專利名稱：一種鍺基mosfet柵介質(zhì)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，被視為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)進步和綜合國力的重要標(biāo)志。在過去的40多年中，以硅基CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的集成電路技術(shù)遵循摩爾定律通過縮小器件的特征尺寸來提高芯片的工作速度、增加集成度以及降低成本，集成電路的特征尺寸由微米尺度進化到納米尺度。但是當(dāng)MOS器件的柵長減小到90納米后，柵氧化層的厚度只有I. 2納米，摩爾定律開始面臨來自物理與技術(shù)方面的雙重挑戰(zhàn)。學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為，采用高遷移率溝道材料替代傳統(tǒng)硅材料將是CMOS技·術(shù)的重要發(fā)展方向，其中鍺溝道材料最有可能在近期實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。鍺的空穴遷移率和電子遷移率都比硅要高，鍺溝道CMOS器件已經(jīng)成為解決硅基CMOS遇到的問題的有效途徑。然而鍺基MOSFET亟需獲得熱穩(wěn)定高、界面態(tài)密度小、等效氧化層厚度薄的高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料，這已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點與難點。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，以在鍺表面形成熱穩(wěn)定高、界面態(tài)密度小、等效氧化層厚度薄的柵介質(zhì)。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，包括步驟I :清洗鍺襯底表面；步驟2 :在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層；步驟3 :利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，在阻擋層與鍺襯底的界面處形成二氧化鍺層；步驟4 :在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層。上述方案中，步驟I中所述鍺襯底包括鍺片、絕緣體上鍺片、硅上外延鍺片或化合物半導(dǎo)體上外延鍺片；所述清洗鍺襯底表面，首先用丙酮和乙醇各清洗1-10分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，接著采用氫氟酸、鹽酸的一種或兩種與去離子水混合后的溶液去除鍺襯底表面自然氧化物層。上述方案中，步驟2中所述在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層是采用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光濺射或分子束外延的方法在清洗后的鍺襯底表面沉積三氧化二鑭。所述三氧化二鑭的厚度在3埃至10納米之間。上述方案中，步驟3中所述利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，是利用直接離化的氧等離子體或間接離化的氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的襯底表面，氧等離子擴散進入到阻擋層與鍺襯底的界面處，從而氧化界面處的鍺，在該界面形成二氧化鍺層。所述直接離化的氧等離子體是由氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成的等離子體，或者是由氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種與氮氣、氦氣、氬氣中的的一種或多種混合后的氣體經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成的等離子體。所述間接離化的氧等離子體是由氮氣、氦氣、氬氣中的一種或多種經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成等離子體源，該等離子體源再與氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種混合氣體混合使其離化而形成的等離子體。所述等離子體發(fā)生器工作功率在0-200瓦每平方厘米之間。上述方案中，所述利用直接離化的氧等離子體或間接離化的氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的襯底表面，處理時間在I毫秒至I小時之間，處理溫度在20攝氏度至500攝氏度之間。上述方案中，步驟4中所述在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層，是采用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光濺射 或分子束外延的方法在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的氧化物作為柵氧化物層。所述高介電常數(shù)的氧化物包括鋁基、鋯基、鉿基、釓基、鎵基、鑭基或鉭基氧化物，氧化物中的摻雜元素為鋁、鋯、鉿、釓、鎵、鑭、鉭、氮或磷，氧化物中摻雜元素的原子數(shù)量與總的金屬元素的原子數(shù)量的比值=X : (Ι-x)，其中X的取值范圍為O < X < I ;所述柵氧化物層的厚度在3埃至10納米之間。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的方法，采用具有高介電常數(shù)的三氧化二鑭作為阻擋層材料，三氧化二鑭的介電常數(shù)在20以上，阻擋層等效氧化層厚度很??；三氧化二鑭和鍺界面比較穩(wěn)定，不易形成互擴散層；氧等離子體在氧化鍺表面時由于有阻擋層，鍺表面不易形成等離子表面損傷；通過控制氧等離子體表面處理時間，可以控制二氧化鍺層厚度，且鍺-二氧化鍺界面熱穩(wěn)定性高、界面態(tài)密度低；最上層?xùn)沤橘|(zhì)層沉積后，整個復(fù)合柵介質(zhì)得等效氧化層厚度可以達到小于I納米，從而提高了鍺溝道MOSFET器件的電學(xué)特性。


圖I為依照本發(fā)明實施例的制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的方法流程圖；圖2至圖5是依照本發(fā)明實施例的制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的工藝流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供的制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的方法，采用具有高介電常數(shù)的三氧化二鑭作為等離子氧化保護層，利用氧等離子體在鍺表面氧化形成一薄層二氧化鍺，從而形成高質(zhì)量氧化物-半導(dǎo)體界面，最后在三氧化二鑭表面沉積高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料，形成二氧化鍺-三氧化二鑭-高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料的復(fù)合柵介質(zhì)。該方法可以將鍺基MOSFET的等效氧化層厚度降低到I納米以下，從而有效提高了鍺基MOSFET的性能。如圖I所示，圖I為依照本發(fā)明實施例的制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的方法流程圖，該方法包括步驟I :清洗鍺襯底表面；
步驟2 :在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層；步驟3 :利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，在阻擋層與鍺襯底的界面處形成二氧化鍺層；步驟4 :在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層。其中，步驟I中所述鍺襯底包括鍺片、絕緣體上鍺片、硅上外延鍺片或化合物半導(dǎo)體上外延鍺片；所述清洗鍺襯底表面，首先用丙酮和乙醇各清洗1-10分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，接著采用氫氟酸、鹽酸的一種或兩種與去離子水混合后的溶液去除鍺襯底表面自然氧化物層。步驟2中所述在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層是采用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光濺射或分子束外延的方法在清洗后的鍺襯底表面沉積三氧化二鑭。所述三氧化二鑭的厚度在3埃至10納米之間。 步驟3中所述利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，是利用直接離化的氧等離子體或間接離化的氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的襯底表面，氧等離子擴散進入到阻擋層與鍺襯底的界面處，從而氧化界面處的鍺，在該界面形成二氧化鍺層。所述直接離化的氧等離子體是由氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成的等離子體，或者是由氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種與氮氣、氦氣、氬氣中的的一種或多種混合后的氣體經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成的等離子體。所述間接離化的氧等離子體是由氮氣、氦氣、氬氣中的一種或多種經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成等離子體源，該等離子體源再與氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種混合氣體混合使其離化而形成的等離子體。所述等離子體發(fā)生器工作功率在0-200瓦每平方厘米之間。所述利用直接離化的氧等離子體或間接離化的氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的襯底表面，處理時間在I毫秒至I小時之間，處理溫度在20攝氏度至500攝氏度之間。步驟4中所述在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層，是采用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光濺射或分子束外延的方法在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的氧化物作為柵氧化物層。所述高介電常數(shù)的氧化物包括鋁基、鋯基、鉿基、釓基、鎵基、鑭基或鉭基氧化物，氧化物中的摻雜元素為鋁、鋯、鉿、釓、鎵、鑭、鉭、氮或磷，氧化物中摻雜元素的原子數(shù)量與總的金屬元素的原子數(shù)量的比值=X (1-X)，其中X的取值范圍為0<X< I ;所述柵氧化物層的厚度在3埃至10納米之間。基于圖I所示的制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的方法流程圖，圖2至圖5示出了依照本發(fā)明實施例的制備鍺基MOSFET柵介質(zhì)的工藝流程圖，其中，201為鍺襯底；202為阻擋層；203為二氧化鍺層；204為柵氧化物層，該制備方法具體包括以下步驟步驟101 :開始，準(zhǔn)備鍺襯底201，采用丙酮和乙醇各清洗5分鐘，然后用去離子水沖洗I分鐘；接著采用鹽酸水體積比等于I : 2的溶液清洗鍺襯底表面I分鐘，并用去離子水沖洗I分鐘，重復(fù)溶液清洗和去離子水沖洗三次，氮氣吹干。在本實施例中，鍺襯底為單晶鍺片，圖2為鍺襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。步驟102:利用原子層沉積的方法，在熱生長模式下，三(2，2，6，6_四甲基-3，5-庚二酮酸)鑭作為鑭源，臭氧作為氧源，鑭源加熱到200攝氏度，反應(yīng)腔體溫度350攝氏度，在清洗干凈的鍺襯底表面沉積I納米的三氧化二鑭作為阻擋層202。圖3為在鍺襯底上沉積完三氧化二鑭后的結(jié)構(gòu)示意圖。步驟103 :利用原子層沉積系統(tǒng)，在等離子生長模式下，氧氣氮氣體積比等于I I的混合氣體，混合氣體流量300立方厘米每分鐘，經(jīng)過等離子發(fā)生器形成氧等離子體，等離子發(fā)生器功率設(shè)為100瓦每平方厘米，反應(yīng)腔溫度設(shè)定為350攝氏度，用氧等離子體處理步驟103獲得的襯底表面8秒，在阻擋層202與鍺襯底201界面形成O. 5納米左右厚度的二氧化鍺層203。圖4為利用氧等離子體處理沉積了三氧化二鑭的鍺襯底表面形成一薄層二氧化鍺層后的結(jié)構(gòu)示意圖。步驟104 :利用原子層沉積的方法，在熱生長模式下，三(2，2，6，6_四甲基_3，5-庚二酮酸)鑭作為鑭源，臭氧作為氧源，鑭源加熱到200攝氏度，反應(yīng)腔體溫度350攝氏度，在圖4獲得的鍺襯底表面沉積2納米的三氧化二鑭作為柵氧化物層204。圖5 為在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層后的結(jié)構(gòu)示意圖。這樣，在鍺襯底201表面復(fù)合柵介質(zhì)由O. 5納米二氧化鍺203、I納米三氧化二鑭阻擋層202和2納米三氧化二鑭柵氧化物層204構(gòu)成，等效氧化層厚度小于I納米。由于三氧化二鑭的介電常數(shù)在20以上，阻擋層等效氧化層厚度很??；三氧化二鑭和鍺界面比較穩(wěn)定，不易形成互擴散層；氧等離子體在氧化鍺表面時由于有阻擋層，鍺表面不易形成等離子表面損傷；通過控制氧等離子體表面處理時間，可以控制二氧化鍺層厚度，且鍺-二氧化鍺界面熱穩(wěn)定性高、界面態(tài)密度低；最上層?xùn)沤橘|(zhì)層沉積后，整個復(fù)合柵介質(zhì)得等效氧化層厚度可以達到小于I納米，從而提高鍺溝道MOSFET器件的電學(xué)特性。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，包括 步驟I :清洗鍺襯底表面； 步驟2 :在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層； 步驟3 :利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，在阻擋層與鍺襯底的界面處形成二氧化鍺層； 步驟4 :在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于， 步驟I中所述鍺襯底包括鍺片、絕緣體上鍺片、硅上外延鍺片或化合物半導(dǎo)體上外延錯片; 步驟I中所述清洗鍺襯底表面，首先用丙酮和乙醇各清洗1-10分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，接著采用氫氟酸、鹽酸的一種或兩種與去離子水混合后的溶液去除鍺襯底表面自然氧化物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，步驟2中所述在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層是采用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光濺射或分子束外延的方法在清洗后的鍺襯底表面沉積三氧化二鑭。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述三氧化二鑭的厚度在3埃至10納米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，步驟3中所述利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，是利用直接離化的氧等離子體或間接離化的氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的襯底表面，氧等離子擴散進入到阻擋層與鍺襯底的界面處，從而氧化界面處的鍺，在該界面形成二氧化鍺層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述直接離化的氧等離子體是由氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成的等離子體，或者是由氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種與氮氣、氦氣、氬氣中的的一種或多種混合后的氣體經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成的等離子體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述間接離化的氧等離子體是由氮氣、氦氣、氬氣中的一種或多種經(jīng)過等離子體發(fā)生器離化形成等離子體源，該等離子體源再與氧氣、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一種或多種混合氣體混合使其離化而形成的等離子體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述等離子體發(fā)生器工作功率在0-200瓦每平方厘米之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述利用直接離化的氧等離子體或間接離化的氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的襯底表面，處理時間在I毫秒至I小時之間，處理溫度在20攝氏度至500攝氏度之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，步驟4中所述在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層，是采用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光濺射或分子束外延的方法在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的氧化物作為柵氧化物層。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述高介電常數(shù)的氧化物包括鋁基、鋯基、鉿基、釓基、鎵基、鑭基或鉭基氧化物，氧化物中的摻雜元素為鋁、鋯、鉿、釓、鎵、鑭、鉭、氮或磷，氧化物中摻雜元素的原子數(shù)量與總的金屬元素的原子數(shù)量的比值=X (I-X)，其中X的取值范圍為OSx < I ;所述柵氧化物層的厚度在3埃至10納米之間?！?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種鍺基MOSFET柵介質(zhì)的制備方法，包括步驟1清洗鍺襯底表面；步驟2在清洗后的鍺襯底表面沉積阻擋層；步驟3利用氧等離子體處理所述沉積了阻擋層的鍺襯底表面，在阻擋層與鍺襯底的界面處形成二氧化鍺層；步驟4在氧等離子體氧化后的鍺襯底表面沉積高介電常數(shù)的柵氧化物層。利用本發(fā)明，可以將鍺基MOSFET的等效氧化層厚度降低到1納米以下，從而有效提高了鍺基MOSFET的性能。
文檔編號H01L21/28GK102931068SQ20121048278
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者孫兵, 劉洪剛, 王盛凱, 趙威 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所