一種鍺基mos器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體而言，本實用新型涉及一種ALD沉積高k值材料的鍺基MOS器件襯底的表面鈍化方法及鍺基MOS器件。
【背景技術(shù)】
[0002]由于硅的天然氧化物質(zhì)量非常高，能夠方便的制造金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，因此，硅一直是現(xiàn)代電子工業(yè)中重要的半導(dǎo)體材料。經(jīng)過40多年的持續(xù)小型化，半導(dǎo)體器件的特征尺寸進(jìn)入到45nm技術(shù)節(jié)點以后，基于娃材料的MOSFET的正接近其基本的物理極限。如果繼續(xù)縮小尺寸，隧穿和巨大的漏電將給晶體管工作帶來巨大的影響。為了減小柵隧穿電流，降低器件的功耗，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)材料，例如HfO2,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的S12結(jié)構(gòu)成為了必然的趨勢。和傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)相比，高介電常數(shù)(k)材料可以對介質(zhì)物理厚度的限制放寬k/3.9倍，而不影響器件的電學(xué)性質(zhì)。在硅襯底上的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，Intel公司已將高k值柵介質(zhì)材料和金屬柵應(yīng)用到了其45nm節(jié)點的CPU制造技術(shù)當(dāng)中，取得了優(yōu)異的性能。
[0003]然而，根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖，CMOS技術(shù)將于2015-2020年進(jìn)入16nm技術(shù)節(jié)點。浸入式光刻的延伸技術(shù)、迀移率增強襯底技術(shù)、超淺結(jié)(以及其他應(yīng)變增強工程等方法，將成為16nm節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)問題。由于襯底迀移率對器件性能有很大影響，迀移率增強襯底技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注。鍺因其極高的載流子迀移率，且與半導(dǎo)體工藝兼容，被認(rèn)為是最具潛力的高迀移率半導(dǎo)體材料。鍺的電子迀移率與空穴迀移率分別大約是硅的2與4倍，而且迀移率還可以通過應(yīng)變增強技術(shù)得到進(jìn)一步提高，是CMOS器件理想的溝道材料。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型所要解決的第一方面問題在于為了提高鍺基MOS器件的性能，提供了一種用ALD方法沉積高k值材料的鍺基MOS器件襯底的表面鈍化方法。該方法能在不影響提高氧化層介電常數(shù)的前提下，有效地防止鍺襯底在沉積過程中的氧化，減小鍺襯底與柵介質(zhì)界面處的界面態(tài)密度、改善襯底與柵介質(zhì)的界面質(zhì)量，提高鍺基MOS器件的性能。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的一種ALD沉積高k值材料的鍺基MOS器件襯底的表面鈍化方法，其包括如下步驟:
[0006](I)對鍺襯底進(jìn)行清洗；
[0007](2)用HF溶液處理鍺襯底，除去鍺襯底的自然氧化層并在襯底表面形成Ge-H鍵；
[0008](3)用氯苯的飽和PCl5S液處理，將表面的Ge-H鍵轉(zhuǎn)變成Ge-Cl鍵；
[0009 ] (4)再用四氫呋喃的烷基鹵化鎂(R-Mg-X)溶液處理，其中R為鏈烴，X為鹵素，將Ge-Cl鍵轉(zhuǎn)變成Ge-R，使表面得到鈍化；
[0010](5)將鈍化后的鍺襯底用ALD技術(shù)表面沉積高k值柵極介質(zhì)材料；
[0011](6)沉積金屬電極。
[0012]所述步驟(I)中，用有機溶劑超聲清洗2-10分鐘除去鍺襯底表面的有機物。有機溶劑包括但不限為丙酮、乙醇、異丙醇等。
[0013]所述步驟(2)中，用2%HF溶液處理鍺襯底30-120秒。
[0014]在所述的步驟(2)中，HF溶液浸泡處理鍺襯底后，再用去離子水沖洗干凈，N2吹干，使表面形成Ge-H鍵。。
[0015]所述步驟(3)中，將鍺襯底置于氯苯的飽和PCl5溶液0.5-3小時，溶液溫度保持在80-95°C，將鍺襯底表面的Ge-H鍵轉(zhuǎn)變成Ge-Cl鍵，取出之后用氯苯和四氫呋喃沖洗數(shù)次。
[0016]所述步驟(4)中，將鍺襯底浸入于四氫呋喃的烷基鹵化鎂(R-Mg-X)溶液中，其中R為鏈烴，X為鹵素，溶液濃度為Imo I/L，溫度保持在70°C，時間在8-24小時，將鍺襯底表面的Ge-Cl鍵轉(zhuǎn)變成Ge-R，使得襯底表面形成Ge-R鍵，從而起到鈍化的效果，取出之后用四氫呋喃和甲醇清洗數(shù)次。
[0017]本實用新型的一優(yōu)選技術(shù)方案中，1?基選自飽和鏈烴和不飽和鏈烴，優(yōu)選為飽和鏈烴;更優(yōu)選1?基為(^211+1，其中11=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12;更優(yōu)選1?基為(^211+1，其中11=1,2,3,4ο
[0018]所述步驟(5)中，所述的高k值柵介質(zhì)，選自Al203、Ti203、Hf02、Zr02、La203中的一種或者兩種以上相互的摻雜。
[0019]所述步驟(6)中，通過掩模板在表面沉積金屬電極。
[0020]本實用新型優(yōu)選技術(shù)方案中，采用N型〈100〉晶向的單晶鍺襯底。
[0021]本實用新型的第二方面，提供一種上述方法制備得到的鍺基MOS器件，其結(jié)構(gòu)依次由:鍺襯底層，鈍化層，高k值柵極介質(zhì)層和金屬電極構(gòu)成。
[0022]本實用新型優(yōu)選技術(shù)方案中，所述鈍化層為鍺襯底層表面的Ge-R鍵。其中，R基選自飽和鏈烴和不飽和鏈烴，優(yōu)選為飽和鏈烴;更優(yōu)選R基為CnH2n+1，其中11 = 1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12;更優(yōu)選1?基為&1!1211+1，其中11=1，2，3，4。
[0023]所述的高k值柵介質(zhì)選自Al203、Ti203、Hf02、Zr02、La203中的任一種或者兩種以上相互摻雜。
[0024]相比于現(xiàn)有技術(shù)中的解決方案，本實用新型的有益效果是:
[0025]與在高k值材料和襯底之間插入一層鈍化層的現(xiàn)有技術(shù)鈍化方法相比，本實用新型的制備方法得到的鍺基MOS器件不會在襯底表面形成一層介電常數(shù)較低的氧化物層，避免介電損失，能用顯著提高氧化層介質(zhì)的介電常數(shù)，從而降低等效氧化物厚度。與用鹵素來鈍化襯底表現(xiàn)相比，Ge-C鍵(Ge-CH3之間的鏈接鍵)的鍵能(460kJ/mol)比Ge-齒素的鍵能大(Ge-Cl鍵的鍵能為356kJ/mol，Ge-Br為276kJ/mol，Ge-1為213kJ/mol)。本實用新型中，羥基對界面進(jìn)行鈍化的效果比鹵素的效果要好。
[0026]本方法利用羥基對鍺襯底表面的鈍化，有效地減小鍺襯底與柵介質(zhì)之間的界面態(tài)密度，明顯提高了鈍化效果。
【附圖說明】
[0027]下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步描述:
[0028]圖1為本實用新型一實施例的ALD方法沉積高k值材料的鍺基MOS器件襯底表面鈍化方法的流程圖；
[0029]圖2為本實用新型ALD方法沉積高k值材料的鍺基MOS器件鈍化流程的示意圖。
[0030]其中，1:鍺襯底;2:Ge-H鍵;3:Ge-Cl鍵;4:Ge-R鍵;5:高k值介質(zhì);6:金屬電極。
【具體實施方式】
[0031]為了便于理解，以下將通過具體的實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)地描述。需要特別指出的是，這些描述僅僅是示例性的描述，并不構(gòu)成對本實用新型范圍的限制。依據(jù)本說明書的論述，本實用新型的許多變化、改變對所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說都是顯而易見的。
[0032]結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型進(jìn)一步具體描述:
[0033]步驟1.選擇η型〈100〉晶向的單晶鍺襯底I進(jìn)行清洗:首先對鍺襯底I用無水乙醇浸泡五分鐘，在丙酮中超聲清洗十分鐘，再用無水乙醇浸泡五分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，以去除襯底上的有機污染物，但不局限于此清洗方法，如圖2a所示；
[0034]步驟2.用HF溶液浸泡的方法除去表面氧化層并在表面形成Ge-H鍵2:具體過程如下:先用稀釋的2%的HF溶液浸泡60秒，用去離子水沖洗I分鐘，用氮氣吹干。此過程能去除鍺襯底I表面的自然氧化層并在表面形成Ge-H鍵2，如圖2b所示；
[0035]步驟3.將鍺襯底I置于氯苯的飽和PCl5溶液一小時，溶液溫度保持在90°C，此過程能將鍺襯底表面I的Ge-H鍵2轉(zhuǎn)變成Ge-Cl鍵3，如圖2c所示，取出之后用氯苯和四氫呋喃沖洗數(shù)次；
[0036]步驟4.將鍺襯底I浸入于四氫呋喃的烷基鹵化鎂(R-Mg-X)溶液中，其中R為鏈烴，X為鹵素，此實施例采用的烷基鹵化鎂為甲基氯化鎂，溶液濃度為ImoI/L，溫度保持在70°C，時間為20小時，此過程能將Ge-Cl鍵3轉(zhuǎn)變成Ge-R4，本實施例中為Ge-CH3，使得襯底表面形成Ge-CH3鍵，從而起到鈍化的效果，如圖2d所示，取出之后用四氫呋喃和甲醇清洗數(shù)次。
[0037]步驟5.沉積高k值材料，如為ZrO2。通過用ALD的方法在鈍化的鍺襯底上沉積Zr025，厚度為15nm，如圖2e所示；
[0038]步驟6.沉積金屬電極，本實施優(yōu)選例采用電子束蒸發(fā)，通過掩模板，沉積了厚度為300nm的金，作為金屬電極6，如圖2f所示得到的鍺基MOS器件。
[0039]實施例2
[0040]基本步驟同實施例1，但步驟(5)中采用的高k值材料為A1203。
[0041 ] 實施例3
[0042]基本步驟同實施例2，但步驟(4)中，烷基鹵化鎂(R-Mg-X)為乙基氯化鎂，步驟(5)中，采用的高k值材料為HfO2。
[0043]實施例4
[0044]基本步驟同實施例3，但步驟(5)中，采用的高k值材料為Al2O3摻雜La203。
[0045]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實例的限制，上述實例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
【主權(quán)項】
1.一種鍺基MOS器件，其特征在于，其結(jié)構(gòu)依次由:鍺襯底層，鈍化層，高k值柵極介質(zhì)層和金屬電極構(gòu)成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基MOS器件，其特征在于，所述鈍化層為鍺襯底層表面的Ge-R鍵。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基MOS器件，其特征在于，所述的高k值柵介質(zhì)選自A1203、Ti203、Hf02、Zr02、La203中的任一種或者兩種的相互慘雜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基MOS器件，其特征在于，鍺襯底層為N型〈100〉晶向的單晶鍺襯底。
【專利摘要】本實用新型提供了一種ALD沉積高k值材料的鍺基MOS器件襯底的表面鈍化方法及得到的鍺基MOS器件，該鍺基MOS器件，其結(jié)構(gòu)依次由：鍺襯底層，鈍化層，高k值柵極介質(zhì)層和金屬電極構(gòu)成，所述鈍化層為鍺襯底層表面的Ge-R鍵，所述的高k值柵介質(zhì)選自Al2O3、Ti2O3、HfO2、ZrO2、La2O3中的任一種或者兩種以上相互摻雜。本實用新型的鍺基MOS器件為羥基對鍺襯底表面的鈍化，有效地減小鍺襯底與柵介質(zhì)之間的界面態(tài)密度，明顯提高了鈍化效果。
【IPC分類】H01L29/78, H01L29/51
【公開號】CN205177850
【申請?zhí)枴緾N201520779331
【發(fā)明人】陸騏峰, 吳京錦, 趙策洲
【申請人】西交利物浦大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年10月9日