專利名稱：一種高遷移率mos電容及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體技術領域，具體涉及一種高遷移率MOS電容及其制作方法。
背景技術：
自20世紀60年代以來，硅一直是現(xiàn)代電子工業(yè)中最重要的半導體材料，主要是由于它形成非常高質量的天然氧化物用于表面鈍化。經過40多年的持續(xù)等比例縮小發(fā)展，經典體硅MOSFET的縮小正接近其物理極限，這就需要新材料和新的器件結構的創(chuàng)新。高介電常數(k)材料可以對介質物理厚度的限制放寬k/3. 9倍，其在硅基集成電路領域的研究已取得了不少的進展，Intel公司已將高k柵介質材料和金屬柵應用到了其 45 nm節(jié)點的CPU制造技術當中，取得了優(yōu)異的性能。但是其也面臨著一些問題，如氧化物與界面的質量比SiO2差很多，由于庫倫散射、聲子散射等原因，導致溝道遷移率的下降等。半導體鍺(Ge)的遷移率比硅大的多(電子遷移率約為兩倍，空穴遷移率約為4 倍)，可以緩和MOSFET漏極電流飽和問題，而且與傳統(tǒng)的硅基集成電路技術相兼容，所以鍺被認為是很有前景的溝道替換材料。但是Geh質量不高，表面鈍化不夠充分，所以人們希望能在鍺上直接淀積高k材料而不形成中間層。III-V族半導體材料，如砷化鎵(GaAs)、銦鎵砷(InGaAs)是繼硅之后研究最深入，應用最廣泛的半導體材料，其主要特點包括寬禁帶、直接帶隙和高的電子遷移率(比硅高7-20倍)，適于制作高速、高頻和大功率的電子器件，也可以制作光電子器件，如發(fā)光二極管、可見激光器、紅外探測器等。用砷化鎵材料制作的晶體管速度快、頻率高、功耗低、抗輻射，應用廣闊。但是GaAsUnGaAs與其自身氧化物的界面具有很高的界面態(tài)密度，從而引起費米能級的釘扎和高的表面復合率，影響了它的進一步應用。最近，許多高k柵介質被應用到高遷移率金屬-氧化物-半導體(MOS)上，例如氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯等。他們在減小等效氧化層厚度(EOT)，減小柵泄漏電流，增加空穴遷移率等方面很有潛力。但是，空穴的遷移率和電子的遷移率并沒有達到預期的目標，可能主要是因為柵介質和高遷移率襯底表面形成的界面不夠完美，柵介質和襯底原子相互擴散或者界面態(tài)密度太高造成的，因此在淀積高k柵介質之前需要對這表面進行適當的鈍化處理。另外，發(fā)展與現(xiàn)代CMOS工藝相兼容的薄膜制備技術也是微電子研究的熱點。其中原子層淀積技術(Atomic Layer Deposition,ALD)是一種可對薄膜厚度進行單原子層級別或者說埃()級別控制的化學氣相淀積技術。ALD技術從上世紀70年代發(fā)展至今已取得很大進展，其已寫進了國際半導體技術路線圖(ITRS)，作為與微電子工藝兼容的候選技術在微電子領域顯示出廣闊的應用前景。ALD技術之所以受到業(yè)界青睞，跟它所特有的生長原理和技術特點有關的。ALD淀積雖然是一種化學氣相淀積技術，但與傳統(tǒng)的化學氣相淀積(CVD)技術相比，還是有很大差別的，ALD技術是基于順次進行的表面飽和化學自限制的生長過程，它將反應氣體交替脈沖式的通入到反應腔中。一個ALD反應循環(huán)包含4個步驟(1)第一種反應前體以脈沖的方式進入反應腔并化學吸附在襯底表面；(2)待表面吸附飽和后，用惰性氣體將多余的反應前體吹洗出反應腔；(3)接著第二種反應前體以脈沖的方式進入反應腔，并與上一次化學吸附在表面上的前體發(fā)生反應；(4)待反應完全后再用惰性氣體將多余的反應前體及其副產物吹洗出反應腔。整個ALD生長過程由一個周期的多次循環(huán)重復實現(xiàn)。所有的ALD的本質特征就是表面反應達到飽和，使得生長停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反應已完成的次數，即反應循環(huán)數，這樣可以通過控制淀積的反應循環(huán)數，就可以實現(xiàn)對薄膜厚度的精確控制。另外由于其自限的表面反應，可對高寬比很大的表面形成均勻的覆蓋。此外通過控制不同源脈沖循環(huán)的次數比例也可以控制薄膜中不同物質的含量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能改善高遷移率MOS電容性能的新型MOS結構，并提供其相應的制作方法。本發(fā)明提出的高遷移率MOS電容，由依次排疊的高遷移率襯底(101)、三甲基鋁鈍化層(103)、!1 )2柵介質層(104)和電極(105)構成。其制作方法包括以下步驟
(1)清洗高遷移率襯底；該襯底可以是鍺、砷化鎵或銦鎵砷等
(2)形成三甲基鋁鈍化層將清洗好的襯底放入ALD反應腔進行三甲基鋁鈍化，溫度為 150-250 oC ；
(3)形成HfO2柵介質層將經過鈍化的襯底進行柵介質的淀積反應，反應腔溫度為 150-300°C,反應腔的工作壓強為2-5 torr ；順次通入Hf源Hf [N(C2H5) (CH3)J4和去離子水以完成一個ALD循環(huán)；完成規(guī)定數量的循環(huán)以達到要求厚度；
(4)制作電極。上述步驟(1)清洗高遷移率襯底過程為若為Ge基襯底先將襯底在乙醇中浸泡 5-10 min，然后再在丙酮中超聲清洗5-10 min，然后再用乙醇超聲清洗5_10 min用以去除表面油污等雜質，用去離子水沖洗幾次后用1 :50的氫氟酸和去離子水循環(huán)幾次超聲震蕩和漂洗以去除表面天然GeOx，每步15-20 s，最后用高純氮吹干待用；若為GaAs或InGaAs 襯底先將襯底晶體用乙醇棉球擦拭4-5次，然后在C^KSO4 ΦH3PO4配比為3:1的溶液中沸煮4-8 min以去除表面的氧化物，然后在高純度的乙醇中沸煮2_3次，每次8_10 min以去掉襯底表面溶于乙醇的有機物，然后用去離子水沖洗干凈；最后用氮氣槍吹干待用。上述步驟(2)形成三甲基鋁鈍化層的過程為將清洗過的高遷移率襯底放入 150-250 °C的ALD反應腔中通入三甲基鋁(TMA) 5-10 min，載氣流量為300-600 sccm ；或順次通入幾個循環(huán)的三甲基鋁(TMA)和水脈沖，脈沖時間分別為0. 1-0.5 s，吹洗時間分別為0.5-1 s，載氣流量300-400 sccm.通入的TMA會和襯底的自然氧化層發(fā)生反應，形成一層極薄的Al2O3層，消除性能不穩(wěn)定的自然氧化層，大大提高器件性能。上述步驟(3) ALD淀積過程一個循環(huán)的步驟為首先通入Hf [N(C2H5) (CH3) ]4脈沖 1-5 s，然后通入N2脈沖1-5 s，再次通入H2O脈沖0.3-1.0 s，最后通入N2脈沖0. 5-2. 0 S。本發(fā)明在高遷移率襯底表面和HfO2柵介質之間插入了一層三甲基鋁處理后的鈍化層，清除了襯底表面清洗后殘留的氧元素對襯底的影響，防止了襯底元素與柵介質元素的相互擴散，減小了缺陷電荷和界面態(tài)密度，大大改善了高遷移率MOS電容的電學性能。


圖1為整個高遷移率MOS電容的制作流程圖。圖2為清洗前的高遷移率襯底結構。圖3為清洗后的高遷移率襯底結構。圖4為在襯底上經過三甲基鋁鈍化后的結構。圖5為在鈍化處理后的襯底上淀積HfO2柵介質后的結構。圖6為在柵介質上淀積金屬電極后的結構。
具體實施例方式下面結合整個高遷移率MOS電容的制作流程圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸。盡管這些圖并不能完全準確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結構之間的相互關系。1)若襯底為鍺(Ge)基襯底，其步驟如下
步驟1 選取商業(yè)單晶Ge片，η型Sb摻雜，晶向(100)，電阻率0. 21-0. 26 Ω · cm作為襯底，即圖2中的101層，但未經清洗的Ge襯底表面會有一層自然氧化的GeOx,即圖2中
的102層；步驟2將襯底放入乙醇中浸泡10 min ；步驟3將襯底放入丙酮中超聲清洗10 min ；步驟4將襯底放入乙醇中超聲清洗10 min ；步驟5用去離子水沖洗幾次；步驟6將襯底放入1 :50的氫氟酸溶液超聲震蕩15 s ；步驟7將襯底取出用去離子水漂洗15 s ；步驟8重復步驟6和7幾次以去除自然GeOx層；步驟9用N2將襯底吹干，即得圖3所示的高遷移率襯底，其表面上會殘留很少的氧元
素，如102’所示；
步驟10 將襯底放入ALD反應腔，溫度為200°C，通入TMA 5-lOmin，或順次通入幾個循環(huán)的三甲基鋁(TMA)和水脈沖，脈沖時間分別為0. 1-0. 5 s，吹洗時間分別為0. 5-1 s，形成一層薄的氧化鋁鈍化層，圖4中103所示即為氧化鋁鈍化層；
步驟11 鈍化之后，即開始ALD生長HfO2介質層，順次通入Hf源與去離子水，達到要求的循環(huán)數以獲得要求厚度的柵介質薄膜，其中生長時，反應腔壓力為2-5 torr，一個循環(huán)周期通入氣體的時間分別為 Hf [N (C2H5) (CH3) ]4 :N2 :H20 :Ν2=1· 0 s :3. 0 s:0. 3 s:l. 0 s,形成如圖5所示的結構，104層為ALD淀積的Η 2。步驟12 取出反應腔中的Ge片，淀積電極。電極材料可以選用鋁、金、鉬、氮化鈦等多種材料，制作方法可采用蒸發(fā)、濺射等多種工藝，形成圖6所示的結構，105代表形成的電極。2)若襯底為GaAs或InGaAs半導體，其步驟如下
步驟1 選取GaAs或InGaAs片作為襯底，即圖2中的101層，但未經清洗的襯底表面會有一層自然氧化層，即圖2中的102層；步驟2 襯底晶體用乙醇棉球擦拭4-5次；
步驟3 在C^H2SO4 ΦH3PO4配比為3:1的溶液中沸煮4-8 min以去除表面的氧化物； 步驟4 在高純度的乙醇中沸煮3次，每次8 min以去掉襯底表面溶于乙醇的有機物； 步驟5:用去離子水沖洗干凈；
步驟6 用氮氣槍吹干待用，形成如圖3所示結構，102’層表示殘留表面的氧元素； 步驟7 將襯底放入ALD反應腔，溫度為200°C，通入TMA 5-lOmin，或順次通入幾個循環(huán)的三甲基鋁(TMA)和水脈沖，脈沖時間分別為0. 1-0. 5 s，吹洗時間分別為0. 5-1 s，形成一層薄的氧化鋁鈍化層，圖4中103所示即為氧化鋁鈍化層；
步驟8 鈍化之后，即開始ALD生長HfO2介質層，順次通入Hf源與去離子水，達到要求的循環(huán)數以獲得要求厚度的柵介質薄膜，其中生長時，反應腔壓力為2-5 torr，一個循環(huán)周期通入氣體的時間分別為 Hf [N (C2H5) (CH3) ]4 :N2 :H20 :Ν2=1· 0 s :3. 0 s:0. 3 s:l. 0 s,形成如圖5所示的結構，104層為ALD淀積的HfO2 ；
步驟9 取出反應腔中的樣品，淀積電極。電極材料可以選用鋁、金、鉬、氮化鈦等多種材料，制作方法可采用蒸發(fā)、濺射等多種工藝，形成圖6所示的結構，105代表形成的電極。
權利要求
1.一種高遷移率MOS電容，其特征在于由依次排疊的高遷移率襯底(101)、三甲基鋁鈍化層(103)、HfO2柵介質層(104)和電極(105)構成。
2.一種高遷移率MOS電容的制作方法，其特征在于包括以下步驟(1)清洗高遷移率襯底；(2)形成三甲基鋁鈍化層對清洗好的襯底放入ALD反應腔進行三甲基鋁鈍化，溫度為 150-250 0C ；(3)形成HfO2柵介質層將經過鈍化的襯底進行柵介質的淀積反應，反應腔溫度為 150-300°C,反應腔的工作壓強為2-5 torr ；順次通入Hf源Hf [N(C2H5) (CH3)J4和去離子水以完成一個ALD循環(huán)；完成規(guī)定數量的循環(huán)以達到要求厚度；(4)制作電極。
3.根據權利要求2制作方法，其特征在于步驟(1)所述清洗的步驟為若所述襯底為Ge基襯底，先將襯底在乙醇中浸泡5-10 min,再在丙酮中超聲清洗5_10 min，然后再用乙醇超聲清洗5-10 min,以去除表面雜質；用去離子水沖洗幾次；然后用1 50的氫氟酸和去離子水循環(huán)幾次超聲震蕩和漂洗以去除表面天然GeOx，每次循環(huán)時間為 15-20 s ；最后用高純氮吹干待用；若所述襯底為GaAs或InGaAs襯底，先將襯底晶體用乙醇棉球擦拭4_5次，然后在 Φ腳4 Φη3ρο4配比為3:1的溶液中沸煮4-8 min,以去除表面的氧化物；然后在高純度的乙醇中沸煮2-3次，每次8-10 min,以去掉襯底表面溶于乙醇的有機物，然后用去離子水沖洗干凈；最后用氮氣槍吹干待用。
4.根據權利要求2所述的制作方法，其特征在于步驟(2)形成三甲基鋁鈍化層步驟為將清洗過的高遷移率襯底放入150-250 °C WALD反應腔中，通入三甲基鋁5_10 min, 載氣流量為300-600 sccm ；或順次通入三甲基鋁和水，脈沖時間分別為0. 1-0. 5 s，吹洗時間分別為0.5-1 s，載氣流量300-400 sccm。
5.根據權利要求2所述的制作方法，其特征在步驟(3)中每一個循環(huán)的步驟為首先通入Hf[N(C2H5) (013)]4脈沖1-5 s，然后通入N2脈沖1-5 s，再次通入H2O脈沖0. 3-1. 0 s,最后通入N2脈沖0. 5-2. 0 S。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導體技術領域，具體為一種高遷移率MOS電容及其制作方法。本發(fā)明提出的MOS電容結構依次為遷移率襯底、三甲基鋁鈍化層、HfO2柵介質層和電極。其制作方法包括清洗高遷移率襯底，襯底表面形成三甲基鋁鈍化層，ALD淀積HfO2柵介質，制作電極。本發(fā)明中的三甲基鋁鈍化層可以減小襯底表面的殘余氧化物含量從而減小與柵介質材料的界面態(tài)密度，改善界面特性。所淀積的HfO2介質層具有薄膜厚度的精確控制性，優(yōu)異的保形性，良好的界面控制能力，極好的大面積均勻性，因此可大大提高MOS電容的電學特性，從而提高MOS晶體管的性能。
文檔編號H01L29/94GK102403367SQ20111039738
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權日2011年12月5日
發(fā)明者盧紅亮, 周鵬, 孫清清, 張衛(wèi), 王鵬飛, 耿陽 申請人:復旦大學