一种锗基MOS器件制造技术

本实用新型专利技术提供了一种ALD沉积高k值材料的锗基MOS器件衬底的表面钝化方法及得到的锗基MOS器件，该锗基MOS器件，其结构依次由：锗衬底层，钝化层，高k值栅极介质层和金属电极构成，所述钝化层为锗衬底层表面的Ge-R键，所述的高k值栅介质选自Al2O3、Ti2O3、HfO2、ZrO2、La2O3中的任一种或者两种以上相互掺杂。本实用新型专利技术的锗基MOS器件为羟基对锗衬底表面的钝化，有效地减小锗衬底与栅介质之间的界面态密度，明显提高了钝化效果。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及半导体器件领域，具体而言，本技术涉及一种ALD沉积高k值材料的锗基MOS器件衬底的表面钝化方法及锗基MOS器件。
技术介绍
由于硅的天然氧化物质量非常高，能够方便的制造金属-氧化物-半导体场效应晶体管，因此，硅一直是现代电子工业中重要的半导体材料。经过40多年的持续小型化，半导体器件的特征尺寸进入到45nm技术节点以后，基于硅材料的MOSFET的正接近其基本的物理极限。如果继续缩小尺寸，隧穿和巨大的漏电将给晶体管工作带来巨大的影响。为了减小栅隧穿电流，降低器件的功耗，消除多晶硅耗尽效应和p型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(PMOSFET)中硼穿透引起的可靠性问题，缓解费米能级钉扎效应，高介电常数(k)材料，例如HfO2，代替传统的SiO2结构成为了必然的趋势。和传统的二氧化硅栅介质相比，高介电常数(k)材料可以对介质物理厚度的限制放宽k/3.9倍,而不影响器件的电学性质。在硅衬底上的研究已经取得了很大进展，Intel公司已将高k值栅介质材料和金属栅应用到了其45nm节点的CPU制造技术当中，取得了优异的性能。然而，根据国际半导体技术发展蓝图，CMOS技术将于2015-2020年进入16nm技术节点。浸入式光刻的延伸技术、迁移率增强衬底技术、超浅结(以及其他应变增强工程等方法，将成为16nm节点的关键技术问题。由于衬底迁移率对器件性能有很大影响，迁移率增强衬底技术得到了越来越广泛的关注。锗因其极高的载流子迁移率，且与半导体工艺兼容，被认为是最具潜力的高迁移率半导体材料。锗的电子迁移率与空穴迁移率分别大约是硅的2与4倍，而且迁移率还可以通过应变增强技术得到进一步提高，是CMOS器件理想的沟道材料。
技术实现思路
本技术所要解决的第一方面问题在于为了提高锗基MOS器件的性能，提供了一种用ALD方法沉积高k值材料的锗基MOS器件衬底的表面钝化方法。该方法能在不影响提高氧化层介电常数的前提下，有效地防止锗衬底在沉积过程中的氧化，减小锗衬底与栅介质界面处的界面态密度、改善衬底与栅介质的界面质量，提高锗基MOS器件的性能。为解决上述技术问题，本技术提供的一种ALD沉积高k值材料的锗基MOS器件衬底的表面钝化方法，其包括如下步骤：(1)对锗衬底进行清洗；(2)用HF溶液处理锗衬底，除去锗衬底的自然氧化层并在衬底表面形成Ge-H键；(3)用氯苯的饱和PCl5溶液处理，将表面的Ge-H键转变成Ge-Cl键；(4)再用四氢呋喃的烷基卤化镁(R-Mg-X)溶液处理，其中R为链烃，X为卤素，将Ge-Cl键转变成Ge-R，使表面得到钝化；(5)将钝化后的锗衬底用ALD技术表面沉积高k值栅极介质材料；(6)沉积金属电极。所述步骤(1)中，用有机溶剂超声清洗2-10分钟除去锗衬底表面的有机物。有机溶剂包括但不限为丙酮、乙醇、异丙醇等。所述步骤(2)中，用2％HF溶液处理锗衬底30-120秒。在所述的步骤(2)中，HF溶液浸泡处理锗衬底后，再用去离子水冲洗干净，N2吹干，使表面形成Ge-H键。。所述步骤(3)中，将锗衬底置于氯苯的饱和PCl5溶液0.5-3小时，溶液温度保持在80-95℃，将锗衬底表面的Ge-H键转变成Ge-Cl键，取出之后用氯苯和四氢呋喃冲洗数次。所述步骤(4)中，将锗衬底浸入于四氢呋喃的烷基卤化镁(R-Mg-X)溶液中，其中R为链烃，X为卤素，溶液浓度为1mol/L，温度保持在70℃，时间在8-24小时，将锗衬底表面的Ge-Cl键转变成Ge-R，使得衬底表面形成Ge-R键，从而起到钝化的效果，取出之后用四氢呋喃和甲醇清洗数次。本技术的一优选技术方案中，R基选自饱和链烃和不饱和链烃，优选为饱和链烃；更优选R基为CnH2n+1，其中n＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12；更优选R基为CnH2n+1，其中n＝1,2,3,4。所述步骤(5)中，所述的高k值栅介质,选自Al2O3、Ti2O3、HfO2、ZrO2、La2O3中的一种或者两种以上相互的掺杂。所述步骤(6)中，通过掩模板在表面沉积金属电极。本技术优选技术方案中，采用N型<100>晶向的单晶锗衬底。本技术的第二方面，提供一种上述方法制备得到的锗基MOS器件，其结构依次由：锗衬底层，钝化层，高k值栅极介质层和金属电极构成。本技术优选技术方案中，所述钝化层为锗衬底层表面的Ge-R键。其中，R基选自饱和链烃和不饱和链烃，优选为饱和链烃；更优选R基为CnH2n+1，其中n＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12；更优选R基为CnH2n+1，其中n＝1,2,3,4。所述的高k值栅介质选自Al2O3、Ti2O3、HfO2、ZrO2、La2O3中的任一种或者两种以上相互掺杂。相比于现有技术中的解决方案，本技术的有益效果是：与在高k值材料和衬底之间插入一层钝化层的现有技术钝化方法相比，本技术的制备方法得到的锗基MOS器件不会在衬底表面形成一层介电常数较低的氧化物层，避免介电损失，能用显著提高氧化层介质的介电常数，从而降低等效氧化物厚度。与用卤素来钝化衬底表现相比，Ge-C键(Ge-CH3之间的链接键)的键能(460kJ/mol)比Ge-卤素的键能大(Ge-Cl键的键能为356kJ/mol,Ge-Br为276kJ/mol,Ge-I为213kJ/mol)。本技术中，羟基对界面进行钝化的效果比卤素的效果要好。本方法利用羟基对锗衬底表面的钝化，有效地减小锗衬底与栅介质之间的界面态密度，明显提高了钝化效果。附图说明下面结合附图及实施例对本技术作进一步描述：图1为本技术一实施例的ALD方法沉积高k值材料的锗基MOS器件衬底表面钝化方法的流程图；图2为本技术ALD方法沉积高k值材料的锗基MOS器件钝化流程的示意图。其中，1：锗衬底；2：Ge-H键；3：Ge-Cl键；4：Ge-R键；5：高k值介质；6：金属电极。具体实施方式为了便于理解，以下将通过具体的实施例对本技术进行详细地描述。需要特别指出的是，这些描述仅仅是示例性的描述，并不构成对本实用新型范围的限制。依据本说明书的论述，本技术的许多变化、改变对所属领域技术人员来说都是显而易见的。结合附图，通过实施例对本技术进一步具体描述：步骤1.选择n型<100>晶向的单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锗基MOS器件，其特征在于，其结构依次由：锗衬底层，钝化层，高k值栅极介质层和金属电极构成。

【技术特征摘要】
1.一种锗基MOS器件，其特征在于，其结构依次由：锗衬底层，钝化层，高k值栅极介质层和金属电极构成。
2.根据权利要求1所述的锗基MOS器件，其特征在于，所述钝化层为锗衬底层表面的Ge-R键。
3.根据权利要求1所述的锗基MOS器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆骐峰，吴京锦，赵策洲，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32