在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，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薄膜作為熱氧化過程中的O2阻擋層；將表面沉積有Al2O3薄膜的Ge襯底放入快速退火爐中，在O2氛圍下利用熱氧化方式在Al2O3/Ge界面處形成一層超薄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。該方法還適用于Ge基MOS電容、MOSFET及其他含有Ge基柵疊層的器件。
【專利說明】在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(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】，具體涉及一種在Ge襯底制備超薄氧化鍺(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。獲取GeOx界面層最基本簡(jiǎn)便的方法就是熱生長(zhǎng)。對(duì)于熱生長(zhǎng)方式，在不降低GeOx質(zhì)量的條件下，縮減GeOxW面層的厚度非常重要(GeOx的介電常數(shù)值k較小)。
[0003]為獲取具有界面修復(fù)作用的GeOx，有研究人員通過臭氧氧化、中性氧離子氧化等方式實(shí)現(xiàn)660!￡的生長(zhǎng)。然而，獲得GeOx最基本的方法就是熱氧化的方式。傳統(tǒng)的熱氧化方式獲得的GeOj^厚度通常很大，不利于實(shí)現(xiàn)低等效氧化物厚度(EOT)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)摸索，我們采用薄層A1203來阻擋氧氣的擴(kuò)散，減緩氧化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)厚度小于lnm的Ge0x。
[0004]改進(jìn)型的熱氧化方法是利用A1203薄膜作為02阻擋層，既可以減緩02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Ge0x，減小界面態(tài)密度，而且還可以有效控制Ge0x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)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)具有高界面質(zhì)量與穩(wěn)定性的高k/Ge柵疊層，以提高Ge基M0S器件的電學(xué)性能。同時(shí)傳統(tǒng)的熱氧化方式所獲得的Ge0x界面層難以實(shí)現(xiàn)較薄的厚度，不利于低EOT的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供一種在Ge襯底制備Ge0x界面修復(fù)層的方法，其中，通過改變A1203阻擋層的厚度、熱氧化溫度及時(shí)間相結(jié)合，以達(dá)到有效控制Ge0x界面層厚度的目的。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，包括:
[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A1203薄膜作為熱氧化過程中的02阻擋層；
[0010]步驟2:將表面沉積有A1203薄膜的Ge襯底放入快速退火爐中，在02氛圍下利用熱氧化方式在Al203/Ge界面處形成一層超薄GeOx界面層；
[0011]步驟3:將在Al203/Ge界面處形成有超薄Ge0xw面層的Ge襯底放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，在A1203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)/Al203/Ge0x/Ge界面質(zhì)量。
[0013]上述方案中，步驟1中所述的Ge襯底是由G0I襯底替換。所述的A1203薄膜的厚度為0.1?3nm。
[0014]上述方案中，步驟2中所述的快速退火爐中氧氣的壓強(qiáng)為lpa?1 atm，熱氧化溫度為400°C?600°C，氧化時(shí)間為1秒?1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02，退火溫度為450°C?600°C，退火時(shí)間為1分鐘?1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1分鐘?3小時(shí)。
[0017]上述方案中，該方法適用于Ge基M0S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襯底制備超薄GeOx界面修復(fù)層的方法，該方法能夠在Ge襯底上實(shí)現(xiàn)超薄GeOx界面修復(fù)層，有效改善高k/Ge界面質(zhì)量，且工藝設(shè)備較為簡(jiǎn)單，耗費(fèi)較小。通過改變熱氧化過程中的參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GeOx質(zhì)量及厚度的有效控制。此種改進(jìn)型熱氧化制備GeOx界面層的方法還適用于Ge基M0S電容、MOSFET及其他含有Ge基柵疊層的器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的在Ge襯底制備GeOx界面修復(fù)層的方法流程圖；
[0021]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；
[0022]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】
[0023]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。
[0024]本發(fā)明提供了 一種在Ge襯底制備超薄GeOx界面層的方法，用以修復(fù)高k柵介質(zhì)/Ge界面，實(shí)現(xiàn)Ge基M0S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，并迅速轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，沉積一層較薄A1203薄膜；然后將其放入快速退火爐中，在02氛圍下，利用熱氧化方式在ΑΙΑ/匕界面處形成一層超薄GeOx界面層；接著將樣品再次放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，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介質(zhì)/Al203/Ge0x/Ge界面質(zhì)量。
[0025]如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的在Ge襯底制備GeOx界面修復(fù)層的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0026]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A1203薄膜作為熱氧化過程中的02阻擋層；
[0027]步驟2:將表面沉積有A1203薄膜的Ge襯底放入快速退火爐中，在02氛圍下利用熱氧化方式在Al203/Ge界面處形成一層超薄GeOx界面層；
[0028]步驟3:將在Al203/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A1203薄膜上沉積高k柵介質(zhì)；
[0029]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)/Al203/Ge0x/Ge界面質(zhì)量。
[0030]其中，步驟1中所述的Ge襯底是由G0I襯底替換。所述的A1203薄膜的厚度為
0.1?3nm。步驟2中所述的快速退火爐中氧氣的壓強(qiáng)為lpa?latm,熱氧化溫度為400°C?600°C，氧化時(shí)間為1秒?1小時(shí)。步驟3中所述的高k柵介質(zhì)為A1203、La203、Hf02及Y203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02，退火溫度為450°C?600°C，退火時(shí)間為1分鐘?1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1分鐘?3小時(shí)。該方法適用于Ge基M0S電容、MOSFET及含有Ge基柵疊層器件的制備。
[0031]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，該過程包括:
[0032]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?？梢赃x用HC1或者HF處理；
[0033]如圖2b所示，迅速將樣品轉(zhuǎn)移到原子層沉積系統(tǒng)的腔體中，沉積一層較薄A1203薄膜102作為熱氧化過程中的02阻擋層；
[0034]如圖2c所示，然后將其放入快速退火爐中，在02氛圍下，利用熱氧化方式在A1203/Ge界面處形成一層超薄GeOx界面層103 ；
[0035]如圖2d所示，接著將其再次放入原子層沉積反應(yīng)腔體中，沉積高k柵介質(zhì)104。最后利用快速退火爐對(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)量和改善界面質(zhì)量。
[0036]基于圖1和圖2所示的在Ge襯底制備GeOx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GeOxW面修復(fù)層的方法應(yīng)用于一般MOSFET制作的工藝流程圖。
[0037]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)明提供的改進(jìn)型熱氧化方法制備柵疊層，其中包括GeOx界面層202、A1A阻擋層203、高k柵介質(zhì)204，其結(jié)構(gòu)如圖3a所示。然后在高k柵介質(zhì)204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。[0038]本發(fā)明提供的這種在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】
1.一種在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，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A1203薄膜作為熱氧化過程中的02阻擋層；步驟2:將表面沉積有A1203薄膜的Ge襯底放入快速退火爐中，在02氛圍下利用熱氧化方式在Al203/Ge界面處形成一層超薄GeOx界面層；步驟3:將在Al203/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A1203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)/Al203/Ge0x/Ge界面質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟1中所述的Ge襯底是由GOI襯底替換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟1中所述的A1203薄膜的厚度為0.1?3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟2中所述的快速退火爐中氧氣的壓強(qiáng)為lpa?latm，熱氧化溫度為400°C?600°C，氧化時(shí)間為1秒?1小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，步驟3中所述的高k柵介質(zhì)為Al203、La203、Hf02& Y203中的一種、多種或其復(fù)合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(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02，退火溫度為450°C?600°C，退火時(shí)間為1分鐘?1小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(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1分鐘?3小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復(fù)層的方法，其特征在于，該方法適用于Ge基MOS電容、MOSFET及含有Ge基柵疊層器件的制備。
【文檔編號(hào)】H01L21/285GK103646865SQ201310723739
【公開日】2014年3月19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