鍺基襯底表面鈍化方法技術

本發明專利技術公開了一種鍺基襯底表面鈍化方法，先對鍺基襯底進行表面清洗，然后將其放入等離子體腔內，利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體，對鍺基襯底表面進行等離子體浴處理，并且在等離子體浴處理過程中施加引導電場，引導等離子體漂移至鍺基襯底表面。該處理使活性的多鍵原子和鍺表面原子形成共價鍵連接，而不生成含鍺化合物的界面層，從而既鈍化了表面懸掛鍵，又降低了鍺表面原子脫離鍺基襯底表面而擴散的幾率，同時不會引入界面層而不利于EOT的減薄。而且，施加引導電場能有效抑制鍺亞氧化物的形成，提高鈍化效率，減小界面態密度。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于半導體器件領域，具體涉及一種半導體表面鈍化方法。
技術介紹
隨著硅基金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)幾何尺寸縮小到納米尺度，傳統通過縮小器件尺寸提升性能和集成度的方法正面臨物理和技術的雙重極限考驗。為了進一步提高器件性能，有效方法之一是弓I入高遷移率溝道材料。由于同時具有較高的電子和空穴遷移率(室溫(300K)下，鍺溝道的電子遷移率是硅的2. 4倍，空穴遷移率是硅的4倍)，鍺材料以及鍺基器件成為一種選擇。目前，在鍺基MOS器件的制備技術中，鍺襯底與柵介質之間的界面問題是影響鍺基MOS器件性能提高的關鍵因素之一。其界面處所存在問題主要有兩點，一是界面態密度·高，二是表面鍺原子易外擴散。目前，解決該問題的主要方法大致分為兩大類。一是采用傳統硅技術中的H鈍化以及Cl鈍化等實現表面懸掛鍵鈍化以降低界面態，但研究表明，該方法的鈍化效果，如形成的Ge-H，Ge-Cl鍵化學穩定性差，易斷裂，不能有效抑制鍺表面原子的外擴散問題。二是在鍺襯底和柵介質的界面處插入一層超薄層，可以是介質也可以是半導體外延層，如Si02、Ge0xNy、Si等，但這種方法不利于等效柵氧化層厚度(EOT)的減薄。因此，對于鍺基器件制備，需要一種鈍化辦法來以同時實現如下效果表面懸掛鍵鈍化、抑制表面鍺原子擴散以及有利于EOT減薄。
技術實現思路
為了滿足鍺基器件制備的需要，本專利技術提出了一種通過特定條件的等離子浴處理實現鍺襯底的表面鈍化的方法。本專利技術的具體技術方案如下—種鍺基襯底的表面鈍化方法，對鍺基襯底進行表面清洗，然后將其放入等離子體腔內，利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體，對鍺基襯底表面進行等離子體浴處理，并且在等離子體浴處理過程中施加引導電場，引導等離子體漂移至鍺基襯底表面。上述對鍺基襯底表面進行鈍化的方法中，在進行等離子體浴之前先對鍺基襯底表面進行清洗，以去除表面沾污和自然氧化層。上述對鍺基襯底表面進行鈍化的方法中，所謂等離子體浴處理是將需要處理的基片置于反應氣體電離形成的等離子體環境中一定時間。所述等離子體腔可以是感應耦合等離子體(ICP)腔，也可以是其它任何可以產生等離子體的腔體。所述多鍵原子是指原子最外層電子數小于7，能形成多個共價鍵的非金屬原子，比如氮，硫，磷等。所述多鍵原子對應的反應氣體是指能產生具有多個共價鍵的非金屬原子的氣體，可以是多鍵原子對應的單質氣體(例如能形成三個共價鍵的氮原子對應的氮氣)，和/或含多鍵原子的氫化物(例如含有能形成三個共價鍵的氮原子的氨氣，含有能形成兩個共價鍵的硫原子的硫化氫，及含有能形成三個共價鍵的磷原子的磷化氫等)，也可以是多鍵原子對應的單質氣體和含多鍵原子的氫化物中的一種或多種氣體與惰性原子氣體(如Ar氣)的混合氣體。上述鍺基襯底的表面鈍化方法中，若只使用多鍵原子對應的單質氣體(和/或含多鍵原子的氫化物)，氣體流量可以為5 100SCCm ;而對于多鍵原子對應的單質氣體(和/或含多鍵原子的氫化物)與惰性原子氣體的混合氣體的情況，多鍵原子對應的單質氣體(和/或含多鍵原子的氫化物)與惰性原子氣體的 流量分別為5 100sCCm和2 100sCCm。上述鍺基襯底的表面鈍化方法，等離子體浴過程中氣壓為SlOOmTorr。用于產生等離子體的功率一般為2(Tl500W ;等離子體浴處理時間為5s 60min。在等離子體浴過程中所施加的引導電場強度要求為，電場使離子加速到鍺基襯底表面時能量達到5 50eV。本領域技術人員可以利用現有的等離子體處理設備來產生所述引導電場，例如利用等離子體腔設備(如ICP刻蝕系統)中的RIE (反應離子刻蝕)功率產生引導電場。本專利技術的鍺基襯底表面鈍化方法適用于體Ge襯底、GOI襯底或任何表面含有Ge外延層的襯底，也適用于含鍺的化合物半導體襯底，比如SiGe，GeSn等。鈍化處理后的鍺基襯底上淀積柵介質，然后進行后續工藝以制備MOS電容或器件。本專利技術優點如下本專利技術利用等離子體浴、并且在等離子體浴處理過程中施加引導電場的方法，使活性的多鍵原子和鍺表面原子形成共價鍵連接，而不生成含鍺化合物的界面層。這樣，既鈍化了表面懸掛鍵，從而降低界面態，又利用多鍵原子與鍺表面相鄰的鍺原子的多個單鍵鍵連接，降低鍺表面原子脫離鍺基襯底表面而擴散的幾率，達到加固鍺表面原子和有效抑制表面鍺原子外擴散的效果，同時不會引入界面層而不利于EOT的減薄，如圖I所示(以氮原子鈍化為例)。與單鍵原子的鈍化方法(如Ge-H，Ge-Cl)相比，，本專利技術的多鍵原子鈍化能將臨近的多個鍺原子連接在一起，有效地抑制鍺外擴散。與無引導電場的多鍵原子等離子體浴鈍化處理相比，本專利技術在等離子體浴處理過程中施加引導電場，使更多的等離子體漂移到鍺表面，實現鍺表面的有效鈍化，提高鈍化效率。圖2給出了經過N2+Ar混合氣體的等離子浴鈍化處理制作的MOS電容的TEM圖圖2(a)為等離子體浴處理(無施加引導電場)鈍化，圖2(b)為等離子浴處理過程中施加引導電場(本例利用ICP刻蝕系統中的RIE功率產生引導電場，施加的RIE功率為30W)鈍化?？梢钥吹剑┘右龑щ妶?即施加RIE功率)后，柵介質與鍺襯底間的界面相比于無引導電場處理的更清晰、分明，能有效抑制鍺亞氧化物的形成(即防止在淀積柵氧化物及其后的熱工藝過程中鍺襯底表面被氧化形成亞氧化物)，有文獻指出，鍺亞氧化物是引入慢界面態的主要來源。由此說明施加引導電場能有效提高鈍化效率，減小界面態密度。附圖說明圖I所示為本專利技術所提出的鍺基襯底表面鈍化方法的原理示意圖。圖2所示為等離子浴過程中沒有施加引導電場(a)和施加引導電場(RIE功率為30W) (b)后鈍化形成的MOS電容。圖3所示為實施例對半導體鍺襯底進行表面鈍化的方法示意圖；圖中I一氮原子；2—鍺原子；3—半導體鍺襯底；4一柵介質。具體實施例方式以下結合附圖和鍺襯底，通過具體的實施例對本專利技術所述的方法做進一步描述。I)對鍺襯底進行清洗，并清除表面氧化 層，如圖3(a)所示；2)將清洗好的鍺襯底放入感應耦合等離子體腔，利用反應氣體產生等離子體并對鍺片進行等離子體浴處理，并在等離子浴處理的同時施加RIE功率。反應氣體可以是多鍵原子對應的單質氣體和/或含多鍵原子的氫化物，也可以是多鍵原子對應的單質氣體和含多鍵原子的氫化物中的一種或多種氣體與惰性原子氣體(如Ar氣)的混合氣體。本實施例優選為用N2與Ar混合氣體產生氮等離子體，對鍺襯底進行等離子體浴處理，如圖3(b)所示。其中，N2流量為5l00sccm,本實施例優選為8sccm ;Ar流量為2 lOOsccm，本實施例優選為12sccm ;等離子體處理腔的氣壓為8 200mTorr，本實施例優選為IOmTorr ;等離子體處理的功率為2(Tl500W，本實施例優選為500W ；RIE功率為5 80W，本實施例優選為30W ;襯底溫度為室溫；等離子體浴處理的時間為5iT60min，如2min。3)在步驟2)處理后的鍺襯底上淀積柵介質，如圖3(c)所示。其中柵介質可以是SiO2, A1203、Y2O3> HfO2, ZrO2, GeO2, La2O3 等，可以采用濺射、CVD, ALD、MBE 等方法；柵介質厚度在2 20nm之間，如5nm。以上通過特定實施例詳細描述了本專利技術本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鍺基襯底的表面鈍化方法，對鍺基襯底進行表面清洗后將其放入等離子體腔內，利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體，對鍺基襯底表面進行等離子體浴處理，并且在等離子體浴處理過程中施加引導電場，引導等離子體漂移至鍺基襯底表面，其中所述多鍵原子是指原子最外層電子數小于7，能形成多個共價鍵的非金屬原子。

【技術特征摘要】
1.一種鍺基襯底的表面鈍化方法，對鍺基襯底進行表面清洗后將其放入等離子體腔內，利用多鍵原子對應的反應氣體產生等離子體，對鍺基襯底表面進行等離子體浴處理，并且在等離子體浴處理過程中施加引導電場，引導等離子體漂移至鍺基襯底表面，其中所述多鍵原子是指原子最外層電子數小于7，能形成多個共價鍵的非金屬原子。2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述等離子體腔是感應耦合等離子體腔。3.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述多鍵原子對應的反應氣體是多鍵原子對應的單質氣體和/或含多鍵原子的氫化物，或者是多鍵原子對應的單質氣體和/或含多鍵原子的氫化物中的一種或多種氣體與惰性原子氣體的混合氣體。4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述多鍵原子對應的反應氣體是氮氣、氨氣、硫化氫和/或磷化氫，或者是氮氣、氨氣、硫化氫和磷化氫中的一種或多種氣體與惰性原子氣體的混合氣體。5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述多鍵原子對應的反應氣體是多鍵原子對應的單質氣體和...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃如，林猛，云全新，李敏，王佳鑫，安霞，黎明，張興，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：