體(如Ar氣)的混合氣體的情況，多鍵原子對應的單質氣體(或含多鍵原子的氫化物)與惰性原子氣體的流量分別為5 100SCCm，2 100SCCm ；所述步驟3)中反應氣體的氣壓為8 200mTorr ；所述步驟3)中用于產生等離子體的功率為2(Tl500W ；所述步驟3)中等離子體浴處理時間為5s 60min ； 所述步驟I)飛)中以鍺襯底為例進行技術介紹，鍺襯底基片也可以是含鍺的化合物半導體襯底，比如SiGe，GeSn等；本發(fā)明利用等離子體浴的辦法，使活性的多鍵原子和鍺表面原子形成共價鍵連接，而不生成含鍺化合物的界面層。這樣，既鈍化了表面懸掛鍵從而降低界面態(tài)，又利用多鍵原子與鍺表面相鄰的鍺原子的多個單鍵鍵連接，降低鍺表面原子脫離鍺襯底表面而擴散的幾率，達到加固鍺表面原子和有效抑制表面鍺原子的外擴散效果；同時不會引入界面層而不利于EOT的減薄，如圖I所示(以氮原子鈍化為例)。該方法利用具有高價態(tài)(〈-I價)的離子對鍺表面進行鈍化，可有效鈍化鍺表面懸掛鍵、降低界面態(tài)，且能夠有效加固鍺表面原子以抑制表面鍺原子的擴散問題，同時有利于EOT的比例縮小。
圖I所示為本發(fā)明所提表面鈍化方法的原理示意圖；圖2所示為本發(fā)明所提出的表面鈍化方法的流程圖；圖3所示實施例表面鈍化方法示意圖；圖中I一氮原子；2—鍺原子；3—半導體鍺襯底；4一柵介質。
具體實施例方式以下結合附圖和鍺襯底，通過具體的實施例對本發(fā)明所述的方法做進一步描述。步驟I.對鍺襯底進行清洗，并清除表面氧化層，如圖3 (a)所示；步驟2.將清洗好的鍺襯底放入感應耦合等離子體腔，利用反應氣體產生等離子體并對鍺片進行等離子體浴處理。反應氣體可以是多鍵原子對應的單質氣體或者含多鍵原子的氫化物，也可以是多鍵原子對應的單質氣體(或含多鍵原子的氫化物)與惰性原子氣體(如Ar氣)的混合氣體。本實施優(yōu)選例為用N2與Ar混合氣體產生氮等離子體，對鍺襯底進行等離子體浴處理，如圖3(b)所示。其中，N2流量為5"l00sccm,本實施優(yōu)選例為16sccm ；Ar流量為2 IOOsccm,本實施優(yōu)選例為4sccm ;等離子體處理腔的氣壓為8 200mTorr,本實施優(yōu)選例為IOmTorr ;等離子體處理的功率為2(Tl500W，本實施優(yōu)選例為500W ;襯底溫度為室溫；等離子體浴處理的時間為5s 60min,如2min。步驟3.鍺襯底上淀積柵介質，如圖3(c)所示。其中柵介質可以是Si02、A1203、Y2O3、HfO2、ZrO2、GeO2、La2O3等，可以采用濺射、CVD、ALD、MBE等方法；柵介質厚度在2 20nm之間，如5nm ；上述實施例詳細描述了本發(fā)明所提出的表面鈍化方法。其中多鍵原子可以是氮，也可以是其它多價元素原子，且反應氣體除多鍵原子氣體與惰性原子氣體(如Ar氣)的混合氣體外，還可以是多鍵原子氣體(如多鍵原子氮對應氮氣)。本領域的技術人員應當理解，以上所述僅為本發(fā)明的特定實施例，在不脫離本發(fā)明實質的范圍內，可以使用其它材料實現(xiàn)本發(fā)明的鈍化效果，亦可以采用同樣方法在實施例中鍺襯底之外的其它半導體襯底上獲得同樣的效果，制備方法均不限于實施例中所公開的內容，凡依本發(fā)明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋 范圍。
權利要求
1.一種鍺基襯底的表面鈍化方法，其步驟包括 1)對鍺襯底基片表面進行清洗，以去除表面沾污和自然氧化層； 2)將鍺襯底基片放入等離子體腔內； 3)利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體并對鍺襯底基片進行等離子浴處理； 4)淀積柵介質； 5)進行后續(xù)工藝以制備MOS電容或器件。
2.如權利要求I所述的鍺基襯底的表面鈍化方法，其特征在于，所述步驟I)中，鍺襯底基片是體Ge襯底、GOI襯底或任何表面含有Ge外延層的襯底。
3.如權利要求I所述的鍺基襯底的表面鈍化方法，其特征在于，所述步驟2)中等離子體腔是感應耦合等離子體腔，或其它可以產生等離子體的腔體。
4.如權利要求I所述的鍺基襯底的表面鈍化方法，其特征在于，所述步驟3)中反應氣體是多鍵原子對應的單質氣體；或者反應氣體是含多鍵原子的氫化物；或者反應氣體是多鍵原子對應的單質氣體與惰性原子氣體的混合氣體；或者反應氣體是含多鍵原子的氫化物與惰性原子氣體的混合氣體。
5.如權利要求I所述的鍺基襯底的表面鈍化方法，其特征在于，所述步驟3)中反應氣體是多鍵原子對應的單質氣體或含多鍵原子的氫化物的情況，該氣體的流量為5 100sCCm ；對于反應氣體是多鍵原子對應的單質氣體與惰性原子氣體的混合氣體的情況，則多鍵原子對應的單質氣體的流量為5 100sCCm，惰性原子氣體的流量為2 100sCCm ;對于反應氣體是含多鍵原子的氫化物與惰性原子氣體的混合氣體的情況，則含多鍵原子的氫化物的流量為5 lOOsccm，惰性原子氣體的流量為2 lOOsccm。
6.如權利要求I所述的鍺基襯底的表面鈍化方法，其特征在于，所述步驟3)中反應氣體的氣壓為SlOOmTorr，用于產生等離子體的功率為2(T1500W，等離子浴處理時間為5s 60mino
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鍺基襯底的表面鈍化方法，屬于半導體器件表面鈍化方法。該方法包括1)對半導體鍺襯底表面進行清洗，以去除表面沾污和自然氧化層；2)將鍺基片放入等離子體腔內；3)利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體并對鍺片進行等離子體浴處理；4)淀積柵介質，進行后續(xù)工藝以制備MOS電容或器件。本發(fā)明利用等離子體浴的辦法，使多鍵原子和鍺表面原子懸掛鍵結合，而不生成含鍺的界面層。從而既鈍化了表面懸掛鍵從而降低界面態(tài)，又利用該多鍵原子與鍺表面相鄰的鍺原子的多鍵連接，降低鍺表面原子脫離鍺襯底表面而擴散的幾率，達到加固鍺表面原子和有效抑制表面鍺原子的外擴散效果；同時不會引入界面層而不利于EOT的減薄。
文檔編號H01L21/02GK102881562SQ201210383308
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權日2012年10月11日
發(fā)明者黃如, 云全新, 林猛, 李敏, 安霞, 黎明, 張興 申請人:北京大學