[發明專利]在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復層的方法

無效

• 申請號: 201310723739.0
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103646865A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 劉洪剛;韓樂;王盛凱;孫兵;常虎東;趙威
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L21/285
• 分類號: H01L21/285;H01L21/336
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種在Ge襯底制備超薄氧化鍺(GeO_x)界面修復層的方法。

背景技術

近年來鍺(Ge)作為最具前景的金屬氧化物半導體晶體管(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，其驅動電流較小、適合于低溫工藝。為了實現高性能小尺寸的Ge基MOSFETs，高k柵疊層必須具有低界面態密度以及有效鈍化的界面層。高k柵介質/Ge的界面處需要特殊的界面層作為擴散阻擋層，以阻止熱處理條件下高k金屬氧化物與Ge襯底的界面反應。已經報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柵介質與Ge界面處生長薄層GeO_x界面層是實現高性能Ge基MOSFETs的解決方法。獲取GeO_x界面層最基本簡便的方法就是熱生長。對于熱生長方式，在不降低GeO_x質量的條件下，縮減GeO_x界面層的厚度非常重要(GeO_x的介電常數值k較小)。

為獲取具有界面修復作用的GeO_x，有研究人員通過臭氧氧化、中性氧離子氧化等方式實現GeO_x的生長。然而，獲得GeO_x最基本的方法就是熱氧化的方式。傳統的熱氧化方式獲得的GeO_x的厚度通常很大，不利于實現低等效氧化物厚度(EOT)。經實驗摸索，我們采用薄層Al₂O₃來阻擋氧氣的擴散，減緩氧化反應，從而實現厚度小于1nm的GeO_x。

改進型的熱氧化方法是利用Al₂O₃薄膜作為O₂阻擋層，既可以減緩O₂擴散，減小氧化反應速度，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界面作用的GeO_x，減小界面態密度，而且還可以有效控制GeO_x的厚度，以滿足較低EOT的要求。同時，沉積后退火與低溫氧化退火工藝的使用又可以進一步改善柵介質及界面質量。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是為了實現具有高界面質量與穩定性的高k/Ge柵疊層，以提高Ge基MOS器件的電學性能。同時傳統的熱氧化方式所獲得的GeO_x界面層難以實現較薄的厚度，不利于低EOT的實現。本發明提供一種在Ge襯底制備GeO_x界面修復層的方法，其中，通過改變Al₂O₃阻擋層的厚度、熱氧化溫度及時間相結合，以達到有效控制GeO_x界面層厚度的目的。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明提供了一種在Ge襯底制備超薄氧化鍺界面修復層的方法，包括：

步驟1：選擇Ge襯底，去除Ge襯底表面的自然氧化層，然后將其轉移到原子層沉積系統的腔體中，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；

步驟2：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GeO_x界面層；

步驟3：將在Al₂O₃/Ge界面處形成有超薄GeO_x界面層的Ge襯底放入原子層沉積反應腔體中，在Al₂O₃薄膜上沉積高k柵介質；

步驟4：利用快速退火爐對其先后進行柵介質沉積后退火及低溫氧氣退火，進一步提升氧化物柵介質質量，改善高k介質/Al₂O₃/GeO_x/Ge界面質量。

上述方案中，步驟1中所述的Ge襯底是由GOI襯底替換。所述的Al₂O₃薄膜的厚度為0.1～3nm。

上述方案中，步驟2中所述的快速退火爐中氧氣的壓強為1pa～１atm，熱氧化溫度為400℃～600℃，氧化時間為1秒～1小時。