专利名称：一种利用ald制备锗基mos电容的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种利用ALD制作锗基MOS电容的方法。
背景技术：
自20世纪60年代以来，硅一直是现代电子工业中最重要的半导体材料，主要是由于它形成非常高质量的天然氧化物用于表面钝化。经过40多年的持续小型化，经典体硅 MOSFET的缩小正接近其许多基本极限，这就需要新材料和新的器件结构的创新。高介电常数(k)材料可以对介质物理厚度的限制放宽k/3. 9倍，其在硅基集成电路领域的研究已取得了不少的进展，Intel公司已将高k栅介质材料和金属栅应用到了其 45 nm节点的CPU制造技术当中，取得了优异的性能。但是其也面临着一些问题，如氧化物与界面的质量比SiO2差很多，由于库伦散射、声子散射等原因，导致沟道迁移率的下降等。由于半导体锗(Ge)的迁移率比硅大的多(电子迁移率约为两倍，空穴迁移率约为 4倍)，可以缓和MOSFET漏极电流饱和问题，而且与传统的硅基集成电路技术相兼容，所以锗被认为是很有前景的沟道替换材料。最近，许多高k栅介质被应用到Ge基MOS上，例如氧化铝、氧化铪、氧化锆等。他们在减小等效氧化层厚度(EOT)，减小栅泄漏电流，增加空穴迁移率等方面很有潜力。但是， 空穴的迁移率并没有比硅材料增加四倍，电子的迁移率也没有显著的提升，可能主要是因为栅介质和Ge半导体表面形成的界面不够完美或者界面态密度太高造成的。另外，发展与现代CMOS工艺相兼容的薄膜制备技术也是微电子研究的热点。其中原子层淀积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)是一种可对薄膜厚度进行单原子层级别或者说埃()级别控制的化学气相淀积技术。ALD技术从上世纪70年代发展至今已取得很大进展，其已写进了国际半导体技术路线图(ITRS)，作为与微电子工艺兼容的候选技术在微电子领域显示出广阔的应用前景。ALD技术之所以受到业界青睐，跟其所特有的生长原理和技术特点有关的。ALD淀积虽然是一种化学气相淀积(CVD)技术，但与传统的CVD技术相比，还是有很大差别的，ALD 技术是基于顺次进行的表面饱和化学自限制的生长过程，它将反应气体交替脉冲式的通入到反应腔中。一个ALD反应循环包含4个步骤(1)第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。整个ALD生长过程由一个周期的多次循环重复实现。所有的ALD的本质特征就是表面反应达到饱和，使得生长自动停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反应已完成的次数，既反应循环数，这样可以通过控制淀积的反应循环数，就可以实现对薄膜厚度的精确控制。另外由于其自限制的表面反应特性，可对高宽比很大的表面形成均勻的覆盖。此外通过控制不同源脉冲循环的次数比例也可以控制薄膜中不同物质的含量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能改善Ge基MOS电容电学性能的Ge基MOS电容及其制备方法。本发明提出的Ge基MOS电容，由Ge基衬底(101)、快速热氧化形成的Ge&(103)、 HfO2栅介质层(104)和电极(105)构成。本发明的Ge基MOS电容制备方法包括以下步骤
1)对Ge基衬底进行清洗；
2)对清洗好的衬底进行快速热氧化(RTO)，形成GeA；
3)将经过快速热氧化的衬底放入ALD腔，反应腔温度为150-300°C，顺次通入 HftN(C2H5) (013)]4和去离子水以完成一个ALD循环，生成HfO2栅介质层；ALD循环次数由 HfO2栅介质层的厚度要求确定；
4)在HfO2栅介质层上制作电极。上述步骤1)的清洗过程为先将Ge基衬底在乙醇中浸泡5-10 min，然后再在丙酮中超声清洗5-10 min，然后再用乙醇超声清洗5-10 min用以去除表面油污等杂质，用去离子水冲洗几次后用1 :50体积的氢氟酸和去离子水循环几次超声震荡和漂洗以去除表面天然GeOx，每步15-20 s，最后用高纯氮吹干待用。上述步骤2)快速热氧化过程为将清洗过的Ge基衬底放入400 0C的ALD反应腔中氧化3-10 min，O2流量为400-800 sccm，直接在ALD生长高k介质薄膜的反应腔体中生长GeA界面控制层，这种方法可以避免其表面与空气接触后发生化学反应，从而可以提高界面特性。上述步骤3)ALD淀积过程一个循环的步骤为首先通入Hf [N(C2H5) (CH3) ]4脉冲时间1-5 s，然后通入N2脉冲时间1-5 s,再次通入H2O脉冲时间0. 3-1. 0 s，最后通入N2脉冲时间 0. 5-2. 0 S。本发明采用快速热氧化处理方法在Ge基衬底表面形成一层高质量的GeO2,可防止 Ge的扩散，减小缺陷电荷和界面态密度，改善界面特性；所淀积的HfO2介质层，厚度可精确控制性，保形性能优异，界面控制能力强，均勻性好。本发明可大大提高Ge基MOS电容的电学特性，从而提高Ge基MOS晶体管的性能。
图1为整个Ge基MOS电容的制作流程图。图2为清洗前的Ge衬底结构。图3为清洗后的Ge衬底结构。图4为在Ge衬底上经过快速热氧化后的结构。图5为在快速热氧化处理后的衬底上淀积HfO2栅介质后的结构。图6为在栅介质上淀积金属电极后的结构。
具体实施例方式下面结合整个Ge基MOS电容的制作流程图1与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互关系。步骤1 选取商业单晶Ge片，η型Sb掺杂，晶向(100)，电阻率0. 21-0. 26 Ω · cm 作为衬底，即图2中的101层，但未经清洗的Ge衬底表面会有一层自然氧化的GeOx,即图2 中的102层;
步骤2 将衬底放入乙醇中浸泡10 min ； 步骤3 将衬底放入丙酮中超声清洗10 min ； 步骤4 将衬底放入乙醇中超声清洗10 min ； 步骤5:用去离子水冲洗几次；
步骤6 将衬底放入1 :50的氢氟酸溶液超声震荡15 s ； 步骤7 将衬底取出用去离子水漂洗15 s ； 步骤8 重复步骤6和7几次以去除自然GeOx层； 步骤9 用队将衬底吹干，即得图3所示的Ge基衬底；
步骤10 将衬底放入ALD反应腔，通入O2，快速热氧化5min，温度400 °C，氧气流量600 sccm,生成如图4所示结构，103层为快速热氧化形成的高质量；
步骤11 在形成高质量GeA后，ALD反应腔体开始降温，直到其温度降到生长高k栅介质的反应温度O50 °C)，立马开始ALD生长HfO2介质层，顺次通入Hf源与去离子水，达到要求的循环数以获得要求的栅介质薄膜，其中生长时，反应腔压力为2-5 torr，一个循环周期通入气体的时间分别为 Hf [N (C2H5) (CH3) ]4 :N2 :H20 :Ν2=1· 0 s :3. 0 s:0. 3 s:l. 0 s,形成如图5所示的结构，104层为ALD淀积的Η 2。步骤12 取出反应腔中的Ge片，淀积电极。电极材料可以选用铝、金、钼、氮化钛等多种材料，制作方法可采用蒸发、溅射等多种工艺，形成图6所示的结构，105代表形成的电极。
权利要求
1.一种锗基MOS电容，其特征在于由Ge基衬底、在Ge基衬底快速热氧化形成的Ge02、 在GeA上由原子层淀积生长的HfO2栅介质层和电极构成。
2.一种锗基MOS电容的制备方法，其特征在于具体步骤为1)对Ge基衬底进行清洗；2)对清洗好的衬底进行快速热氧化，形成GeA；3)将经过快速热氧化的衬底放入ALD反应腔，反应腔温度为150-300°C，反应腔的工作压强保持在2-5 torr ；顺次通入Hf [N (C2H5) (CH3) ]4和去离子水以完成一个ALD循环，生成 HfO2栅介质层；ALD循环次数由HfO2栅介质层的厚度要求确定；4)在HfO2栅介质层上制作电极。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1)清洗过程为先将Ge基衬底在乙醇中浸泡5-10 min，再在丙酮中超声清洗5-10 min ；然后用乙醇超声清洗5_10 min用以去除表面油污杂质，用去离子水冲洗，用1 :50体积的氢氟酸和去离子水循环超声震荡和漂洗以去除表面天然GeOx，每步15-20 s，最后用高纯氮吹干待用。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤2)快速热氧化过程为将清洗过的Ge基衬底放入400 0C的ALD反应腔中氧化3_10 min, O2流量为400-800 seem。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在步骤3)中一个ALD循环的步骤为首先通入Hf [N(C2H5) (CH3) ]4脉冲时间1-5 s，然后通入N2脉冲时间1_5 s ；然后通入H2O脉冲时间0. 3-1. 0 s，最后通入N2脉冲时间0. 5-2. 0 S。
全文摘要
本发明属于半导体技术领域，具体为一种利用原子层淀积(ALD)制备锗基MOS电容的方法。本发明步骤为首先在Ge基衬底上进行快速热氧化处理，形成GeO2；然后在其上淀积高介电常数的HfO2作为栅介质，再制作电极，形成Ge基MOS电容。本发明采用快速热氧化处理方法在Ge基衬底表面形成一层高质量的GeO2，可防止Ge的扩散，减小缺陷电荷和界面态密度，改善界面特性；所淀积的HfO2介质层，厚度可精确控制性，保形性能优异，界面控制能力强，均匀性好。本发明可大大提高Ge基MOS电容的电学特性，从而提高Ge基MOS晶体管的性能。
文档编号H01L29/06GK102509734SQ201110348900
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者卢红亮, 孙清清, 张卫, 王鹏飞, 耿阳 申请人:复旦大学