[发明专利]Ge基三栅器件及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路及其制造技术领域，提出了一种锗基（Ge）三栅（Tri-Gate）晶体管的结构形式及制造方法。

背景技术

随着集成电路技术的发展，为了集成电路的性能，三栅（Tri-gate）器件因其与平面器件以及二维器件相比具有更高的开关比和极好的短沟道效应控制能力等突出优点逐渐地被应用于集成电路的制造中。与传统的硅基三栅器件相比，锗基三栅器件的突出优势在于它有比硅高得多的电子和空穴迁移率，从而可以大大提高晶体管的驱动电流。其次，锗的带隙（约0.66eV）也比硅的带隙（1.1eV）窄，这也使得其工作电压可进一步扩展。最后，由于锗基三栅器件的离子注入激活温度为500~600℃，而硅为1000~1100℃，其更低的热预算也使得锗材料对于高k/金属栅极的集成特别重要。

遗憾的是，通过在半导体锗上直接沉积高介电常数材料如氧化铪形成的电容器电性能极差。该结构的高频电容-电压（C-V）特性并没有呈现出在金属氧化物半导体（MOS）电容器中观察到的从积累区到耗尽区的典型跃迁（电容下降）。相反，其平台状的C-V特性表明锗表面费米能级由于极高密度（1013~1014cm-2范围内）界面态的存在而被锁定在一固定值。通过栅极电介质的漏电流也很高。这些不良的电性能有可能是在氧化铪层的沉积过程或沉积后的退火过程（PDA）中界面锗-铪键的形成以及锗在氧化铪层中的扩散引起的。因此需要对高k栅介质/锗的界面进行适当的钝化。

研究表明，超薄（0.3~0.5nm）氧化锗（GeO2）中间层可以大大提高器件的性能。在目前已有的发明或公开的研究中，中间层的制备通常是利用传统管式炉对锗表面进行热氧化或是通过电子回旋共振（ECR）等离子体对锗表面进行氧化。但是，这两种制备工艺却都存在有明显的不足，利用传统管式炉氧化的步骤是先将管内温度升到所需的值（>400℃），再将样品推进炉管内氧化，等待时间到取出样品，最后是降温。整个过程耗时长（>2h），影响实验效率，最关键的是难以控制氧化时间，因为锗很容易被氧化，利用该方法形成的氧化锗钝化层通常较厚（>2nm），从而非常不利于栅氧厚度的进一步减小。而利用电子回旋共振（ECR）等离子体氧化的方法操作繁琐，耗时耗电，设备昂贵而且占空间，对生产条件有非常大的限制，所以该方法也不适合应用到实际的生产中。

发明内容

为克服上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种高性能锗基（Ge）三栅（Tri-Gate）晶体管的结构形式及制造方法，减小栅氧厚度，具有较高的效率和较低的耗电量，且制造方法简单，适于广泛应用到实际生产中。

为达成上述目的，本发明提出一种锗基三栅器件，包括单晶硅衬底、二氧化硅绝缘层、单晶锗体、氧化锗过渡层、栅极介质层和栅电极，在单晶硅衬底上形成二氧化硅绝缘层，单晶锗体形成于二氧化硅绝缘层上，且氧化锗过渡层形成于单晶锗体的三面上且包围单晶锗体的这三面，栅极介质层形成于氧化锗过渡层上并包围氧化锗过渡层的这三面，栅电极为堆垛结构，栅电极设置栅极介质层的三面上且包括所述栅极介质层的三面，且锗基三栅器件的源极区和漏极区形成于栅电极相对的两侧。

为达上述目的，本发明另提出一种锗基三栅器件的制造方法，包括下列步骤：

1)、清洗锗基底，具体方法是丙酮超声1分钟、去离子水超声1分钟、丙酮超声1分钟、去离子水超声1分钟、去离子水冲洗干净、质量分数为15%的HF溶液浸泡15分钟、去离子水冲洗干净、氮气吹干待用；

2)、采用通用的离心旋涂光刻胶工艺将液态的光刻胶均匀涂布到锗基底表面，转速3000转/秒，时间40秒，光刻胶平均厚度约1.5微米；

3)、采用带有锗体结构图形的光刻板进行第一次光刻以形成锗体结构，方法是将带有锗体结构的光刻板覆盖在涂有光刻胶的锗基底上深紫外曝光，曝光时间6秒；

4)、采用显影技术将曝光过的样品显影以形成锗体图形，方法是运用显影液对曝光过的样品进行显影处理，显影时间为10秒；

5)、运用干法离子刻蚀技术刻蚀出锗体结构，具体方法是将带有锗体图形结构的光刻胶样品放入干法离子刻蚀机中进行相应时间的刻蚀，刻蚀气体为SF6/O2，刻蚀功率为100W；

6)、采用丙酮将步骤5）残留的光刻胶清洗干净后，运用牺牲氧化工艺去除锗体表面的质量较差的锗表面层，具体方法是将带有锗体结构的样品在550℃氧气氛中氧化一段时间以形成氧化锗，并用稀释的氢氟酸溶液将氧化形成的氧化锗漂洗干净；