专利名称：一种InP反型n沟道场效应管及其制备方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种InP反型η沟道场效应管(nMOSFET)及其制备方法。
背景技术：
基于Si的互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件随着摩尔定律按比例缩小已经接近其物理极限。如果进一步缩小器件的尺寸，薄的栅介质层会发生电流隧穿现象，高到难以接受的水平，而使器件无法正常工作。为了进一步提升器件的性能，必须采用新的具有高迁移率的半导体材料来取代传统的Si沟道层。III-V半导体材料，如GaAs、InxGa1^xAs, InP, InAs等，由于较高的电子传输性能已经引起了广泛的关注。III-V材料有着较高的电子迁移率和低电场下的漂移速度，使得III-V器件可以高速且低功耗的工作。在众多的III-V半导体材料中，InP是一种广泛应用于电子、光电子和光学器件的化合物半导体材料。它的禁带宽度为1. 34 eV,比富h的hxGai_xAs的要宽。相比于GaAs， 研究认为在InP表面较少出现费米能级钉扎效应而同时其材料的电子饱和位移速率又比较大-2. 5X IO7 cm/so在以前的研究报道里，一般对hP MOSFET的研究，主要是在hP (100)晶向衬底上制备而成。栅介质无论是化学气相淀积(CVD)的Al2O3还是热氧化的SiO2, InP (100) MOSFETs在室温下1000 s后漏电流漂移均达到了 90%以上，严重地影响了器件的正常工作。 通常认为这种严重的电流漂移特性是由MP (100)本征氧化物里大量的边界陷阱以及栅介质氧化物与^P (100)半导体之间的界面陷阱造成的。因此，如果采用一种较少界面缺陷的InP衬底，同时能够实现在其上生长一种高质量、热稳定性的高介电常数(high-k)的栅介质材料，通过适当的半导体表面处理方法，改善high-k与InP之间的界面特性，从而得到具有优异电学特性的InP基MOSFET器件。那么，在未来的高速逻辑电路中，InP将会是一种非常重要的晶体管沟道材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流性能突出的InP反型η沟道场效应管(nMOSFET) 及其制备方法。本发明提供的InP反型η沟道场效应管，采用(111 )Α晶向的InP作为半导体衬底， 金属Ni/Ge/Au的混合物薄膜作为栅漏源电极，采用原子层淀积技术(ALD)生长的高介电常数的Al2O3薄膜作为栅介质材料，然后制成hP反型nMOSFET。采用(111) A晶向的hP作为半导体衬底，其与Al2O3栅介质的界面明显比(100)晶向的要平滑，而且器件电学测试表明hP (Ill)A表面上有比较大的电子迁移率以及较大的漏电流。特别是在直流电压连续扫描激励下，InP反型nMOSFET的饱和电流表现出近乎100%的稳定性——电流漂移几乎为 “零，，。本发明提出的以ALD Al2O3为栅介质的hP (Ill)A nMOSFET的制备方法，具体步骤如下
(1)首先用稀释的HCl溶液hP(Ill)A圆片5 10 min，以去除表面的本征氧化物；
(2)温度为15(Γ300° C时，使用三甲基铝(TMA)和水的交替的脉冲前驱物组合，在 InP (Ill)A衬底上淀积一层厚度为20 50 nm的Al2O3作为表面覆盖层；
(3)透过Al2O3覆盖层，使用Si离子选择性注入形成源、漏区域；
(4)在温度为70(Γ800° C的氮气中经过15 30 s快速热退火处理，激活源、漏区注入的离子；
(5)用缓冲氧化层刻蚀方法去除覆盖层Al2O3；
(6)在硫化氨溶液里浸泡5 10分钟，形成一层表面含S的钝化层；
(7)在温度为15(Γ300° C的条件下，使用三甲基铝(Al (CH3)3，TMA)和水的交替的脉冲前驱物组合，再用ALD生长厚度为3 10 nm的Al2O3栅介质层；
(8)将上步制得的样品在50(Γ900° C氮气腔里进行退火3(T120 s；
(9)电子束沉积Ni/Ge/Au的混合物作为源、漏区域的金属接触；
(10)再在温度为30(Γ400° C的条件下使用氮气快速热退火3(T60 s ；
(11)用电子束沉积Ti/Au并且Liftoff工艺之后形成栅极金属，制成hPnMOSFET器件。对hP (Ill)A nMOSFET器件进行电学性能分析。本发明具有以下优点
1、(111 )A晶向的InP上采用原子层淀积Al2O3作为栅介质材料能够大大提高其界面质
量和栅氧质量。2、在直流电压连续扫描激励下，饱和电流表现出近乎100%的稳定性——电流漂移几乎为零。这些特性在MOS场效应管领域具有很大的应用价值。
图1本发明hP η沟道MOSFET器件结构示意图。图2本发明InP衬底上生长Al2O3介质层后的透射电镜显微图。图3本发明hP η沟道MOSFET器件的电流输出特性。图4本发明hP η沟道MOSFET器件的电流漂移特性。
具体实施例方式下面参考附图描述本发明的实施方式。后面的描述中，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。图1本发明hP η沟道MOS场效应管器件结构示意图。首先，利用稀释的HCl溶液和(NH4)2S溶液进行表面处理，去除hP (Ill)A圆片101表面的本征氧化物。把圆片立即置入ASM F-120 ALD的反应腔体中。温度为300 ° C时，使用三甲基铝(Al (CH3)3，TMA) 和水的交替的脉冲前驱物组合淀积一层30 nm厚的Al2O3作为表面覆盖层。透过Al2O3覆盖层，使用Si离子选择性注入形成源、漏区域102(能量为30 KeV，浓度IXlO14 cm_2和能量为80 KeV，浓度IXlO14 cm—2)。随后在750 ° C的氮气中经过15 s快速热退火(RTA)工艺，以便激活源、漏区注入的离子。用缓冲氧化层(BOE)刻蚀方法去除覆盖层Al2O3，接着在硫化氨溶液里浸泡10分钟，再重新置入ALD反应腔里生长8 nm厚的Al2O3，即图中的103部分。然后，在500 ° C氮气腔里经过PDA退火Imin后，电子束沉积Ni/Ge/Au的混合物作为源、漏区域的金属接触104。最后，在400 ° C时使用氮气RTA退火30 S。用电子束沉积 Ti/Au并且liftoff工艺之后形成栅极金属105。加工的nMOSFETs栅长从0. 40 μ m至40 μ m不等，栅宽为100 μπι。Al2O3AnP (100)和Al2O3AnP (Ill)A界面的透射显微镜(TEM)图片如图2所示。 由此图中5 nm比例尺可以看出ALD Al2O3的厚度为8 nm。而且氧化层与半导体的界面上没有发现任何明显的本征氧化物的存在，证明了 InP上ALD工艺的“自清洗(se 1 f-c 1 eaning) ” 效应。Al2O3AnP (Ill)A的界面相对Al2O3AnP (100)的界面明显比较平滑，而界面的粗糙程度是影响III-V MOSFETs的表面沟道中电子迁移率的主要因素之一。图3所示是在(100)和(Ill)A上hP反转型nMOSFET的输出特性曲线。 测试栅极偏压(G)从0至3 V，步长为0.5 V。栅长为1 μ m，栅宽为100 μ m。当栅极偏压(G)、漏极偏压都为3 V时，(Ill)A上漏极电流(Jrfs)达到最大值600 μΑ/μπι—— 是同等条件下(100)表面上的3. 5倍。在目前有关反型hP nMOSFET报道的文献中，这个电流数值是破纪录的。实验中，使用Keithley 4200测试hP nMOSFETs漏电流漂移特性如图4所示。 一个阶跃信号从 =0时刻起加到栅极作为栅极偏压。源漏栅三极设置公共地。漏极采用 Keithley 4200设置一固定偏压，并实时测试器件的漏电流(/&)。起始电压信号稳定时间 ( )为5 s，采样时间设置为0.35 s，测试时间为1400 S。如图4所示，常温下、漏极偏压& 和栅极偏压Vffs均为3 V时，InP (100)与hP (Ill)A上nMOSFETs的漏电流的漂移特性曲线。两种器件的栅长均为8 μπι。纵坐标是以初始漏电流值(i=5s)归一化的漏电流。 在测试的1400秒内，hP (100)上漏电流相比初始漏电流值Jrfs (i=5s)下降了大约6. 9%， 令人惊奇的是在同等条件下^P (Ill)A上却发现几乎为零的漏电流漂移特性。除了可能是随机电噪声造成的小“颠簸”之外，hP (111) A上漏电流的漂移几乎完全被抑制——漏电流漂移曲线一直保持平直状态。因此，本发明为未来16 nm工艺以下非Si的CMOS技术提供了具有实际应用意义的结果。上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
权利要求
1.一种MP反型η沟道场效应晶体管，其特征在于采用(111) A晶向的InP作为半导体衬底，金属Ni/Ge/Au的混合物薄膜作为栅漏源电极，采用高介电常数的Al2O3薄膜作为栅介质材料。
2.根据权利要求1所述的InP反型η沟道场效应晶体管的制备方法，其特征在于具体步骤为(1)首先用稀释的HCl溶液hP(Ill)A圆片5 10 min，以去除表面的本征氧化物；(2)温度为15(Γ300° C时，使用三甲基铝和水的交替的脉冲前驱物组合，在hP(lll) A衬底上淀积一层厚度为2(T50 nm的Al2O3作为表面覆盖层；(3)透过Al2O3覆盖层，使用Si离子选择性注入形成源、漏区域；(4)在70(Γ800° C的氮气中经过15 30 s快速热退火处理，激活源、漏区注入的离子；(5)用缓冲氧化层刻蚀方法去除覆盖层Al2O3；(6)在硫化氨溶液里浸泡5 10分钟，形成一层表面含S的钝化层；(7)在温度为15(Γ300° C条件下，使用三甲基铝和水的交替的脉冲前驱物组合，再用 ALD生长厚度为3 10 nm的Al2O3栅介质层；(8)将上步制得的样品在50(Γ900° C氮气腔里进行退火3(T120 s；(9)电子束沉积Ni/Ge/Au的混合物作为源、漏区域的金属接触；(10)再在温度为30(Γ400° C的条件下使用氮气快速热退火3(T60 s ；用电子束沉积Ti/Au并且Liftoff工艺之后形成栅极金属，制成MP反型η沟道场效应晶体管。
全文摘要
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种InP反型n沟道场效应管及其制备方法。该nMOSFET主要由表面晶格方向为(111)A的InP半导体衬底、高介电常数栅介质和金属栅源漏电极组成。本发明中的nMOSFET结构，表现出优异的电流特性。同时，在连续直流电压的扫描激励下，该器件的饱和电流性能稳定可靠，其电流漂移值几乎为零。这种nMOSFE结构解决了长久以来InPMOSFET器件上的电流漂移问题。本发明还进一步提供了上述nMOSFET结构的集成制备方法。
文档编号H01L21/283GK102544103SQ20121000587
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者丁士进, 卢红亮, 周鹏, 孙清清, 张卫, 王晨 申请人:复旦大学