專利名稱：一種石墨烯調(diào)制的高K金屬柵Ge基MOS器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MOS器件的制作方法，特別是涉及一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸進(jìn)入到45nm技術(shù)節(jié)點以后，為了減小柵隧穿電流，降低器件的功耗，并徹底消除多晶硅耗盡效應(yīng)和P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(PM0SFET)中硼穿透引起的可靠性問題，緩解費米能級釘扎效應(yīng)，高介電常數(shù)(k)/金屬柵材料已經(jīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2/多晶硅(poly)結(jié)構(gòu)成為了必然的選擇。然而，根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(international technology roadmap for semiconductor, ITRS), CMOS 技術(shù)將于2015-2020年進(jìn)入16nm技術(shù)節(jié)點。CMOS邏輯器件等比例縮小將面臨更多的挑戰(zhàn)。為了跨越尺寸縮小所帶來的這些障礙，要求把最先進(jìn)的工藝技術(shù)整合到產(chǎn)品制造過程中。根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)展趨勢，被引入到16nm節(jié)點的新的技術(shù)應(yīng)用，涉及如下幾個方面:浸入式光刻的延伸技術(shù)、遷移率增強(qiáng)襯底技術(shù)、超淺結(jié)(ultra-shallow junction, USJ)以及其他應(yīng)變增強(qiáng)工程等方法。其中遷移率增強(qiáng)襯底技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注。鍺(Germanium，Ge)因其極高的載流子遷移率，且與半導(dǎo)體工藝兼容，被認(rèn)為是最具潛力的高遷移率半導(dǎo)體材料。鍺的帶隙寬度為0.66eV,電子遷移率與空穴遷移率分別是Si的2.6與4.2倍，而且遷移率還可以通過應(yīng)變增強(qiáng)技術(shù)得到進(jìn)一步提高，是CMOS器件理想的溝道材料。然而，Ge的氧化物在性質(zhì)上不同于Si的氧化物，GeO2在常溫下很容易吸收水分子而變得不穩(wěn)定。而且在溫度升高時，GeO2會與Ge反應(yīng)生成GeO，導(dǎo)致在MOS工藝下高k/Ge結(jié)構(gòu)界面不穩(wěn)定。此外，由于高k/Ge界面容易發(fā)生嚴(yán)重的互擴(kuò)散還會導(dǎo)致介質(zhì)層性能下降、器件柵極漏電流嚴(yán)重等問題。針對高k/Ge界面結(jié)構(gòu)所面臨的挑戰(zhàn)，石墨烯被認(rèn)為是有機(jī)材料中最穩(wěn)定的二維材料，而且具有超強(qiáng)的柔韌性以及超高的致密度。最新的研究表明，石墨烯不僅具有超高的載流子遷移率，同時也具有很好的鈍化效果。研究發(fā)現(xiàn)，通過化學(xué)氣相沉積的方法將石墨烯生長到銅或銅鎳合金表面，能夠很好的阻止金屬材料被氧化。在N1、Al、Au與Si襯底之間引入石墨烯，可以很好在較高溫度條件下作為鈍化層抑制不同薄層之間原子的擴(kuò)散。另外，研究表明石墨烯的導(dǎo)體特性可以通過H、O或者F等離子體處理向半導(dǎo)體甚至絕緣體轉(zhuǎn)變。因此，在高k柵介質(zhì)材料與鍺襯底之間引入等離子處理的石墨烯阻擋層，有望在不影響溝道特性的前提下解決不穩(wěn)定GeOx生成和Ge與高k間的互擴(kuò)散難題。該研究成果將拓展石墨烯材料的應(yīng)用領(lǐng)域，推動微電子技術(shù)延續(xù)摩爾定律不斷發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中不穩(wěn)定GeOx生成和Ge與高k金屬柵間的互擴(kuò)散的問題。
為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，至少包括以下步驟:I)于Ge基襯底上引入石墨稀薄月旲；2)對所述石墨烯薄膜進(jìn)行氟化處理形成氟化石墨烯絕緣薄層；3)采用臭氧等離子體活化所述氟化石墨烯表面，然后通過原子層沉積技術(shù)于所述氟化石墨烯表面形成高k柵介質(zhì)；4)于所述高k柵介質(zhì)表面形成金屬電極。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，還包括以下步驟:5)去除部分的金屬電極、高k柵介質(zhì)及氟化石墨烯，形成MOS器件的柵極結(jié)構(gòu)；6)通過離子注入工藝形成MOS器件的源區(qū)和漏區(qū)；7)制作源區(qū)電極及漏區(qū)電極。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)包括以下步驟:1-1)于金屬襯底上生長石墨烯薄膜；1-2)將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至所述Ge基襯底上；1-3)退火加固所述石墨烯薄膜及Ge基襯底的結(jié)合。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)采用化學(xué)氣相沉積法于所述Ge基襯底表面原位生長石墨烯薄膜。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，采用XeF2氣體對所述石墨烯薄膜進(jìn)行等離子體氟化處理。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，所述高k柵介質(zhì)的材料為Hf基介質(zhì)。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)采用物理氣相沉積法形成所述金屬電極，所述金屬電極為Pt電極。作為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)后還包括于N2及O2氣氛中退火并進(jìn)行界面的擴(kuò)散及電性能測試的步驟。如上所述，本發(fā)明提供一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，包括步驟:1)于Ge基襯底上引入石墨烯薄膜；2)對所述石墨烯薄膜進(jìn)行氟化處理形成氟化石墨烯；3)采用臭氧等離子體活化所述氟化石墨烯表面，然后通過原子層沉積技術(shù)于所述氟化石墨烯表面形成高k柵介質(zhì)；4)于所述高k柵介質(zhì)表面形成金屬電極。本發(fā)明具有以下有益效果:I)采用石墨烯作為鈍化層抑制GeOx中間層的產(chǎn)生，阻擋界面原子互擴(kuò)散，調(diào)制HfO2/Ge堆疊結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì)，同時利用石墨烯二維材料特性，有效控制MOS器件介質(zhì)層的EOT ；2)整合HfO2作為介質(zhì)材料的優(yōu)良性質(zhì)以及Ge作為襯底材料所具有的超高遷移率特性；3)采用氟化處理石墨烯使石墨烯由導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體，降低石墨烯鈍化層對溝道特性的影響；采用臭氧等離子處理Ge基石墨烯，為超薄HfO2生長提供必要條件。


圖1a 圖2b顯示為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 圖4顯示為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 圖6顯示為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7 圖8顯示為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法步驟4)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9顯示為本發(fā)明的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法步驟5)
7)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號說明
101Ge基襯底
102石墨烯薄膜
103PMMA 基底
104CH4
105H2 106氟化石墨烯
107高k柵介質(zhì)
108金屬電極
109源區(qū)
110漏區(qū)
111源區(qū)電極
112漏區(qū)電極
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請參閱Ia 圖9。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。如圖1a 圖9所不，本實施例提供一種石墨稀調(diào)制的聞k金屬棚Ge基MOS器件的制作方法，至少包括以下步驟:
如圖1a 圖2b所示，首先進(jìn)行步驟1)，于Ge基襯底101上引入石墨烯薄膜102。如圖1a Ib所示，在一具體的實施過程中，步驟I)包括以下步驟:首先進(jìn)行步驟1-1)，于金屬襯底上生長石墨烯薄膜102。作為示例，所述金屬襯底為銅或鎳等。然后進(jìn)行步驟1-2)，將所述石墨烯薄膜102轉(zhuǎn)移至所述Ge基襯底101上。作為示例，先將金屬襯底上生長的石墨烯薄膜102轉(zhuǎn)移至PMMA基底103上，然后藉由該P(yáng)MMA基底103將石墨烯薄膜102貼合至Ge基襯底101表面，接著采用丙酮溶液清洗去除所述PMMA基底103。最后進(jìn)行步驟1-3)，退火加固所述石墨烯薄膜102及Ge基襯底101的結(jié)合。如圖2a 圖2b所示，在另一具體的實施過程中，步驟I)采用化學(xué)氣相沉積法于所述Ge基襯底101表面原位生長石墨烯薄膜102。作為示例，以H2105和CH4104作為反應(yīng)氣體，在較低的溫度下采用化學(xué)氣相沉積法于所述Ge基襯底101表面原位生長石墨烯薄膜102。所述石墨烯薄膜102可以作為鈍化層抑制Ge基襯底101中非穩(wěn)定氧化物GeOx形成，同時阻擋后續(xù)高k柵介質(zhì)107與Ge基襯底101之間的互擴(kuò)散。如圖3 圖4所示，然后進(jìn)行步驟2)，對所述石墨烯薄膜102進(jìn)行氟化處理形成氟化石墨烯106絕緣薄層。作為示例，將所述石墨烯薄膜102置于等離子設(shè)備中，采用離化的XeF2氣體對所述石墨烯薄膜102進(jìn)行等離子體氟化處理，形成氟化石墨烯106絕緣薄層。氟化石墨烯106能夠在保持石墨烯相關(guān)優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上使石墨烯變?yōu)橘|(zhì)量較好的絕緣體，利用等離子體氟化處理石墨烯可以減少其對Ge溝道材料電學(xué)性能的影響。如圖5 圖6所示，接著進(jìn)行步驟3)，采用臭氧等離子體活化所述氟化石墨烯106表面，然后通過原子層沉積技術(shù)于所述氟化石墨烯106表面形成高k柵介質(zhì)107。作為示例，所述高k柵介質(zhì)107的材料為Hf基介質(zhì)，在本實施例中，所述高k柵介質(zhì)107的材料為HfO2。當(dāng)然，在其它的實施例中，所述高k柵介質(zhì)107也可以為Hf0N、HfA10、HfAlON, HfTaO, HfTaON, HfSiO, HfSiON, HfLaO 或者 HfLaON 等。由于石墨烯是二維材料，很難直接采用原子層沉積ALD技術(shù)在其上沉積高質(zhì)量的金屬氧化層，而采用臭氧等離子表面活化技術(shù)能夠在石墨烯表面產(chǎn)生懸掛鍵，為后續(xù)ALD前驅(qū)體表面吸附提供必要的條件，獲得高質(zhì)量的超薄的高k柵介質(zhì)107層。如圖7 圖8所示，最后進(jìn)行步驟4)，于所述高k柵介質(zhì)107表面形成金屬電極108。作為示例，采用物理氣相沉積法形成所述金屬電極108，所述金屬電極108為Pt電極。當(dāng)然，所述金屬電極108也可以是如Au等其它的金屬。作為示例，步驟4)后還包括于N2及O2氣氛中退火并進(jìn)行界面的擴(kuò)散及電性能測試的步驟。該步驟可以用于研究Hf基高k金屬柵與Ge界面的擴(kuò)散行為及相關(guān)電學(xué)性質(zhì)，具體地，采用常規(guī)的MOS工藝退火后，可以采用高分辨透射電鏡對樣品界面狀態(tài)進(jìn)行表征，采用XPS深度分析研究退火前后的界面處元素分布情況等。如圖8所示，于高k金屬柵及Ge基襯底101界面間增加一層氟化石墨烯106薄膜102，可以阻擋界面原子互擴(kuò)散，調(diào)制Hf02/Ge堆疊結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì)。同時利用石墨烯二維材料特性，有效控制MOS器件介質(zhì)層的EOT。如圖9所示，作為示例，形成Ge基襯底101/氟化石墨烯106/高k金屬柵堆疊結(jié)構(gòu)后，還包括采用常規(guī)的MOS工藝形成MOS器件的步驟，具體地，至少還包括以下步驟:首先進(jìn)行步驟5)，去除部分的金屬電極108、高k柵介質(zhì)107及氟化石墨烯106，形成MOS器件的柵極結(jié)構(gòu)。作為示例，采用干法刻蝕工藝形成所述柵極結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行步驟6)，通過離子注入工藝形成MOS器件的源區(qū)109和漏區(qū)110。作為示例，可以先通過離子注入工藝及退火工藝形成淺摻雜漏LDD。作為示例，可以于柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁形成保護(hù)如氧化硅、氮化硅等側(cè)墻結(jié)構(gòu)。作為示例，所述MOS器件可以是PMOS、NMOS或CMOS器件，可以通過不同類型的離子注入實現(xiàn)不同類型的MOS器件。最后進(jìn)行步驟7)，制作源區(qū)電極111及漏區(qū)電極112。作為示例，所述源區(qū)電極111及漏區(qū)電極112可以通過直接濺射或電鍍工藝形成，也可以通過沉積后退火形成金屬鍺化物作為電極。綜上所述，本發(fā)明提供一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，包括步驟:1)于Ge基襯底101上引入石墨烯薄膜102 ;2)對所述石墨烯薄膜102進(jìn)行氟化處理形成氟化石墨烯106 ;3)采用臭氧等離子體活化所述氟化石墨烯106表面，然后通過原子層沉積技術(shù)于所述氟化石墨烯106表面形成高k柵介質(zhì)107 ；4)于所述高k柵介質(zhì)107表面形成金屬電極108。本發(fā)明具有以下有益效果:I)采用石墨烯作為鈍化層抑制GeOx中間層的產(chǎn)生，阻擋界面原子互擴(kuò)散，調(diào)制Hf02/Ge堆疊結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì)，同時利用石墨烯二維材料特性，有效控制MOS器件介質(zhì)層的EOT ；2)整合HfO2作為介質(zhì)材料的優(yōu)良性質(zhì)以及Ge作為襯底材料所具有的超高遷移率特性；3)采用氟化處理石墨烯使石墨烯由導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體，降低石墨烯鈍化層對溝道特性的影響；采用臭氧等離子處理Ge基石墨烯，為超薄HfO2生長提供必要條件。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于，至少包括以下步驟: 1)于Ge基襯底上引入石墨烯薄膜； 2)對所述石墨烯薄膜進(jìn)行氟化處理形成氟化石墨烯絕緣薄層； 3)采用臭氧等離子體活化所述氟化石墨烯表面，然后通過原子層沉積技術(shù)于所述氟化石墨稀表面形成聞k棚介質(zhì)； 4)于所述高k柵介質(zhì)表面形成金屬電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于，還包括以下步驟: 5)去除部分金屬電極、高k柵介質(zhì)及氟化石墨烯，形成MOS器件的柵極結(jié)構(gòu)； 6)通過離子注入工藝形成MOS器件的源區(qū)和漏區(qū)； 7)制作源區(qū)電極及漏區(qū)電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于:步驟I)包括以下步驟: 1-1)于金屬襯底上生長石墨烯薄膜； 1-2)將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至所述Ge基襯底上； 1-3)退火加固所述石墨烯薄膜及Ge基襯底的結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于:步驟I)采用化學(xué)氣相沉積法于所述Ge基襯底表面原位生長石墨烯薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于:步驟2)中，采用XeF2氣體對所述石墨烯薄膜進(jìn)行等離子體氟化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于，所述高k柵介質(zhì)的材料為Hf基介質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于:步驟4)采用物理氣相沉積法形成所述金屬電極，所述金屬電極為Pt電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，其特征在于:步驟4)后還包括于N2及O2氣氛中退火并進(jìn)行界面的擴(kuò)散及電性能測試的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種石墨烯調(diào)制的高k金屬柵Ge基MOS器件的制作方法，包括步驟1)于Ge基襯底上引入石墨烯薄膜；2)對石墨烯薄膜進(jìn)行氟化處理形成氟化石墨烯；3)采用臭氧等離子體活化氟化石墨烯表面，然后通過原子層沉積技術(shù)于氟化石墨烯表面形成高k柵介質(zhì)；4)于高k柵介質(zhì)表面形成金屬電極。本發(fā)明利用石墨烯作為鈍化層抑制Ge基襯底表面非穩(wěn)定氧化物GeOx形成，同時阻擋柵介質(zhì)與Ge基襯底間的互擴(kuò)散，提高Ge與高k柵介質(zhì)層之間的界面性質(zhì)。氟化石墨烯能夠在保持石墨烯優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上使石墨烯變?yōu)橘|(zhì)量較好的絕緣體，減少其對Ge基器件電學(xué)性能的影響。采用臭氧等離子處理Ge基石墨烯，然后采用原子層沉積技術(shù)可以獲得超薄的Hf基高k柵介質(zhì)層。
文檔編號H01L21/336GK103208425SQ20131009530
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者狄增峰, 鄭曉虎, 王剛, 張苗, 王曦 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所