[发明专利]一种锗基MOSFET栅介质的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成技术领域，尤其涉及一种锗基MOSFET栅介质的制备方法。

背景技术

半导体技术作为信息产业的核心和基础，被视为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。在过去的40多年中，以硅基CMOS技术为基础的集成电路技术遵循摩尔定律通过缩小器件的特征尺寸来提高芯片的工作速度、增加集成度以及降低成本，集成电路的特征尺寸由微米尺度进化到纳米尺度。但是当MOS器件的栅长减小到90纳米后，栅氧化层的厚度只有1.2纳米，摩尔定律开始面临来自物理与技术方面的双重挑战。

学术界与产业界普遍认为，采用高迁移率沟道材料替代传统硅材料将是CMOS技术的重要发展方向，其中锗沟道材料最有可能在近期实现大规模应用。锗的空穴迁移率和电子迁移率都比硅要高，锗沟道CMOS器件已经成为解决硅基CMOS遇到的问题的有效途径。然而锗基MOSFET亟需获得热稳定高、界面态密度小、等效氧化层厚度薄的高介电常数的栅介质材料，这已经成为当前研究的重点与难点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种锗基MOSFET栅介质的制备方法，以在锗表面形成热稳定高、界面态密度小、等效氧化层厚度薄的栅介质。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种锗基MOSFET栅介质的制备方法，包括：步骤1：清洗锗衬底表面；步骤2：在清洗后的锗衬底表面沉积阻挡层；步骤3：利用氧等离子体处理所述沉积了阻挡层的锗衬底表面，在阻挡层与锗衬底的界面处形成二氧化锗层；步骤4：在氧等离子体氧化后的锗衬底表面沉积高介电常数的栅氧化物层。

上述方案中，步骤1中所述锗衬底包括锗片、绝缘体上锗片、硅上外延锗片或化合物半导体上外延锗片；所述清洗锗衬底表面，首先用丙酮和乙醇各清洗1-10分钟，然后用去离子水冲洗干净，接着采用氢氟酸、盐酸的一种或两种与去离子水混合后的溶液去除锗衬底表面自然氧化物层。

上述方案中，步骤2中所述在清洗后的锗衬底表面沉积阻挡层是采用原子层沉积、化学气相沉积、脉冲激光溅射或分子束外延的方法在清洗后的锗衬底表面沉积三氧化二镧。所述三氧化二镧的厚度在3埃至10纳米之间。

上述方案中，步骤3中所述利用氧等离子体处理所述沉积了阻挡层的锗衬底表面，是利用直接离化的氧等离子体或间接离化的氧等离子体处理所述沉积了阻挡层的衬底表面，氧等离子扩散进入到阻挡层与锗衬底的界面处，从而氧化界面处的锗，在该界面形成二氧化锗层。所述直接离化的氧等离子体是由氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一种或多种经过等离子体发生器离化形成的等离子体，或者是由氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一种或多种与氮气、氦气、氩气中的的一种或多种混合后的气体经过等离子体发生器离化形成的等离子体。所述间接离化的氧等离子体是由氮气、氦气、氩气中的一种或多种经过等离子体发生器离化形成等离子体源，该等离子体源再与氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化二氮中的一种或多种混合气体混合使其离化而形成的等离子体。所述等离子体发生器工作功率在0-200瓦每平方厘米之间。

上述方案中，所述利用直接离化的氧等离子体或间接离化的氧等离子体处理所述沉积了阻挡层的衬底表面，处理时间在1毫秒至1小时之间，处理温度在20摄氏度至500摄氏度之间。

上述方案中，步骤4中所述在氧等离子体氧化后的锗衬底表面沉积高介电常数的栅氧化物层，是采用原子层沉积、化学气相沉积、脉冲激光溅射或分子束外延的方法在氧等离子体氧化后的锗衬底表面沉积高介电常数的氧化物作为栅氧化物层。所述高介电常数的氧化物包括铝基、锆基、铪基、钆基、镓基、镧基或钽基氧化物，氧化物中的掺杂元素为铝、锆、铪、钆、镓、镧、钽、氮或磷，氧化物中掺杂元素的原子数量与总的金属元素的原子数量的比值＝x∶(1-x)，其中x的取值范围为0≤x＜1；所述栅氧化物层的厚度在3埃至10纳米之间。

(三)有益效果

本发明提供的这种制备锗基MOSFET栅介质的方法，采用具有高介电常数的三氧化二镧作为阻挡层材料，三氧化二镧的介电常数在20以上，阻挡层等效氧化层厚度很小；三氧化二镧和锗界面比较稳定，不易形成互扩散层；氧等离子体在氧化锗表面时由于有阻挡层，锗表面不易形成等离子表面损伤；通过控制氧等离子体表面处理时间，可以控制二氧化锗层厚度，且锗-二氧化锗界面热稳定性高、界面态密度低；最上层栅介质层沉积后，整个复合栅介质得等效氧化层厚度可以达到小于1纳米，从而提高了锗沟道MOSFET器件的电学特性。