专利名称：一种高迁移率mos电容及其制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高迁移率MOS电容及其制作方法。
背景技术：
自20世纪60年代以来，硅一直是现代电子工业中最重要的半导体材料，主要是由于它形成非常高质量的天然氧化物用于表面钝化。经过40多年的持续等比例缩小发展，经典体硅MOSFET的缩小正接近其物理极限，这就需要新材料和新的器件结构的创新。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，其在硅基集成电路领域的研究已取得了不少的进展，Intel公司已将高k栅介质材料和金属栅应用到了其 45 nm节点的CPU制造技术当中，取得了优异的性能。但是其也面临着一些问题，如氧化物与界面的质量比SiO2差很多，由于库伦散射、声子散射等原因，导致沟道迁移率的下降等。半导体锗(Ge)的迁移率比硅大的多(电子迁移率约为两倍，空穴迁移率约为4 倍)，可以缓和MOSFET漏极电流饱和问题，而且与传统的硅基集成电路技术相兼容，所以锗被认为是很有前景的沟道替换材料。但是Geh质量不高，表面钝化不够充分，所以人们希望能在锗上直接淀积高k材料而不形成中间层。III-V族半导体材料，如砷化镓(GaAs)、铟镓砷(InGaAs)是继硅之后研究最深入，应用最广泛的半导体材料，其主要特点包括宽禁带、直接带隙和高的电子迁移率(比硅高7-20倍)，适于制作高速、高频和大功率的电子器件，也可以制作光电子器件，如发光二极管、可见激光器、红外探测器等。用砷化镓材料制作的晶体管速度快、频率高、功耗低、抗辐射，应用广阔。但是GaAsUnGaAs与其自身氧化物的界面具有很高的界面态密度，从而引起费米能级的钉扎和高的表面复合率，影响了它的进一步应用。最近，许多高k栅介质被应用到高迁移率金属-氧化物-半导体(MOS)上，例如氧化铝、氧化铪、氧化锆等。他们在减小等效氧化层厚度(EOT)，减小栅泄漏电流，增加空穴迁移率等方面很有潜力。但是，空穴的迁移率和电子的迁移率并没有达到预期的目标，可能主要是因为栅介质和高迁移率衬底表面形成的界面不够完美，栅介质和衬底原子相互扩散或者界面态密度太高造成的，因此在淀积高k栅介质之前需要对这表面进行适当的钝化处理。另外，发展与现代CMOS工艺相兼容的薄膜制备技术也是微电子研究的热点。其中原子层淀积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)是一种可对薄膜厚度进行单原子层级别或者说埃()级别控制的化学气相淀积技术。ALD技术从上世纪70年代发展至今已取得很大进展，其已写进了国际半导体技术路线图(ITRS)，作为与微电子工艺兼容的候选技术在微电子领域显示出广阔的应用前景。ALD技术之所以受到业界青睐，跟它所特有的生长原理和技术特点有关的。ALD淀积虽然是一种化学气相淀积技术，但与传统的化学气相淀积(CVD)技术相比，还是有很大差别的，ALD技术是基于顺次进行的表面饱和化学自限制的生长过程，它将反应气体交替脉冲式的通入到反应腔中。一个ALD反应循环包含4个步骤(1)第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。整个ALD生长过程由一个周期的多次循环重复实现。所有的ALD的本质特征就是表面反应达到饱和，使得生长停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反应已完成的次数，即反应循环数，这样可以通过控制淀积的反应循环数，就可以实现对薄膜厚度的精确控制。另外由于其自限的表面反应，可对高宽比很大的表面形成均勻的覆盖。此外通过控制不同源脉冲循环的次数比例也可以控制薄膜中不同物质的含量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能改善高迁移率MOS电容性能的新型MOS结构，并提供其相应的制作方法。本发明提出的高迁移率MOS电容，由依次排叠的高迁移率衬底(101)、三甲基铝钝化层(103)、!1 )2栅介质层(104)和电极(105)构成。其制作方法包括以下步骤
(1)清洗高迁移率衬底；该衬底可以是锗、砷化镓或铟镓砷等
(2)形成三甲基铝钝化层将清洗好的衬底放入ALD反应腔进行三甲基铝钝化，温度为 150-250 oC ；
(3)形成HfO2栅介质层将经过钝化的衬底进行栅介质的淀积反应，反应腔温度为 150-300°C,反应腔的工作压强为2-5 torr ；顺次通入Hf源Hf [N(C2H5) (CH3)J4和去离子水以完成一个ALD循环；完成规定数量的循环以达到要求厚度；
(4)制作电极。上述步骤(1)清洗高迁移率衬底过程为若为Ge基衬底先将衬底在乙醇中浸泡 5-10 min，然后再在丙酮中超声清洗5-10 min，然后再用乙醇超声清洗5_10 min用以去除表面油污等杂质，用去离子水冲洗几次后用1 :50的氢氟酸和去离子水循环几次超声震荡和漂洗以去除表面天然GeOx，每步15-20 s，最后用高纯氮吹干待用；若为GaAs或InGaAs 衬底先将衬底晶体用乙醇棉球擦拭4-5次，然后在C^KSO4 ΦH3PO4配比为3:1的溶液中沸煮4-8 min以去除表面的氧化物，然后在高纯度的乙醇中沸煮2_3次，每次8_10 min以去掉衬底表面溶于乙醇的有机物，然后用去离子水冲洗干净；最后用氮气枪吹干待用。上述步骤(2)形成三甲基铝钝化层的过程为将清洗过的高迁移率衬底放入 150-250 °C的ALD反应腔中通入三甲基铝(TMA) 5-10 min，载气流量为300-600 sccm ；或顺次通入几个循环的三甲基铝(TMA)和水脉冲，脉冲时间分别为0. 1-0.5 s，吹洗时间分别为0.5-1 s，载气流量300-400 sccm.通入的TMA会和衬底的自然氧化层发生反应，形成一层极薄的Al2O3层，消除性能不稳定的自然氧化层，大大提高器件性能。上述步骤(3) ALD淀积过程一个循环的步骤为首先通入Hf [N(C2H5) (CH3) ]4脉冲 1-5 s，然后通入N2脉冲1-5 s，再次通入H2O脉冲0.3-1.0 s，最后通入N2脉冲0. 5-2. 0 S。本发明在高迁移率衬底表面和HfO2栅介质之间插入了一层三甲基铝处理后的钝化层，清除了衬底表面清洗后残留的氧元素对衬底的影响，防止了衬底元素与栅介质元素的相互扩散，减小了缺陷电荷和界面态密度，大大改善了高迁移率MOS电容的电学性能。
图1为整个高迁移率MOS电容的制作流程图。图2为清洗前的高迁移率衬底结构。图3为清洗后的高迁移率衬底结构。图4为在衬底上经过三甲基铝钝化后的结构。图5为在钝化处理后的衬底上淀积HfO2栅介质后的结构。图6为在栅介质上淀积金属电极后的结构。
具体实施例方式下面结合整个高迁移率MOS电容的制作流程图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互关系。1)若衬底为锗(Ge)基衬底，其步骤如下
步骤1 选取商业单晶Ge片，η型Sb掺杂，晶向(100)，电阻率0. 21-0. 26 Ω · cm作为衬底，即图2中的101层，但未经清洗的Ge衬底表面会有一层自然氧化的GeOx,即图2中
的102层；步骤2将衬底放入乙醇中浸泡10 min ；步骤3将衬底放入丙酮中超声清洗10 min ；步骤4将衬底放入乙醇中超声清洗10 min ；步骤5用去离子水冲洗几次；步骤6将衬底放入1 :50的氢氟酸溶液超声震荡15 s ；步骤7将衬底取出用去离子水漂洗15 s ；步骤8重复步骤6和7几次以去除自然GeOx层；步骤9用N2将衬底吹干，即得图3所示的高迁移率衬底，其表面上会残留很少的氧元
素，如102’所示；
步骤10 将衬底放入ALD反应腔，温度为200°C，通入TMA 5-lOmin，或顺次通入几个循环的三甲基铝(TMA)和水脉冲，脉冲时间分别为0. 1-0. 5 s，吹洗时间分别为0. 5-1 s，形成一层薄的氧化铝钝化层，图4中103所示即为氧化铝钝化层；
步骤11 钝化之后，即开始ALD生长HfO2介质层，顺次通入Hf源与去离子水，达到要求的循环数以获得要求厚度的栅介质薄膜，其中生长时，反应腔压力为2-5 torr，一个循环周期通入气体的时间分别为 Hf [N (C2H5) (CH3) ]4 :N2 :H20 :Ν2=1· 0 s :3. 0 s:0. 3 s:l. 0 s,形成如图5所示的结构，104层为ALD淀积的Η 2。步骤12 取出反应腔中的Ge片，淀积电极。电极材料可以选用铝、金、钼、氮化钛等多种材料，制作方法可采用蒸发、溅射等多种工艺，形成图6所示的结构，105代表形成的电极。2)若衬底为GaAs或InGaAs半导体，其步骤如下
步骤1 选取GaAs或InGaAs片作为衬底，即图2中的101层，但未经清洗的衬底表面会有一层自然氧化层，即图2中的102层；步骤2 衬底晶体用乙醇棉球擦拭4-5次；
步骤3 在C^H2SO4 ΦH3PO4配比为3:1的溶液中沸煮4-8 min以去除表面的氧化物； 步骤4 在高纯度的乙醇中沸煮3次，每次8 min以去掉衬底表面溶于乙醇的有机物； 步骤5:用去离子水冲洗干净；
步骤6 用氮气枪吹干待用，形成如图3所示结构，102’层表示残留表面的氧元素； 步骤7 将衬底放入ALD反应腔，温度为200°C，通入TMA 5-lOmin，或顺次通入几个循环的三甲基铝(TMA)和水脉冲，脉冲时间分别为0. 1-0. 5 s，吹洗时间分别为0. 5-1 s，形成一层薄的氧化铝钝化层，图4中103所示即为氧化铝钝化层；
步骤8 钝化之后，即开始ALD生长HfO2介质层，顺次通入Hf源与去离子水，达到要求的循环数以获得要求厚度的栅介质薄膜，其中生长时，反应腔压力为2-5 torr，一个循环周期通入气体的时间分别为 Hf [N (C2H5) (CH3) ]4 :N2 :H20 :Ν2=1· 0 s :3. 0 s:0. 3 s:l. 0 s,形成如图5所示的结构，104层为ALD淀积的HfO2 ；
步骤9 取出反应腔中的样品，淀积电极。电极材料可以选用铝、金、钼、氮化钛等多种材料，制作方法可采用蒸发、溅射等多种工艺，形成图6所示的结构，105代表形成的电极。
权利要求
1.一种高迁移率MOS电容，其特征在于由依次排叠的高迁移率衬底(101)、三甲基铝钝化层(103)、HfO2栅介质层(104)和电极(105)构成。
2.一种高迁移率MOS电容的制作方法，其特征在于包括以下步骤(1)清洗高迁移率衬底；(2)形成三甲基铝钝化层对清洗好的衬底放入ALD反应腔进行三甲基铝钝化，温度为 150-250 0C ；(3)形成HfO2栅介质层将经过钝化的衬底进行栅介质的淀积反应，反应腔温度为 150-300°C,反应腔的工作压强为2-5 torr ；顺次通入Hf源Hf [N(C2H5) (CH3)J4和去离子水以完成一个ALD循环；完成规定数量的循环以达到要求厚度；(4)制作电极。
3.根据权利要求2制作方法，其特征在于步骤(1)所述清洗的步骤为若所述衬底为Ge基衬底，先将衬底在乙醇中浸泡5-10 min,再在丙酮中超声清洗5_10 min，然后再用乙醇超声清洗5-10 min,以去除表面杂质；用去离子水冲洗几次；然后用1 50的氢氟酸和去离子水循环几次超声震荡和漂洗以去除表面天然GeOx，每次循环时间为 15-20 s ；最后用高纯氮吹干待用；若所述衬底为GaAs或InGaAs衬底，先将衬底晶体用乙醇棉球擦拭4_5次，然后在 Φ腳4 Φη3ρο4配比为3:1的溶液中沸煮4-8 min,以去除表面的氧化物；然后在高纯度的乙醇中沸煮2-3次，每次8-10 min,以去掉衬底表面溶于乙醇的有机物，然后用去离子水冲洗干净；最后用氮气枪吹干待用。
4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于步骤(2)形成三甲基铝钝化层步骤为将清洗过的高迁移率衬底放入150-250 °C WALD反应腔中，通入三甲基铝5_10 min, 载气流量为300-600 sccm ；或顺次通入三甲基铝和水，脉冲时间分别为0. 1-0. 5 s，吹洗时间分别为0.5-1 s，载气流量300-400 sccm。
5.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在步骤(3)中每一个循环的步骤为首先通入Hf[N(C2H5) (013)]4脉冲1-5 s，然后通入N2脉冲1-5 s，再次通入H2O脉冲0. 3-1. 0 s,最后通入N2脉冲0. 5-2. 0 S。
全文摘要
本发明属于半导体技术领域，具体为一种高迁移率MOS电容及其制作方法。本发明提出的MOS电容结构依次为迁移率衬底、三甲基铝钝化层、HfO2栅介质层和电极。其制作方法包括清洗高迁移率衬底，衬底表面形成三甲基铝钝化层，ALD淀积HfO2栅介质，制作电极。本发明中的三甲基铝钝化层可以减小衬底表面的残余氧化物含量从而减小与栅介质材料的界面态密度，改善界面特性。所淀积的HfO2介质层具有薄膜厚度的精确控制性，优异的保形性，良好的界面控制能力，极好的大面积均匀性，因此可大大提高MOS电容的电学特性，从而提高MOS晶体管的性能。
文档编号H01L29/94GK102403367SQ20111039738
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者卢红亮, 周鹏, 孙清清, 张卫, 王鹏飞, 耿阳 申请人:复旦大学