[发明专利]一种在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体电容的方法

说明书

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(MOS)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，栅极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，因此栅极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，获得电学性能优异的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MOS电容的方法，该方法包括：

清洗锗片；

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；

在氮气的氛围中快速热退火；

在退火后的锗片上形成光刻胶图形；

采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料；

对金属电极材料进行剥离以形成电极图形；

在锗衬底的背面溅射一层金属铝以降低背面的接触电阻；

在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。

上述方案中，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30～120秒，去离子水冲洗，接着在盐酸溶液中腐蚀30～120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，所述的双氧水溶液和盐酸溶液，在典型的条件下，双氧水溶液的体积百分比浓度为2％到10％，盐酸溶液的体积百分比浓度为5％到20％。

上述方案中，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的步骤包括：在溅射前将溅射室真空抽至1×10^-6托到1×10^-7托之间，充入氮气和氩气，二者的比例在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。

上述方案中，所述的氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，在典型的条件下，氮化硅薄膜的厚度为6埃到20埃，氮化铪薄膜的厚度为10埃到100埃。

上述方案中，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摄氏度温度下快速热退火30至120秒，利用腔体中微量的氧气氧化氮化铪薄膜。

上述方案中，所述在退火后的锗片上形成光刻胶图形的步骤包括：采用标准的剥离光刻工艺，涂胶，曝光，显影；形成光刻胶的图形。

上述方案中，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1×10^-6托到1×10^-7托之间，充入氮气和氩气，二者的比例在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。