专利名称：一种钝化剂及采用该钝化剂对锗基器件表面预处理的方法
技术领域：
本发明属于超大规模集成电路(ULSI)工艺制造技术领域，具体涉及一种钝化剂及采用该钝化剂对锗基器件进行表面预处理的方法。
背景技术：
集成电路技术遵循着摩尔定律已发展了 40多年，带来集成电路集成度及功能的迅速提升，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)几何尺寸的减小是提高器件速度并降低生产成本的主要手段。然而器件特征尺寸的进一步缩小使晶体管逐渐达到物理和技术的双重极限，传统体Si器件性能难以按照以往速度进一步提升。高迁移率沟道材料的引入可以进一步提升器件性能，因此锗基器件成为当前研究的热点。相比硅材料，锗材料在低电场下空穴迁移率是硅材料的4倍，电子迁移率是硅材料的2倍，因此，锗基材料作为一种新的沟道材料以其更高、更加对称的载流子迁移率成为高速MOSFET器件很有希望的发展方向之一。但是，目前锗基器件制备技术还不成熟，器件性能还不太理想，仍有许多问题未得到妥善解决。首先，锗基器件界面存在较高密度的界面态，散射加剧，造成锗基器件迁移率始终不高。其次，在较低的温度下(330度)，锗基衬底材料就会发生外扩散现象，即锗以一氧化锗气体的形式向衬底外挥发，造成锗基衬底表面和其上淀积的薄膜的形貌都明显变差，导致漏电增大。第三，金属锗化物薄膜的热稳定性比较差，金属锗化物薄膜会由于成核凝聚反应使得金属锗化物凝聚并形成很多空洞，薄膜质量变差。以上这些问题严重影响锗基器件特性并给锗基器件工艺制备带来困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种锗基器件表面钝化剂及采用该钝化剂对锗基器件进行表面预处理的方法，该方法利于提高所制备器件的性能，而且工艺简单，成本较低，效果显著。通过该钝化剂对锗基器件进行表面预处理，可以减小界面态并且能够有效抑制自然氧化层的再次生成和锗基衬底材料的外扩散现象，还可以显著提高金属锗化物的热稳定性。一种锗基表面钝化剂，其特征在于，为氟化铵水溶液，其质量百分比浓度为 20-55% ο一种用氟化铵溶液作为钝化剂对锗基器件进行表面预处理的方法，其包括以下步骤1)以半导体锗基衬底为基片；2)对基片进行清洗；3)去除表面氧化层；4)氟化铵水溶液对基片进行表面处理，处理的时间为5-35min，处理在大气环境下进行。
所述1)步骤中，锗基衬底是体锗衬底、外延锗衬底或锗覆绝缘(GOI)衬底。衬底可以是N型掺杂也可以是P型。所述步骤2)中的清洗步骤可以为有机清洗、盐酸清洗、HF清洗等，但不局限于上述清洗方法，目的是对基片的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除。所述3)步骤中，去除表面氧化层的方法采用在HC1、HF或者HBr溶液中浸泡的方法。所述4)步骤之后，可以进一步淀积金属薄膜，如镍、钼或钴等等，并反应退火生成金属锗化物。反应退火工艺温度介于300至600度，退火时间介于10秒至70秒。也可以淀积二氧化硅或其他一些高K介质层，比如A1203、ZrO2, Y2O3等等。与现有技术相比，本发明的有益效果是首先，使用氟化铵水溶液对锗基器件进行表面预处理，可以在锗基器件表面引入电负性高的氟，易于形成稳定的Ge-F键，因此，氟化铵表面预处理可以钝化锗表面，减少界面态的影响；第二，在薄膜淀积和反应退火过程中，经过氟化铵预处理的锗基器件表面可以抑制一氧化锗气体的形成和挥发，减弱锗的外扩散，进而获得平整均勻的表面。第三，由于自然氧化层的存在会加剧锗的外扩散现象，进而破坏锗基器件表面，所以在淀积薄膜前需要去除自然氧化层。但是只要接触大气，自然氧化层又会重新生成。通过氟化铵预处理过程，可以有效抑制自然氧化层的再次生成，进一步提升表面质量。第四，氟化铵预处理还能够有效抑制金属锗化物在较高退火温度下发生凝聚并形成空洞，显著提高金属锗化物的热稳定性。第五，此方法简单有效地改善了锗基器件的界面特性，提升了锗基晶体管的性能， 在不增加工艺复杂性的情况下对锗基器件进行表面钝化预处理，非常有利于工艺集成。
图1为采用本发明所提到的钝化剂对锗基器件进行表面预处理的一具体实施例的流程图。图2为采用三种表面预处理方法制备的金属锗化物薄膜的表面SEM照片。图3为采用氟化铵进行表面预处理后，金属锗化物薄膜在不同反应退火温度下的 SEM照片。
具体实施例方式下面结合附图和一个具体实施例对氟化铵溶液作为钝化剂对锗基器件进行表面预处理的良好效果作进一步阐述图1为采用氟化铵为钝化剂对锗基器件进行表面预处理的一具体实施例的方法流程图。本实施例包括如下步骤步骤1 提供一块锗基衬底。如图1(a)所示，一半导体锗衬底1，其中半导体锗衬底1可是体锗衬底、外延锗衬底或锗覆绝缘(GOI)衬底等。衬底掺杂可以是P型也可以是N型。步骤2 对基片进行清洗。首先对基片进行有机清洗，采用丙酮和乙醇交替清洗2 次，然后用DI水反复冲洗干净，去除基片上的油污和有机污染物。然后进行盐酸清洗，在稀盐酸中加热煮沸，随后用DI水反复冲洗干净，去除无机污染物、金属颗粒等。清洗的目的是对基片的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除，并不局限于上述清洗方法。步骤3 去除表面氧化层。可以采用在HCl溶液中浸泡或在稀释的HF溶液中浸泡方法，随后用DI水反复冲洗干净。去除氧化层后基片的示意图如图1(b)所示。步骤4 氟化铵溶液表面预处理。在大气的环境中，使基片在氟化铵水溶液中浸泡 5-35min，其中氟化铵水溶液的浓度为40%。然后基片用DI水反复冲洗干净，完成对锗基器件表面的预处理。步骤5 淀积金属薄膜并反应退火生成金属锗化物，本实施例为淀积金属镍膜，用具体实施例来证明氟化铵作为钝化剂对锗基器件表面进行预处理的有益效果。利用物理气相淀积方式，例如蒸发、溅射或电子束蒸发等方式，在半导体衬底上淀积一层金属镍，其中镍层可为一镍金属层或一镍合金层。淀积的金属膜厚大约在IOnm至50nm。淀积镍膜后，本发明的方法亦可选择性的在镍层上再形成一层盖帽层。随后进行反应退火处理，快速热退火使上述金属薄膜层与位于其下方的锗层反应形成金属锗化物3，如图1(c)所示。另外，本次快速热退火工艺温度介于350至600度，退火时间为30秒至80秒，根据淀积的镍金属层的厚度而定。图2给出了采用三种表面预处理方法制备的金属锗化物薄膜的SEM照片。金属锗化物薄膜的制备流程如图1所示。图2(a)仅采用HCl去除表面氧化层，没有使用氟化铵钝化剂进行表面处理。从图中可以看到，所生成的NiGe薄膜发生了明显的凝聚，同时产生很多的空洞，薄膜粗糙，质量很差。所以仅用盐酸去除自然氧化层不能得到良好的薄膜。图 2(b)仅采用HF去除表面氧化层，没有使用氟化铵钝化剂进行表面处理。可以看到，虽然薄膜质量有所提高，但是依然有凝聚现象，而且生成的镍锗化物薄膜并不平整。图2(c)为本发明实施例先采用HCl去除表面氧化层，随后使用氟化铵钝化剂进行表面处理。采用氟化铵钝化剂后，薄膜表面形貌有明显提高，平整而均勻。这主要是由于采用了氟化铵钝化剂后，可以有效抑制自然氧化层的再次生长，同时在反应退火过程中，氟化铵可以抑制一氧化锗气体的挥发，减弱了锗的外扩散，同时还可以阻碍金属锗化物发生凝聚现象，因而可以获得非常平整的表面。通过比较，可以清楚地看到氟化铵作为钝化剂对锗基器件进行表面预处理的有益效果。图3为本发明实施例采用氟化铵进行表面预处理后，镍锗薄膜在不同反应退火温度下的SEM照片。金属锗化物薄膜的制备流程如图1所示。其中(a)到(d)的反应退火温度分别为350度、400度、450度和500度，退火时间都是40s。从图中可以看到，当采用氟化铵钝化剂对锗基器件进行表面预处理后，镍锗薄膜在350度到500度温度范围内都有非常好的薄膜质量。因而，氟化铵钝化剂可以使镍锗薄膜的热稳定性显著提升。本发明实施例提供了锗基表面钝化剂为40 %浓度的氟化铵水溶液，除此之外，氟化铵水溶液的质量百分比浓度范围为20-55%。利用本发明提出的钝化剂及采用该钝化剂对锗基器件进行表面预处理的方法，可以减少界面态，抑制锗表面自然氧化层的形成，减少一氧化锗的挥发，而且还可改善所形成的金属锗化物的热稳定性，有利于提升锗基晶体管的性能。因此相对于现有工艺技术，本发明可以简单有效地提升锗基器件的电性能与可靠性。以上通过优选实施例详细阐述并证明了本发明所提出的一种钝化剂及采用该钝化剂对锗基器件进行表面预处理的方法，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的一个优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，其制备方法和应用不仅限于实施例中所公开的内容，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种锗基表面钝化剂，其特征在于，为氟化铵水溶液，其质量百分比浓度为 20-55% ο
2.一种锗基表面预处理的方法，其包括以下步骤1)以半导体锗基衬底为基片；2)对基片进行清洗；3)去除表面氧化层；4)用权利要求1所述的氟化铵水溶液对基片进行表面处理，处理的时间为5-35min，处理在大气环境在下进行。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述锗基衬底是体锗衬底、外延锗衬底或锗覆绝缘衬底。
4.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤幻中清洗步骤为有机清洗、盐酸清洗或采用HF来清洗。
5.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤3)中，去除表面氧化层的方法采用在 HCl、HF或者HBr溶液中浸泡的方法。
6.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤4)之后，进一步淀积金属薄膜并反应生成金属锗化物，所述金属薄膜为镍、钼或钴膜等，或淀积二氧化硅或其他一些高K介质层，比如 Al203、Zr02J203 等。
全文摘要
本发明提供了一种用氟化铵溶液作为钝化剂对锗基器件进行表面预处理的方法，属于超大规模集成电路(ULSI)工艺制造技术领域。本发明使用氟化铵水溶液对锗基器件进行表面预处理，可以减小界面态并且能够有效抑制自然氧化层的再次生成和锗基衬底材料的外扩散现象，还可以提高金属锗化物的热稳定性。本发明简单有效地改善了锗基器件的界面特性，有利于提升锗基晶体管的性能，在不增加工艺复杂性的情况下对锗基器件进行表面钝化预处理，非常有利于工艺的集成。
文档编号C01C1/16GK102381718SQ201010269030
公开日2012年3月21日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者安霞, 张兴, 王润声, 郭岳, 黄如 申请人:北京大学