专利名称：一种在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法
技术领域：
本发明涉及纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，尤其涉及在锗衬底上采用铪 基高介电常数栅介质制备金属-氧化物-半导体(M0Q电容的方法。
背景技术：
历史上，第一个晶体管和第一块集成电路都采用锗衬底材料制备。由于锗的氧化 物的热力学不稳定性和易溶于水的特性，使其不适合作为栅介质材料；而二氧化硅则具有 优异的物理特性和电学特性，因此采用硅衬底的金属-氧化物-半导体晶体管(MOSFET)在 过去的四十年间获得了广泛的研究和应用。四十年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展， 特征尺寸不断缩小，集成度不断提高。随着器件尺寸的不断减小，栅氧化层厚度也随之减 薄。目前，MOSFET的特征尺寸已进入亚50纳米，栅氧化层(二氧化硅或者氮化氧化硅)厚 度亦减小到1. 2纳米以下。如果仍采用传统二氧化硅栅介质，栅介质直接隧穿电流将成指 数规律急增。为了解决此问题，采用铪基高介电常数介质作为新型栅介质获得了广泛的研 究。在相同的等效氧化层厚度情况下，高介电常数介质具有更厚的物理厚度，因此栅介质直 接隧穿电流大大减小，功耗显著降低。铪基高介电常数介质的出现使得锗衬底的MOSFET重新获得了人们的重视。和硅 相比，锗具有更大的电子和空穴迁移率，因此制备的MOSFET具有更高的速度。锗和铪基高 介电常数介质界面特性与硅和铪基高介电常数介质界面特性不同。在高介电常数介质淀积 之后的热处理过程中，氧原子很容易扩散到锗和高介电常数介质界面处与锗原子发生反应 生成锗的氧化物。与二氧化硅不同，锗的氧化物含有大量的缺陷态，会在界面处产生大量的 界面固定电荷或者界面态。因此，有必要寻找一种方法避免由于锗的氧化物的生成而影响器件的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在锗衬底上制备MOS电容的方法，以 解决在栅介质淀积后的退火和金属电极形成后的退火过程中生成含有大量缺陷态的锗的 氧化物的问题，降低界面处的固定电荷和电荷俘获中心，获得电学性能优良的MOS电容。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容 的方法，该方法包括步骤1 清洗锗片；步骤2 在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围中 依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，并重复1至10次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层；步骤3 在氮气的氛围中快速热退火形成铪硅氧氮介质；步骤4 在退火后的锗片上形成光刻胶的图形；
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步骤5 采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料；步骤6 对金属电极材料进行剥离以形成电极图形；步骤7 在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面的接触电阻；步骤8 在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。上述方案中，步骤1中所述清洗锗片的步骤包括在丙酮中浸泡5 20分钟，乙醇 中浸泡5 20分钟，去离子水冲洗，然后在双氧水溶液中氧化10 120秒，去离子水冲洗， 接着在盐酸溶液中腐蚀30 300秒，去离子水冲洗，双氧水溶液氧化和盐酸溶液腐蚀重复 2到5次；然后去离子水冲洗，用氮气吹干。上述方案中，所述双氧水溶液和盐酸溶液中，双氧水溶液的浓度(体积百分比)为 2%到10%，盐酸溶液的浓度(体积百分比)为5%到20%。上述方案中，步骤2中所述在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩 气和氮气的氛围中依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重复多次淀积多层氮化硅和氮化铪 叠层的步骤包括在溅射前将溅射室真空抽至1X10_6托到1X10_7托之间，充入氮气和氩 气，二者的体积比为1 20到6 20之间，然后依次溅射硅靶和铪靶，淀积氮化硅薄膜和 氮化铪薄膜，重复1至10次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层。上述方案中，所述的氮化硅薄膜和氮化铪薄膜中氮化硅薄膜的厚度为2埃到6埃， 氮化铪薄膜的厚度为2埃到9埃。上述方案中，步骤3中所述在氮气的氛围中快速热退火的步骤包括在氮气的气 氛中300摄氏度至600摄氏度的温度下快速热退火30秒到120秒。上述方案中，步骤5中所述采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料的步 骤包括在溅射前将溅射室真空抽至1X 10_6托到1 X IO-7托之间，充入氮气和氩气，二者的 体积比为1 20到6 20之间，然后溅射钽靶或者钛靶，淀积氮化钽电极薄膜或者氮化钛 电极薄膜，其厚度为500埃到2000埃。上述方案中，步骤7中所述在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面接触电阻 的步骤包括在锗衬底的背面溅射一层金属铝，厚度为2000埃到10000埃。上述方案中，步骤8中所述在氮气的氛围中在炉管中退火金属化的步骤包括在 氮气的氛围中，在300摄氏度到500摄氏度的条件下，在炉管中退火20分钟到60分钟。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种在锗衬底上制备MOS电容的方法，采用铪硅氧氮高介电常数 介质与金属栅电极材料，与硅基标准工艺具有良好兼容性。2、本发明提供的这种在锗衬底上制备MOS电容的方法，采用在铪基高介电常数介 质中掺入硅元素的方法，可以有效阻挡氧原子的扩散，避免了在随后的热处理过程中氧原 子和界面处的锗原子发生反应生成锗的氧化物，从而减少了界面缺陷态的生成。3、本发明提供的这种在锗衬底上制备MOS电容的方法，可以应用到锗衬底上 MOSFET的制备中。该方法工艺简单，而且制备的难度和成本低，具有很高的应用性。
图1是本发明提供的在锗衬底上制备MOS电容的方法流程图2是采用铪氧氮(HfON)介质和采用铪硅氧氮(HfSiON)介质的氮化钽电极-栅 介质-锗电容的电容-电压曲线；图3是采用铪氧氮(HfON)介质和采用铪硅氧氮(HfSiON)介质的氮化钽电极-栅 介质-锗电容的电流-电压曲线。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明采用铪硅氧氮高介电常数介质作为栅介质来改善锗衬底上的MOS电容的 界面特性。如图1所示，图1是本发明提供的在锗衬底上制备MOS电容的方法流程图，该方 法包括步骤101 清洗锗片；步骤102 在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围 中依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，然后重复一次；步骤103 在氮气的氛围中快速热退火形成铪硅氧氮介质；步骤104 在退火后的锗片上形成光刻胶图形；步骤105 采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料；步骤106 对金属电极材料进行剥离以形成电极图形；步骤107 在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面的接触电阻；步骤108 在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。以下结合具体实施例进一步详细说明本发明提供的技术方案，本实施例的具体工 艺步骤如下(1)清洗锗片在丙酮中浸泡10分钟，乙醇中浸泡5分钟，去离子水冲洗，然后在 双氧水溶液中氧化60秒，去离子水冲洗，接着在盐酸溶液中腐蚀30秒，去离子水冲洗，双氧 水溶液氧化和盐酸溶液腐蚀重复3次；然后去离子水冲洗，用氮气吹干。其中，所述双氧水 溶液的浓度为5%，所述盐酸溶液的浓度为10%。(2)在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围中依 次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜在溅射前将溅射室真空抽至8X 10_7托，充入氮气和氩 气，然后依次溅射硅靶和铪靶，淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，，氮气和氩气二者的比例为 5 20，其中在一周期内氮化硅薄膜的厚度为6埃，氮化铪薄膜的厚度为9埃。(3)在氮气的氛围中快速热退火在氮气的气氛中500摄氏度温度下快速热退火 60秒。(4)形成光刻胶图形采用AZ5214光刻胶，涂胶，曝光，显影，形成光刻胶的图形。(5)采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料在溅射前将溅射室真空抽 至8X10_7托，充入氮气和氩气，二者的比例为4 20，然后溅射钽靶，淀积氮化钽电极薄膜， 厚度为1000埃。(6)对金属电极材料进行剥离以形成电极图形在丙酮溶液中浸泡10小时，去除 光刻胶和在其上的金属薄膜。(7)在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面的接触电阻在锗衬底的背面溅射一层金属铝，厚度为8000埃。(8)在氮气的氛围中在炉管中退火在氮气的氛围中，在400摄氏度的条件下，在 炉管中退火40分钟。图2示出了采用铪氧氮介质和采用铪硅氧氮介质的氮化钽栅电极-栅介质-锗电 容的电容-电压曲线。金属栅电极形成后的退火温度为300摄氏度或400摄氏度，时间为 40分钟。对于采用铪氧氮介质的情况，采用射频磁控反应溅射的方法淀积了 75埃的氮化 铪，对于采用铪硅氧氮介质的情况，采用射频磁控反应溅射的方法淀积了总厚度为12埃的 氮化硅和18埃的氮化铪。四种情况下(a)铪氧氮介质，300摄氏度40分钟金属栅电极形 成后退火；(b)铪氧氮介质，400摄氏度40分钟金属栅电极形成后退火；(c)铪硅氧氮介质， 300摄氏度40分钟金属栅电极形成后退火；(d)铪硅氧氮介质，400摄氏度40分钟金属栅 电极形成后退火，平带电压分别为-0. 73V，-1. 0V, -0. 35V和0. 03V。氮化钽和锗的功函数 分别为4. 5V和4. ^V，则理想情况下的平带电压为0. 21V。以上的数据表明采用铪硅氧氮 介质400摄氏度40分钟金属电极形成后退火(d)的平带电压最接近理想值，表明在此情况 下界面电荷最少。图3示出了采用铪氧氮介质和采用铪硅氧氮介质的氮化钽栅电极-栅介质-锗电 容的电流-电压曲线。金属电极形成后的退火条件为400摄氏度40分钟。由溅射速率计 算出的铪氧氮和铪硅氧氮的厚度分别为75埃和30埃，由积累区电容计算出的等效氧化层 厚度分别为24埃和22埃。从图中可以得出，采用铪硅氧氮介质的电容具有更小的栅极泄 漏电流。在栅电极偏压为IV时，采用铪氧氮介质和采用铪硅氧氮介质的电容的栅极泄漏电 流分别为1. 10 X 10_2安培每平方厘米和9. 13 X 10_4安培每平方厘米。采用铪硅氧氮介质的 电容具有更小的栅极泄漏电流。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征在于，该方法包括 步骤1 清洗锗片；步骤2 在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围中依次 淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，并重复1至10次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层； 步骤3 在氮气的氛围中快速热退火形成铪硅氧氮介质； 步骤4 在退火后的锗片上形成光刻胶的图形； 步骤5 采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料； 步骤6 对金属电极材料进行剥离以形成电极图形； 步骤7 在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面的接触电阻； 步骤8 在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。
2.根据权利要求1所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征 在于，步骤1中所述清洗锗片的步骤包括在丙酮中浸泡5 20分钟，乙醇中浸泡5 20分钟，去离子水冲洗，然后在双氧水溶 液中氧化10 120秒，去离子水冲洗，接着在盐酸溶液中腐蚀30 300秒，去离子水冲洗， 双氧水溶液氧化和盐酸溶液腐蚀重复2到5次；然后去离子水冲洗，用氮气吹干。
3.根据权利要求2所述的清洗锗片的步骤，其特征在于，所述双氧水溶液和盐酸溶液 中，双氧水溶液的浓度(体积百分比)为2%到10%，盐酸溶液的浓度(体积百分比)为 5%到 20%。
4.根据权利要求1所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特 征在于，步骤2中所述在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛 围中依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重复多次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层的步骤包 括在溅射前将溅射室真空抽至1 X 10_6托到1 X 10_7托之间，充入氮气和氩气，二者的体积 比为1 20到6 20之间，然后依次溅射硅靶和铪靶，淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重 复1至10次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层。
5.根据权利要求4所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征 在于，所述的氮化硅薄膜和氮化铪薄膜中氮化硅薄膜的厚度为2埃到6埃，氮化铪薄膜的厚 度为2埃到9埃。
6.根据权利要求1所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征 在于，步骤3中所述在氮气的氛围中快速热退火的步骤包括在氮气的气氛中300摄氏度至600摄氏度的温度下快速热退火30秒到120秒。
7.根据权利要求1所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征 在于，步骤5中所述采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料的步骤包括在溅射前将溅射室真空抽至1 X 10_6托到1 X 10_7托之间，充入氮气和氩气，二者的体积 比为1 20到6 20之间，然后溅射钽靶或者钛靶，淀积氮化钽电极薄膜或者氮化钛电极 薄膜，其厚度为500埃到2000埃。
8.根据权利要求1所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征 在于，步骤7中所述在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面接触电阻的步骤包括在锗衬底的背面溅射一层金属铝，厚度为2000埃到10000埃。
9.根据权利要求1所述的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法，其特征 在于，步骤8中所述在氮气的氛围中在炉管中退火金属化的步骤包括在氮气的氛围中，在300摄氏度到500摄氏度的条件下，在炉管中退火20分钟到60分钟。
全文摘要
本发明公开了一种在锗衬底上采用铪硅氧氮介质制备MOS电容的方法，包括清洗锗片；在清洗后的锗片上依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重复多次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层；然后在氮气的氛围中快速热退火；接着通过涂胶、曝光和显影形成光刻胶的图形；然后淀积金属电极材料；金属电极材料剥离后形成电极图形；在锗衬底的背面溅射一层金属铝；最后在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。本发明在铪基高介电常数介质中掺入硅元素，避免了在栅介质淀积后的退火和金属电极形成后的退火过程中生成含有大量缺陷态的锗的氧化物的问题，降低了界面处的固定电荷和电荷俘获中心，获得电学性能优异的锗MOS电容。
文档编号H01L21/02GK102103983SQ20091024276
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者徐秋霞, 胡爱斌 申请人:中国科学院微电子研究所