一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及堆疊柵介質(zhì)，尤其是涉及一種優(yōu)化堆疊柵(Hf02/Al203)介質(zhì)與鍺界面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶體管的特征尺寸不斷等比例縮小[I]，柵極介質(zhì)材料S12的厚度越來越接近其極限物理厚度，采用HfO2等高K介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的S12柵介質(zhì)已成為發(fā)展的必然。此外，鍺襯底由于具有較大的空穴迀移率(Si的四倍)，基于這些優(yōu)點(diǎn)，鍺襯底高K介質(zhì)柵MOSFET器件已成為業(yè)內(nèi)人士的研究熱點(diǎn)[2-3L但Hf02/Ge界面態(tài)密度過大已成為鍺襯底MOSFET器件進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要問題[4-5]。研究人員已多方面嘗試采用濕法退火[6-7]、Ge02鈍化、GeOxNy鈍化及Si表面鈍化等手段實(shí)現(xiàn)Hf02/Ge界面性能的優(yōu)化。
[0003]此外，Al2O3因?yàn)榫哂休^高的介電常數(shù)9和較好的阻隔效果而被廣泛應(yīng)用于Ge表面鈍化領(lǐng)域。目前為止，Hf02/Al203/Ge結(jié)構(gòu)堆疊柵的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[8-9]，但Al203/Ge的界面態(tài)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。
[0004]參考文獻(xiàn):
[0005][I]奧地利，艾羅拉，張興.用于VL SI模擬的小尺寸MOS器件模型:理論與實(shí)踐[J]?1999。
[0006][2]Ravi PiIlarisetty,Academic and industry research progress ingermanium nanodevices[J],NATURE,20II，479:324-3280
[0007][3]INTERNAT10NAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMIC0NDUCT0RS[J]，2011EDIT10。
[0008][4]M.HoussajG.Pourtois,M.Caymax,et a1.First-principles study of thestructural and electronic properties of(100)Ge/Ge(M)O[sub 2!interfaces(M=Al,La，or Hf)[J]，Appl.Phys.Lett.2008，92，242101。
[0009][5]Koji KitajSho Suzuki,Hideyuki Nomura,et al.Direct Evidence of GeOVolatilizat1n from Ge02/Ge and Impact of Its Suppress1n on Ge02/Ge Metal-1nsulator-Semiconductor Characteristics[J].Jpn.J.Appl.Phys.200847:23490
[0010][6]Guanzhou Liu, Cheng Li ,Hongkai Lai，et al.Ge Incorporat1n inHf02Dielectric Deposited on Ge Substrate during Dry/ffet Thermal Annealing[J]，J.Electrochem.Soc.，2010，157:6H603-H606。
[0011][7]Xu，J.P，Lai，P.T，Li，C.X，et al.1mproved electrical properties ofGermanium MOS capacitors with gate dielectric grown in wet-N0 ambient[J],Electron Device Letters，IEEE，2006，27:439-441。
[0012][8]Shankar Swaminathan,Michael Shandalov，Yasuhiro Oshima,etal.Bilayer metal oxide gate insulators for scaled Ge—channel metal-oxide-semiconductor devices[J]，Appl.Phys.Lett.2010,96:0829040
[0013][9]S.Mather，N.Sedghi，M.Althobaiti，et al.Low EOT Ge02/A1203/Hf02on Gesubstrate using ultrathin Al deposit1n[J],Microelectronic Engineering 2013,109:126-128。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于針對目前鍺MOS器件中高K介質(zhì)Hf02/Ge界面態(tài)密度過大，造成溝道迀移率下降、柵極漏電流變大等問題，提供既能優(yōu)化界面又可以有效阻隔界面互擴(kuò)散，可獲得較小界面態(tài)密度(Dlt)和較小等效氧化層厚度(E0T〈lnm)的鍺溝道MOS堆疊柵結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法。
[0015]本發(fā)明包括以下步驟:
[0016]I)對Ge襯底進(jìn)行清洗，去除有機(jī)污染物、氧化物和金屬雜質(zhì)等物質(zhì)；
[0017]2)將清洗后的Ge襯底放入原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中，沉積一層Al2O3薄膜，實(shí)現(xiàn)對Ge襯底的表面鈍化，獲得Al203/Ge結(jié)構(gòu)；
[0018]3)將步驟2)得到的Al203/Ge結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行濕法退火處理，實(shí)現(xiàn)Al203/Ge界面態(tài)的優(yōu)化；
[0019]4)在步驟3)處理后的樣品上生長HfOi^K介質(zhì)；
[0020]5)將步驟4)中獲得的樣品正面固定在掩膜板上，放入磁控濺射機(jī)中沉積金屬層作為上電極，在樣品Ge襯底的背面濺射金屬層作為背電極，即得到MOS結(jié)構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面。
[0021]在步驟I)中，所述清洗可采用如下方法:先對Ge片進(jìn)行有機(jī)清洗，依次在丙酮、乙醇、去離子水中各超聲清洗lOmin，去除有機(jī)污染物;再用去離子水沖洗后放入鹽酸溶液中漂洗4min，去除表面氧化物層;然后用去離子水沖洗后放入氫氟酸溶液中漂洗30s;經(jīng)過去離子水沖洗，最后用犯吹干;所述鹽酸溶液中按體積比HCl:H20= 1:4;所述氫氟酸溶液中按體積比 HF: H2O= 1:50。
[0022]在步驟4)中，所述生長!1?)2高1(介質(zhì)可采用原子層沉積法。
[0023]在步驟5)中，所述作為上電極的金屬層的厚度可為300nm。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)方案是首先在清洗后的Ge襯底上采用原子層沉積系統(tǒng)(ALD)沉積一層超薄的Al 2Ο3純化層，接著對Al 2Ο3表面純化后的Ge襯底進(jìn)彳丁濕法退火。退火完成后在ALD系統(tǒng)中進(jìn)行HfO2介質(zhì)的沉積，獲得界面較好的Hf02/Al203/Ge堆疊柵結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明是采用原子層沉積系統(tǒng)獲得Hf02/Al203/Ge結(jié)構(gòu)的堆疊柵，并采用濕法退火的方式實(shí)現(xiàn)Al203/Ge界面態(tài)的性能優(yōu)化。這種方法可以優(yōu)化高K介質(zhì)/Ge界面態(tài)，并能維持鈍化層的熱穩(wěn)定性，是一種具有廣闊應(yīng)用空間的新方法。尤其是原子層沉積系統(tǒng)(ALD)原位濕法退火法，該方法可以大大減小工藝的流程和時(shí)間成本。這一方法可實(shí)現(xiàn)鍺MOSFET器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明脈沖濕法退火優(yōu)化界面態(tài)并制備Hf02/Al203/Ge結(jié)構(gòu)堆疊柵MOS器件的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0028]實(shí)施例1:圖1給出本發(fā)明脈沖濕法退火優(yōu)化界面態(tài)并制備Hf02/Al203/Ge結(jié)構(gòu)堆疊柵MOS器件的流程示意圖。其中，I為Ge襯底，2為原子層沉積法制備的Al2O3超薄鈍化層，3為經(jīng)過脈沖濕法退火處理的Al2O3超薄鈍化層，4為原子層沉積法制備的HfO2柵介質(zhì)層，5為金屬電極層。首先對Ge襯底進(jìn)行清洗:先對Ge片進(jìn)行有機(jī)清洗，溶液(先丙酮，后乙醇，最后去離子水)中各超聲lOmin，去除有機(jī)污染物;用去離子水沖洗后放入鹽酸溶液中(HC1:H20=1:4)漂洗4min，去除表面氧化物層；用去離子水沖洗后放入氫氟酸溶液中(HF:H20= 1:50)漂洗30s;經(jīng)過去離子水沖洗，最后用N2吹干(見圖1 (a))。
[0029]將清洗后的Ge片迅速放入原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中，用ALD沉積一層超薄的Al2O3薄膜(見圖1(b));接著，對Al2O3鈍化后的樣品進(jìn)行濕法退火處理(見圖1(c));然后，使用ALD在樣品表面沉積一定厚度的HfO2薄膜(見圖1 (d))。
[0030]最后，將處理過的樣品固定在掩膜板上，用磁控濺射機(jī)沉積一層300nm左右的金屬電極作為上電極，在Si襯底背面濺射金屬作為背電極，得到MOS器件結(jié)構(gòu)(見圖1(e))。
[0031]本發(fā)明首先使用原子層沉積法在鍺襯底表面沉積薄層Al2O3鈍化層，并采用濕法退火的方式對Al203/Ge進(jìn)行界面優(yōu)化，最后沉積HfO2介質(zhì)層獲得堆疊柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是一種與硅標(biāo)準(zhǔn)工藝相兼容的工藝方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)對Ge襯底進(jìn)行清洗，去除有機(jī)污染物、氧化物和金屬雜質(zhì)等物質(zhì)； 2)將清洗后的Ge襯底放入原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中，沉積一層Al2O3薄膜，實(shí)現(xiàn)對Ge襯底的表面鈍化，獲得Al203/Ge結(jié)構(gòu)； 3)將步驟2)得到的Al203/Ge結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行濕法退火處理，實(shí)現(xiàn)Al203/Ge界面態(tài)的優(yōu)化； 4)在步驟3)處理后的樣品上生長Hf02高1(介質(zhì)； 5)將步驟4)中獲得的樣品正面固定在掩膜板上，放入磁控濺射機(jī)中沉積金屬層作為上電極，在樣品Ge襯底的背面濺射金屬層作為背電極，即得到MOS結(jié)構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面。2.如權(quán)利要求1所述一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法，其特征在于在步驟I)中，所述清洗采用如下方法:先對Ge片進(jìn)行有機(jī)清洗，依次在丙酮、乙醇、去離子水中各超聲清洗lOmin，去除有機(jī)污染物;再用去離子水沖洗后放入鹽酸溶液中漂洗4min，去除表面氧化物層;然后用去離子水沖洗后放入氫氟酸溶液中漂洗30s;經(jīng)過去離子水沖洗，最后用他吹干。3.如權(quán)利要求2所述一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法，其特征在于所述鹽酸溶液中按體積比HCl: H2O= 1:4;所述氫氟酸溶液中按體積比HF:H2O= 1:50。4.如權(quán)利要求1所述一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法，其特征在于在步驟4)中，所述生長Hf 02高K介質(zhì)采用原子層沉積法。5.如權(quán)利要求1所述一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法，其特征在于在步驟5)中，所述作為上電極的金屬層的厚度為300nm。
【專利摘要】一種優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面的方法，涉及堆疊柵介質(zhì)。對Ge襯底進(jìn)行清洗，去除有機(jī)污染物、氧化物和金屬雜質(zhì)等物質(zhì)；將清洗后的Ge襯底放入原子層沉積系統(tǒng)中，沉積一層Al2O3薄膜，實(shí)現(xiàn)對Ge襯底的表面鈍化，獲得Al2O3/Ge結(jié)構(gòu)；將Al2O3/Ge結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行濕法退火處理，實(shí)現(xiàn)Al2O3/Ge界面態(tài)的優(yōu)化；在處理后的樣品上生長HfO2高K介質(zhì)；將獲得的樣品正面固定在掩膜板上，放入磁控濺射機(jī)中沉積金屬層作為上電極，在樣品Ge襯底的背面濺射金屬層作為背電極，即得MOS結(jié)構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化堆疊柵介質(zhì)與鍺界面?？蓛?yōu)化高K介質(zhì)/Ge界面態(tài)，并能維持鈍化層的熱穩(wěn)定性，可減小工藝流程和時(shí)間成本。
【IPC分類】H01L29/423, H01L21/28, H01L21/336, H01L29/51
【公開號】CN105529257
【申請?zhí)枴緾N201610053917
【發(fā)明人】李成, 池曉偉, 陳松巖, 黃巍
【申請人】廈門大學(xué)
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2016年1月27日