专利名称：一种锗基mos器件衬底的表面钝化方法
技术领域：
本发明属于半导体材料器件领域，具体涉及一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法。
背景技术：
随着集成电路的广泛应用，集成电路的工作速度已成为人们关注的焦点。在过去的几十里年，减小器件尺寸是提高电路工作速度与集成度的主要方法。但是随着器件特征尺寸缩小到纳米尺度，传统硅基晶体管逐渐达到物理和技术的双重极限。为了进一步提高集成电路的工作速度，必须寻找新材料及器件结构。锗由于其高的电子和空穴迁移率而受到广泛关注。常温(300K)下，锗沟道的电子迁移率是硅的2. 4倍，空穴迁移率是硅的4倍。 但是，目前锗基MOS器件的制备技术还不成熟，器件性能还不太理想，仍有许多问题未得到妥善解决。而锗衬底与栅介质之间的界面问题是影响锗基MOS器件性能的关键因素之一。对于锗基MOS器件，普遍采用高介电常数材料(即高K介质)作为栅介质。常用的高K介质材料有Hf02、ZrO2, Al2O3> Y203> La203> GeO2等。但是将高K栅介质直接淀积在锗衬底上会产生以下问题1)锗衬底表面会在有氧原子的气氛中被氧化，可能会形成挥发性的GeO，扩散到栅介质中，在锗衬底与栅介质的界面处留下大量的悬挂键，造成界面态密度的大幅度增加；幻扩散到高K栅介质中的锗会在栅介质中引入缺陷，造成栅介质质量变差。 因此，要利用高K材料作栅介质，需要在锗衬底与高K介质间插入中间钝化层，对锗衬底表面进行钝化。目前，通常采用热分解SiH4淀积硅钝化层的实施办法，具体方法如下在淀积高K 介质材料(比如氧化铪)前，热分解SiH4,在锗衬底上淀积一层10 A左右的Si钝化层。此方法只是单纯引入硅钝化层，由于硅晶体与锗晶体的晶格常数不同，在二者的界面处还是会存在悬挂键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种衬底表面钝化方法，以减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、抑制衬底中的锗向栅介质中扩散，改善衬底与栅介质的界面质量和栅介质质量，提高锗基MOS器件的性能。本发明提供的技术方案如下一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，其步骤如下1)以半导体锗衬底为基片；2)对基片进行清洗，以去除表面的有机、无机、金属颗粒污染物；3)去除基片表面的自然氧化层；4)对基片进行氟化硅或者含氟硅氢化合物的等离子体处理，以实现在锗衬底上淀积硅钝化层；5)淀积一层高K栅介质材料后，进行退火处理。
所述步骤1)中，锗衬底可以是体Ge衬底、GeOI (Germanium on Insulator)衬底或娃上夕卜延锗(Germanium-on-si 1 icon)衬底等所述步骤2)中的清洗步骤可以为有机清洗、盐酸清洗等，目的是对锗衬底上的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除，但不局限于上述清洗方法。所述步骤3)中的去除锗自然氧化层可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法，但并不局限于上述去除锗自然氧化层的方法。所述步骤4)中的等离子处理过程如下将氟化硅或者含氟硅氢化合物注入到等离子反应腔中，氟化硅或者含氟硅氢化合物分解成为硅离子和氟离子，硅离子与电子结合生成硅，淀积在清洗过的锗衬底。此Si层的作用在其后淀积高K介质的过程中，代替锗被氧化形成SiO2，起到保护锗衬底的作用；作为扩散阻挡层阻挡锗扩散到高K介质中。这样就减少锗氧化物形成与扩散带来的影响，改善了界面质量和栅介质质量。而且等离子处理过程的氟离子对锗衬底与硅界面处的悬挂键也能起到钝化作用。结合硅与等离子氟对锗衬底表面的钝化效果，能有效减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、抑制衬底中的锗向栅介质中扩散；所述步骤5)中淀积的高K栅介质可以是HfO2、Zr02、A1203、Y2O3、La2O3、GeO2等，但不局限于上述高K介质；所述步骤5)中的退火可以在N2、H2、NO、N2O, NH3、O2等气氛中进行，但不局限于上述退火气氛；所述步骤5)之后，淀积金属栅、多晶硅栅、FUSI栅或FUGE栅等。本发明的优点如下本发明充分结合硅与氟离子对锗衬底表面的钝化作用，在锗衬底表面淀积硅钝化层的过程中附带引入氟的等离子体处理，即在引入硅钝化层的同时也引入氟离子，能对锗衬底与硅界面处的悬挂键进行钝化，并且Ge-F ( > 5. 04eV)键的键能比Ge-H键(< 3. 34eV) 的键能大，氟离子对界面进行钝化的效果比H的效果要好。本发明可以大大减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、有效地抑制衬底中的锗向栅介质中扩散，明显提高了钝化效率。
图1所示本发明锗基MOS器件衬底表面钝化方法的流程图；图2所示实施例锗基MOS器件衬底表面钝化方法示意图；其中，(a)对锗衬底进行清洗和去除表面自然氧化层；(b)对锗衬底进行等离子体处理，以淀积硅钝化膜；(c)在硅钝化层上淀积栅介质，以及淀积后退火处理；(d)在栅介质上淀积栅电极，图中1-体锗衬底；2-硅钝化膜；3-高K介质层；4-栅电极。
具体实施例方式以下结合附图，通过具体的实施例对本发明所述的方法做进一步描述。步骤1.选择半导体锗衬底，可以是体锗衬底、GeOI (Germanium on Insulator)衬底或硅上外延锗(Germanium-on-silicon)等，本实施优选例为体锗衬底，如图2 (a)所示；
步骤2.对锗衬底进行清洗。首先对锗衬底进行有机清洗，依次用丙酮和乙醇浸泡清洗，再用DI水冲洗干净，去除锗衬底上的油污和有机污染物。再用盐酸清洗，在稀盐酸中加热煮沸，随后用DI水冲洗干净，去除无机污染物、金属颗粒等；步骤3.去除锗衬底表面的氧化物。可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法。本实施优选例为HF溶液浸泡的方法。具体过程如下先用稀释的 HF(HF H2O = 1 5 1 60)溶液浸泡10 50秒，再用DI水冲洗10 50秒，如此循环5 10次；步骤4.对锗衬底表面进行等离子处理，以实现在锗衬底上淀积Si钝化层。用于等离子处理的气体可以是氟化硅，也可以是含氟的硅氢化合物，比如SiH2F3、SiHF3，本实施优选例为氟化硅。等离子处理的方法有PECVD(Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition), PEALD (Plasma Enhancement Atomic Layer Deposition)。本实施优选例为 PECVD。先将PECVD反应腔抽成真空(气压< 10_6mbr)，再将SiF4+H2+Ar (H2与Ar是辅助气体)混合气体通入等离子反应腔中，SiF4与H2的流量比可以为1 20。在250-500°C下， SiF4分解成为硅离子和氟离子，硅离子与电子(由H2分解产生)结合成为硅淀积在锗衬底上，氟离子对锗表面的悬挂键进行钝化。最后淀积的硅膜的厚度为2 20 A，本实施优选例为5 A，如图2(b)所示；步骤5.淀积栅介质。目前常用的高K介质材料有Hf02、ZrO2, A1203、Y2O3> La203、 GeO2等。本实施优选例为Hf02。可以用溅射、CVD、ALD、MBE、PLD等方法淀积Hf02。本实施优选例为用ALD的方法在硅钝化层上淀积HfO2,如图2 (c)所示；步骤6.淀积后退火。在淀积栅介质后在队、!12、而、队0、冊3、02等气氛中退火，但不局限于上述退火气氛。本实施优选例为在400°C 700°C的N2气氛中退火3 IOOmin ；步骤7.淀积栅电极。栅电极可以采用多晶硅、金属栅、FUSI栅或者FUGE栅等。本实施优选例为金属氮化钽(TaN)。用溅射的方法淀积50 200nm的TaN，本实施优选例为 150nm，如图2(d)所示。以上通过优选实施例详细描述了本发明所提出的一种锗基MOS器件衬底表面的钝化方法，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，可以使用其它反应材料实现本发明的钝化效果，例如SiF4也可采用 SiHF3, SiH2F2等；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，其实现过程如下1)以半导体锗衬底为基片；2)对基片进行清洗，以去除表面的有机、无机、金属颗粒污染物；3)去除基片表面的自然氧化层；4)对基片进行氟化硅或者含氟硅氢化合物的等离子体处理，以实现在基片上淀积硅钝化膜；5)淀积一层高K栅介质材料后，进行退火处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中锗衬底是体Ge衬底、GeOI衬底或硅上外延锗衬底。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤幻中清洗步骤为有机清洗或盐酸清洗。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤幻中采用HF、HCl溶液浸泡或高温真空退火的方法去除锗的自然氧化层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中所述含氟硅氢化合物为SiHF3 或 SiH2F2。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中氟化硅的等离子处理过程如下将SiF4+H2+Ar的混合气体注入到等离子反应腔中，SiF4与H2的流量比为1 20。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中淀积成的硅钝化膜的厚度为2 20 A。.
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中淀积的高K栅介质是Hf02、 ZrO2 > A1203、Y2O3> La2O3 或 Ge02。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中的退火处理是在Ν2、Η2、Ν0、 N20、NH3或 等气氛中进行。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)之后进一步淀积金属栅、多晶硅栅、FUSI栅或FUGE栅。
全文摘要
本发明公布了一种锗基MOS器件衬底表面钝化方法，属于半导体材料器件领域。该方法首先以半导体锗衬底为基片，对基片进行清洗，以去除表面的有机、无机、金属颗粒污染物以及去除基片表面的自然氧化层；对基片进行氟化硅或者含氟硅氢化合物的等离子体处理，以实现在基片上淀积硅钝化层；最后再淀积一层高K栅介质材料后，退火。本发明可以大大减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、有效地抑制衬底中的锗向栅介质中扩散，明显提高了钝化效率。
文档编号H01L21/334GK102206799SQ201110098970
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者安霞, 张兴, 李志强, 林猛, 郭岳, 黄如 申请人:北京大学