[发明专利]一种锗基衬底的表面钝化方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种半导体表面钝化方法。

背景技术

在过去的40多年里，集成电路技术遵循摩尔定律迅速发展，通过减小金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)几何尺寸，实现集成电路集成度及功能的迅速提升。但是，随着器件特征尺寸缩小到纳米尺度，器件特征尺寸的进一步缩小使晶体管逐渐达到物理和技术的双重极限，传统体Si器件性能难以按照以往速度进一步提升。进一步提高器件性能的有效方法之一是引入高迁移率沟道材料。由于同时具有较高的电子和空穴迁移率（室温（300K）下，锗沟道的电子迁移率是硅的2.4倍，空穴是硅的4倍），锗材料以及锗基器件成为一种选择。

目前，在锗基MOS器件的制备技术中，锗衬底与栅介质之间的界面问题是影响锗基MOS器件性能提高的关键因素之一。其界面处所存在问题主要有两点，一是界面态密度高，二是表面锗原子易外扩散。目前，解决该问题的主要方法大致分为两大类。一是采用传统硅技术中的H钝化以及Cl钝化等实现表面悬挂键钝化以降低界面态，但研究表明，该方法的钝化效果，如形成的Ge-H，Ge-Cl键化学稳定性差，易断裂，不能有效抑制锗表面原子的外扩散问题。二是在锗衬底和栅介质的界面处插入一层超薄层，可以是介质也可以是半导体外延层，如SiO2、GeOxNy、Si等，但这种方法不利于等效栅氧化层厚度（EOT）的减薄。

因此，对于锗基器件制备，需要一种钝化办法来以同时实现如下效果：表面悬挂键钝化、抑制表面锗原子扩散以及有利于EOT减薄。

发明内容

为了满足锗基器件制备的需要，本发明提出了一种通过等离子浴处理（所谓等离子体浴处理：将需要处理的基片置于反应气体电离形成的等离子体环境中），用多键原子（即原子最外层电子数小于7，能形成多个共价键的非金属原子，比如氮，硫，磷等）实现锗衬底的表面钝化的方法。

本发明的具体技术方案如下：一种锗基衬底的表面钝化方法，其步骤包括：

1）对锗衬底基片表面进行清洗，以去除表面沾污和自然氧化层；

2）将锗衬底基片放入等离子体腔内；

3）利用多键原子对应的反应气体产生等离子体并对锗衬底基片进行等离子浴处理；

4）淀积栅介质，进行后续工艺以制备MOS电容或器件。

所述步骤1)中，半导体锗衬底可以是体Ge衬底、GOI衬底或任何表面含有Ge外延层的衬底。

所述步骤2）中等离子体腔可以是感应耦合等离子体腔，也可以是其它任何可以产生等离子体的腔体。

所述步骤3）中反应气体可以是多键原子对应的单质气体（例如能形成三个共价键的氮原子对应的氮气）或者含多键原子的氢化物（如含有能形成三个共价键的氮原子的氨气，含有能形成个两个共价键的硫原子的硫化氢及含有能形成三个共价键的磷原子的磷化氢等），也可以是多键原子对应的单质气体（或含多键原子的氢化物）与惰性原子气体（如Ar气）的混合气体；

所述步骤3）中反应气体若只使用多键原子对应的单质气体（或含多键原子的氢化物），气体流量为5~100sccm；对于多键原子对应的单质气体（或含多键原子的氢化物）与惰性原子气体（如Ar气）的混合气体的情况，多键原子对应的单质气体（或含多键原子的氢化物）与惰性原子气体的流量分别为5~100sccm，2~100sccm；

所述步骤3）中反应气体的气压为8~200mTorr；

所述步骤3）中用于产生等离子体的功率为20~1500W；

所述步骤3）中等离子体浴处理时间为5s~60min；

所述步骤1）~5）中以锗衬底为例进行技术介绍，锗衬底基片也可以是含锗的化合物半导体衬底，比如SiGe，GeSn等；

本发明利用等离子体浴的办法，使活性的多键原子和锗表面原子形成共价键连接，而不生成含锗化合物的界面层。这样，既钝化了表面悬挂键从而降低界面态，又利用多键原子与锗表面相邻的锗原子的多个单键键连接，降低锗表面原子脱离锗衬底表面而扩散的几率，达到加固锗表面原子和有效抑制表面锗原子的外扩散效果；同时不会引入界面层而不利于EOT的减薄，如图1所示（以氮原子钝化为例）。该方法利用具有高价态（<-1价）的离子对锗表面进行钝化，可有效钝化锗表面悬挂键、降低界面态，且能够有效加固锗表面原子以抑制表面锗原子的扩散问题，同时有利于EOT的比例缩小。

附图说明

图1所示为本发明所提表面钝化方法的原理示意图；

图2所示为本发明所提出的表面钝化方法的流程图；