一種采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，該方法包括：選擇Ge襯底，去除Ge襯底表面的自然氧化層，然后將其轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，在Ge襯底表面沉積一層Al2O3薄膜作為氧化過程中的O3阻擋層；利用原子層沉積系統(tǒng)中的前驅(qū)體O3作為氧化劑，在Al2O3／Ge界面處氧化形成一層GeOx界面層；將在Al2O3／Ge界面處形成有超薄GeOx界面層的Ge襯底放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，在Al2O3薄膜上沉積高k柵介質(zhì)；利用快速退火爐對(duì)其先后進(jìn)行柵介質(zhì)沉積后退火及低溫氧氣退火，進(jìn)一步提升氧化物柵介質(zhì)質(zhì)量，改善高k介質(zhì)／Al2O3／GeOx／Ge界面質(zhì)量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了Ge基MOS器件中柵疊層所要求的界面穩(wěn)定性與高質(zhì)量，適用于Ge基MOS電容、MOSFET及其他含有Ge基柵疊層的器件。
【專利說明】一種采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采用原位臭氧氧化在Ge襯底上制備超薄氧化鍺(GeOx)界面修復(fù)層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來鍺(Ge)作為最具前景的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOSFETs)的襯底材料得到了廣泛的研究。相比于硅，鍺的載流子遷移率很高，其驅(qū)動(dòng)電流較小、適合于低溫工藝。為了實(shí)現(xiàn)高性能小尺寸的Ge基MOSFETs，高k柵疊層必須具有低界面態(tài)密度以及有效鈍化的界面層。高k柵介質(zhì)/ Ge的界面處需要特殊的界面層作為擴(kuò)散阻擋層，以阻止熱處理?xiàng)l件下高k金屬氧化物與Ge襯底的界面反應(yīng)。已經(jīng)報(bào)道的界面鈍化的方法有硫鈍化、氟鈍化、硅鈍化、等離子體氧化以及熱氧化等。其中在高k柵介質(zhì)與Ge界面處生長(zhǎng)薄層GeOx界面層是實(shí)現(xiàn)高性能Ge基MOSFETs的解決方法。
[0003]為獲取具有界面修復(fù)作用的GeOx，有研究人員通過熱氧化、中性氧離子氧化等方式獲取GeOx。現(xiàn)有其他制備氧化鍺界面層的方法所需條件較為苛刻，消耗成本也比較高昂。本發(fā)明提出了一種利用原位臭氧氧化來獲得GeOx界面修復(fù)層的方法，即在生長(zhǎng)高k介質(zhì)之前，利用原子層沉積系統(tǒng)中的前驅(qū)體O3生長(zhǎng)GeOx。本發(fā)明可以有效縮減制備成本，降低制備條件，而且可以減小晶圓在傳送過程中造成的污染。經(jīng)實(shí)驗(yàn)摸索，本發(fā)明采用薄層Al2O3來阻擋O3的擴(kuò)散，減緩氧化反應(yīng)，從而獲得較薄的GeOx界面修復(fù)層。
[0004]原位臭氧氧化方法使用Al2O3薄膜作為O3阻擋層，既可以減緩O3擴(kuò)散，減小氧化反應(yīng)速度，又能有效地抑制GeO解析，減小界面損傷。此方式不但可以生成具有修復(fù)界面作用的GeOx，減小界面態(tài)密度，而且還可以有效控制GeOx的厚度，以滿足較低EOT的要求。同時(shí)，沉積后退火與低溫氧化退火工藝的使用又可以進(jìn)一步改善柵介質(zhì)及界面質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明的主要目的是提供一種采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，以實(shí)現(xiàn)具有高界面質(zhì)量與穩(wěn)定性的高k柵介質(zhì)/ Ge柵疊層，提高Ge基MOS器件的電學(xué)性倉(cāng)泛。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，該方法包括以下步驟:
[0009]步驟1:選擇Ge襯底，去除Ge襯底表面的自然氧化層，然后將其轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，在Ge襯底表面沉積一層Al2O3薄膜作為氧化過程中的O3阻擋層；
[0010]步驟2:利用原子層沉積系統(tǒng)中的前驅(qū)體O3作為氧化劑，在Al2O3 / Ge界面處氧化形成一層GeOx界面層；
[0011]步驟3:將在Al2O3 / Ge界面處形成有超薄GeOxW面層的Ge襯底放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，在Al2O3薄膜上沉積高k柵介質(zhì)；
[0012]步驟4:利用快速退火爐對(duì)其先后進(jìn)行柵介質(zhì)沉積后退火及低溫氧氣退火，進(jìn)一步提升氧化物柵介質(zhì)質(zhì)量，改善高k介質(zhì)/ Al2O3 / GeOx/Ge界面質(zhì)量。
[0013]上述方案中，步驟I中所述的Ge襯底是由GOI襯底替換。所述的Al2O3薄膜的厚度為0.1?3nm。
[0014]上述方案中，步驟2中所述的原子層沉積系統(tǒng)中反應(yīng)腔體的溫度為30°C?400°C，氧化時(shí)間為I秒?I小時(shí)。
[0015]上述方案中，步驟3中所述的高k柵介質(zhì)為Al203、La203、Hf02&Y203中的一種、多種或其復(fù)合物。
[0016]上述方案中，步驟4中所述的柵介質(zhì)沉積后退火的氣體氛圍為O2，退火溫度為450°C?600°C，退火時(shí)間為I分鐘?I小時(shí)。步驟4中所述的低溫氧氣退火的溫度為300°C?450°C，退火時(shí)間為I分鐘?3小時(shí)。
[0017]上述方案中，還可以通過選擇不同厚度的Al2O3阻擋層，改變氧化溫度及時(shí)間來有效控制GeOx界面修復(fù)層的厚度及界面質(zhì)量，適用于Ge基MOS電容、MOSFET及含有Ge基柵疊層器件的制備。
[0018](三)有益效果
[0019]本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單易行、控制方便的在Ge襯底上制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法。這種方法不僅能夠在Ge襯底上實(shí)現(xiàn)超薄氧化鍺界面修復(fù)層，有效改善高k柵介質(zhì)/Ge界面質(zhì)量，還因?yàn)槠洳捎迷簧L(zhǎng)方式，使得制備工藝簡(jiǎn)化，減小其他污染，耗費(fèi)較小。通過改變氧化過程中的參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鍺質(zhì)量及厚度的有效控制。此種原位臭氧氧化制備氧化鍺界面層的方法還適用于Ge基MOS電容、MOSFET及其他含有Ge基柵疊層的器件。
[0020]本發(fā)明提供的這種在Ge襯底制備氧化鍺界面修復(fù)層的原位臭氧氧化方法，可以通過改變Al2O3阻擋層的厚度、氧化溫度及時(shí)間相結(jié)合，達(dá)到有效控制GeOx界面層厚度的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法流程圖；
[0022]圖2a至圖2d為依照本發(fā)明實(shí)施例的在Ge襯底制備GeOx界面修復(fù)層的工藝流程圖；
[0023]圖3a至圖3d為依照本發(fā)明實(shí)施例的將本發(fā)明制備GeOx界面修復(fù)層的方法應(yīng)用于一般MOSFET制作的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明提供了一種在Ge襯底采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，修復(fù)高k柵介質(zhì)/ Ge界面，以實(shí)現(xiàn)Ge基MOS器件中柵疊層所要求的界面穩(wěn)定性與高質(zhì)量。此方法包括以下步驟:先去除Ge襯底表面的自然氧化層，并迅速將其轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，沉積一層較薄Al2O3薄膜；然后利用原子層沉積系統(tǒng)里的前驅(qū)體O3作為氧化齊U，在Al2O3 / Ge界面處氧化形成一層GeOx界面層；接著繼續(xù)利用原子層沉積系統(tǒng)沉積高k柵介質(zhì)；最后利用快速退火爐先后進(jìn)行柵介質(zhì)沉積后退火及低溫氧氣退火，進(jìn)一步提升氧化物柵介質(zhì)質(zhì)量，改善高k柵介質(zhì)/ Al2O3 / GeOx/Ge界面質(zhì)量。
[0026]如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0027]步驟1:選擇Ge襯底，去除Ge襯底表面的自然氧化層，然后將其轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，在Ge襯底表面沉積一層Al2O3薄膜作為氧化過程中的O3阻擋層；
[0028]步驟2:利用原子層沉積系統(tǒng)中的前驅(qū)體O3作為氧化劑，在Al2O3 / Ge界面處氧化形成一層GeOx界面層；
[0029]步驟3:將在Al2O3 / Ge界面處形成有超薄GeOxW面層的Ge襯底放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，在Al2O3薄膜上沉積高k柵介質(zhì)；
[0030]步驟4:利用快速退火爐對(duì)其先后進(jìn)行柵介質(zhì)沉積后退火及低溫氧氣退火，進(jìn)一步提升氧化物柵介質(zhì)質(zhì)量，改善高k介質(zhì)/ Al2O3 / GeOx / Ge界面質(zhì)量。
[0031]其中，步驟I中所述的Ge襯底是由GOI襯底替換。所述的Al2O3薄膜的厚度為
0.1?3nm。步驟2中所述的原子層沉積系統(tǒng)中反應(yīng)腔體的溫度為30°C?400°C，氧化時(shí)間為I秒?I小時(shí)。步驟3中所述的高k柵介質(zhì)為Al203、La203、Hf02及Y2O3中的一種、多種或其復(fù)合物。步驟4中所述的柵介質(zhì)沉積后退火的氣體氛圍為O2，退火溫度為450°C?600°C，退火時(shí)間為I分鐘?I小時(shí)。步驟4中所述的低溫氧氣退火的溫度為300°C?450°C，退火時(shí)間為I分鐘?3小時(shí)。
[0032]本發(fā)明提供的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，還可以通過選擇不同厚度的Al2O3阻擋層，改變氧化溫度及時(shí)間來有效控制GeOx界面修復(fù)層的厚度及界面質(zhì)量，適用于Ge基MOS電容、MOSFET及含有Ge基柵疊層器件的制備。
[0033]圖2a至圖2d為依照本發(fā)明實(shí)施例的在Ge襯底制備GeOx界面修復(fù)層的工藝流程圖，該方法包括:
[0034]如圖2a所示，先去除Ge襯底101表面的自然氧化層，形成激活的鍺表面，可以選用HCl或者HF處理；
[0035]如圖2b所示，迅速將襯底轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，沉積一層較薄Al2O3薄膜102作為臭氧氧化過程中的O3阻擋層；
[0036]如圖2c所示，然后利用原子層沉積系統(tǒng)中的前驅(qū)體O3作為氧化劑，采用臭氧氧化的方式在Al2O3 / Ge界面處形成一層超薄GeOx界面層103 ；
[0037]如圖2d所示，接著繼續(xù)利用原子層沉積系統(tǒng)沉積高k柵介質(zhì)。最后利用快速退火爐先后對(duì)其進(jìn)行柵介質(zhì)沉積后退火及低溫氧氣退火，進(jìn)一步提升氧化物柵介質(zhì)質(zhì)量和改善界面質(zhì)量。
[0038]基于圖1和圖2所示的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，圖3a至圖3d示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的將本發(fā)明制備GeOx界面修復(fù)層的方法應(yīng)用于一般MOSFET制作的工藝流程圖。
[0039]如圖3a至圖3d所示，將本發(fā)明制備GeOxW面修復(fù)層的方法應(yīng)用于制作一般的Ge基MOSFETs器件，其過程包括以下步驟:先去除Ge襯底201表面的自然氧化層，形成激活的鍺表面。在利用本發(fā)明提供的原位臭氧氧化方法制備柵疊層，其中包括GeOx界面層202、Al2O3阻擋層203、高k柵介質(zhì)204，其結(jié)構(gòu)如圖3a所示。然后在柵介質(zhì)上沉積Ti / Au柵電極205，如圖3b。沉積Si3N4層206作為離子注入阻擋層，進(jìn)行P或η型離子注入和離子激活，形成重?fù)诫s區(qū)207，如圖3c所示。如圖3d所示，最后去除Si3N4層206，制作源漏電極208，至此Ge基MOSFETs即制備完成。
[0040]本發(fā)明提供了一種在Ge襯底制備GeOx界面修復(fù)層的新思路和方法，以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案進(jìn)一步說明和闡述。但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，以上所述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，該方法包括: 步驟1:選擇Ge襯底，去除Ge襯底表面的自然氧化層，然后將其轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，在Ge襯底表面沉積一層Al2O3薄膜作為氧化過程中的O3阻擋層； 步驟2:利用原子層沉積系統(tǒng)中的前驅(qū)體O3作為氧化劑，在Al2O3 / Ge界面處氧化形成一層GeOx界面層； 步驟3:將在Al2O3 / Ge界面處形成有超薄GeOxW面層的Ge襯底放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，在Al2O3薄膜上沉積高k柵介質(zhì)； 步驟4:利用快速退火爐對(duì)其先后進(jìn)行柵介質(zhì)沉積后退火及低溫氧氣退火，進(jìn)一步提升氧化物柵介質(zhì)質(zhì)量，改善高k介質(zhì)/ Al2O3 / GeOx/Ge界面質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟I中所述的Ge襯底是由GOI襯底替換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟I中所述的Al2O3薄膜的厚度為0.1?3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟2中所述的原子層沉積系統(tǒng)中反應(yīng)腔體的溫度為30°C?400°C，氧化時(shí)間為I秒?I小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟3中所述的高k柵介質(zhì)為A1203、La203、HfO2及Y2O3中的一種、多種或其復(fù)合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟4中所述的柵介質(zhì)沉積后退火的氣體氛圍為O2，退火溫度為450°C?600°C，退火時(shí)間為I分鐘?I小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟4中所述的低溫氧氣退火的溫度為300°C?450°C，退火時(shí)間為I分鐘?3小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原位臭氧氧化制備氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，還可以通過選擇不同厚度的Al2O3阻擋層，改變氧化溫度及時(shí)間來有效控制GeOx界面修復(fù)層的厚度及界面質(zhì)量，適用于Ge基MOS電容、MOSFET及含有Ge基柵疊層器件的制備。
【文檔編號(hào)】H01L21/285GK103681289SQ201310723730
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】劉洪剛, 韓樂, 王盛凱, 孫兵, ?；|, 趙威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所