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1、(10)申请公布号 CN 102737999 A (43)申请公布日 2012.10.17 C N 1 0 2 7 3 7 9 9 9 A *CN102737999A* (21)申请号 201110090483.5 (22)申请日 2011.04.12 H01L 21/336(2006.01) H01L 21/28(2006.01) (71)申请人中国科学院微电子研究所 地址 100029 北京市朝阳区北土城西路3号 (72)发明人胡爱斌 许高博 徐秋霞 (74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人周长兴 (54) 发明名称 锗衬底上制备金属-氧化物-半导体场效应 晶。
2、体管方法 (57) 摘要 一种锗衬底上制备金属-氧化物-半导体场 效应晶体管方法，包括：清洗锗片；在清洗后的锗 片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气 的氛围中依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重 复多次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层；然后在氮 气的氛围中快速热退火形成铪硅氧氮介质；然后 采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料 并形成栅电极图形；源漏离子注入并激活退火形 成重掺杂的源漏区域；淀积金属并形成源漏端的 欧姆接触；最后在氮气的氛围中在炉管中退火金 属化。本发明在铪基高介电常数介质中掺入硅元 素，避免了在栅介质淀积后的退火和金属电极形 成后的退火过程中生成含有大量缺陷态的锗的氧 化物。
3、的问题，降低了界面处的固定电荷和电荷俘 获。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体场效应晶体管的方法，主要包括： 1)本发明特征技术之一是清洗锗片，分别在丙酮和乙醇中浸泡，然后在双氧水溶液中 氧化，接着在盐酸溶液中腐蚀，水冲洗后用氮气吹干； 2)在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围中依次淀积 氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重复淀积多层氮化硅和氮化铪叠层； 3)在氮气的氛围中快速热退火形成。
4、铪硅氧氮介质； 4)在铪硅氧氮介质上形成光刻胶的图形； 5)采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料； 6)对金属电极材料进行剥离以形成电极图形； 7)源漏区域离子注入并在350摄氏度到450摄氏度退火激活； 8)采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属并对金属进行剥离以形成源漏端欧姆接触 和金属连线； 9)在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。 2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1清洗锗片的步骤包括：在丙酮中浸泡5-20 分钟，乙醇中浸泡5-20分钟，去离子水冲洗，然后在双氧水溶液中氧化10-120秒，去离子水 冲洗，接着在盐酸溶液中腐蚀30-300秒，去离子水冲洗，双氧水溶液氧化和盐酸溶液腐。
5、蚀 重复2-5次；然后去离子水冲洗，用氮气吹干。 3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，双氧水溶液的体积百分比浓度为2-10， 盐酸溶液的体积百分比浓度为5-20。 4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜的步骤 包括：在溅射前将溅射室真空抽至110 -6 托到110 -7 托之间，充入氮气和氩气，二者的体 积比为120到620之间，然后依次溅射硅靶和铪靶，淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜， 重复1次到10次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层。 5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，氮化硅薄膜的厚度为2埃-6埃，氮化铪薄膜 的厚度为2埃-9埃。 6.根据权利要求1所述的方。
6、法，其中，步骤3快速热退火的步骤包括：在氮气的气氛中 300摄氏度至600摄氏度的温度下快速热退火30秒到120秒。 7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤5淀积金属电极材料的步骤包括：在溅射前 将溅射室真空抽至110 -6 托到110 -7 托之间，充入氮气和氩气，二者的体积比为120 到620之间，然后溅射钽靶或者钛靶，淀积氮化钽电极薄膜或者氮化钛电极薄膜，氮化钽 电极薄膜和氮化钛电极薄膜的厚度均为500埃-2000埃。 8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤7离子注入并退火激活的步骤包括：注入的 离子为BF 2 ，能量为20千电子伏特到60千电子伏特之间，剂量为2E15到6E15之间。
7、；退火5 分钟到60分钟。 9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤8淀积金属并对金属进行剥离以形成电极图 形的步骤中，所述的金属为金属铝、金属钛、金属氮化钛或者它们的叠层结构。 10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤9退火金属化的步骤包括：在氮气的氛围 中，300摄氏度到500摄氏度下，炉管中退火20分钟到60分钟。 权 利 要 求 书CN 102737999 A 1/4页 3 锗衬底上制备金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管方法 技术领域 0001 本发明属于纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，尤其涉及在锗衬底上采用铪 基高介电常数栅介质制备金属-氧化物-半导体(MOS)场效应晶体。
8、管的方法。 背景技术 0002 历史上，第一个晶体管和第一块集成电路都采用锗衬底材料制备。由于锗的氧 化物的热力学不稳定性和易溶于水的特性，使其不适合作为栅介质材料；而二氧化硅则具 有优异的物理特性和电学特性，因此采用硅衬底的金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET)在过去的四十年间获得了广泛的研究和应用。四十年来，集成电路技术按摩尔定 律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提高。随着器件尺寸的不断减小，栅氧化层厚 度也随之减薄。目前，MOSFET的特征尺寸已进入亚50纳米，栅氧化层(二氧化硅或者氮化 氧化硅)厚度亦减小到1.2纳米以下。如果仍采用传统二氧化硅栅介质，栅介质直接隧穿 。
9、电流将成指数规律急增。为了解决此问题，采用铪基高介电常数介质作为新型栅介质获得 了广泛的研究。在相同的等效氧化层厚度情况下，高介电常数介质具有更厚的物理厚度，因 此栅介质直接隧穿电流大大减小，功耗显著降低。 0003 铪基高介电常数介质的出现使得锗衬底的MOSFET重新获得了人们的重视。和硅 相比，锗具有更大的电子和空穴迁移率，因此制备的MOSFET具有更高的速度。锗和铪基高 介电常数介质界面特性与硅和铪基高介电常数介质界面特性不同。在高介电常数介质淀积 之后的热处理过程中，氧原子很容易扩散到锗和高介电常数介质界面处与锗原子发生反应 生成锗的氧化物。与二氧化硅不同，锗的氧化物含有大量的缺陷态，。
10、会在界面处产生大量的 界面固定电荷或者界面态。 0004 因此，有必要寻找一种方法避免由于锗的氧化物的生成而影响器件的性能。 0005 除此以外，锗的很多物理化学性质和硅不同，例如锗不能够采用硅工艺中的3#和 1#清洗液清洗，杂质离子注入后的激活温度和硅也不相同。因此对于锗MOSFET的制备，需 要研发全新的工艺流程。 发明内容 0006 本发明的目的在于提供一种在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET)的方法。 0007 为实现上述目的，本发明提供的在锗衬底上制备金属-氧化物-半导体场效应晶 体管的方法，主要包括： 0008 1)清洗锗片：分别在丙酮和乙醇中浸泡，然后在。
11、双氧水溶液中氧化，接着在盐酸 溶液中腐蚀，水冲洗后用氮气吹干； 0009 2)在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围中依次 淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重复淀积多层氮化硅和氮化铪叠层； 0010 3)在氮气的氛围中快速热退火形成铪硅氧氮介质； 说 明 书CN 102737999 A 2/4页 4 0011 4)在铪硅氧氮介质上形成光刻胶的图形； 0012 5)采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料； 0013 6)对金属电极材料进行剥离以形成电极图形； 0014 7)源漏区域离子注入并于350摄氏度到450摄氏度退火激活； 0015 8)采用射频磁控反应溅射的方法淀积。
12、金属并对金属进行剥离以形成源漏端欧姆 接触和金属连线； 0016 9)在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。 0017 所述的方法中，步骤1清洗锗片的步骤包括：在丙酮中浸泡5-20分钟，乙醇中浸泡 5-20分钟，去离子水冲洗，然后在双氧水溶液中氧化10-120秒，去离子水冲洗，接着在盐酸 溶液中腐蚀30-300秒，去离子水冲洗，双氧水溶液氧化和盐酸溶液腐蚀重复2-5次；然后去 离子水冲洗，用氮气吹干。 0018 所述的方法中，双氧水溶液的体积百分比浓度为2-10，盐酸溶液的体积百分 比浓度为5-20。 0019 所述的方法中，步骤2依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜的步骤包括：在溅射前 将溅射室真空抽。
13、至110 -6 托到110 -7 托之间，充入氮气和氩气，二者的体积比为120 到620之间，然后依次溅射硅靶和铪靶，淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，重复1次到10 次淀积多层氮化硅和氮化铪叠层。 0020 所述的方法中，氮化硅薄膜的厚度为2埃-6埃，氮化铪薄膜的厚度为2埃-9埃。 0021 所述的方法中，步骤3快速热退火的步骤包括：在氮气的气氛中300摄氏度至600 摄氏度的温度下快速热退火30秒到120秒。 0022 所述的方法中，步骤5淀积金属电极材料的步骤包括：在溅射前将溅射室真空抽 至110 -6 托到110 -7 托之间，充入氮气和氩气，二者的体积比为120到620之间， 然后溅射钽靶。
14、或者钛靶，淀积氮化钽电极薄膜或者氮化钛电极薄膜，氮化钽电极薄膜和氮 化钛电极薄膜的厚度均为500埃-2000埃。 0023 所述的方法中，步骤7离子注入并退火激活的步骤包括：注入的离子为BF2，能量 为20千电子伏特到60千电子伏特之间，剂量为2E15到6E15之间；退火5分钟到60分钟。 0024 所述的方法中，步骤8淀积金属并对金属进行剥离以形成电极图形的步骤中，所 述的金属为金属铝、金属钛、金属氮化钛或者它们的叠层结构。 0025 所述的方法中，步骤9退火金属化的步骤包括：在氮气的氛围中，300摄氏度到500 摄氏度下，炉管中退火20分钟到60分钟。 0026 与公知技术相比较，本发明具。
15、有以下有益效果： 0027 1、本发明采用的化学试剂为硅基MOSFET工艺常用的试剂；采用铪硅氧氮高介电 常数介质与金属栅电极材料，与硅基MOSFET标准工艺具有良好兼容性。 0028 2、本发明采用在铪基高介电常数介质中掺入硅元素的方法，可以有效阻挡氧原子 的扩散，避免了在随后的热处理过程中氧原子和界面处的锗原子发生反应生成锗的氧化 物，从而减少了界面缺陷态的生成。 0029 3、本发明的源漏杂质激活的温度较低，利于和铪基高介电常数介质和金属栅电极 的集成。该方法工艺简单，而且制备的难度和成本低，具有很高的应用性。 说 明 书CN 102737999 A 3/4页 5 附图说明 0030 图。
16、1是本发明提供的在锗衬底上制备MOSFET的方法流程图； 0031 图2是采用铪硅氧氮介质和氮化钽电极的锗MOSFET和硅MOSFET的空穴迁移率和 沟道中纵向有效电场的关系曲线。 具体实施方式 0032 本发明主要包括： 0033 (1)提供了一种锗衬底的清洗方法； 0034 (2)提供了一种锗衬底上栅介质的制备方法，以解决在栅介质淀积后的退火和金 属电极形成后的退火过程中生成含有大量缺陷态的锗的氧化物的问题； 0035 (3)提供了一种在锗衬底上形成重掺杂源漏区域的方法。 0036 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。 0。
17、037 本发明采用铪硅氧氮高介电常数介质作为栅介质来改善锗衬底上的MOSFET的界 面特性。如图1所示，图1是本发明提供的在锗衬底上制备MOSFET的方法流程图，该方法 包括： 0038 步骤101：清洗锗片； 0039 步骤102：在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围 中依次淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜，然后重复一次； 0040 步骤103：在氮气的氛围中快速热退火形成铪硅氧氮介质； 0041 步骤104：在铪硅氧氮介质上形成光刻胶图形； 0042 步骤105：采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属电极材料； 0043 步骤106：对金属电极材料进行剥离以形成电极图形； 0。
18、044 步骤107：源漏区域的离子注入并退火激活； 0045 步骤108：采用射频磁控反应溅射的方法淀积金属并对金属进行剥离以形成源漏 端欧姆接触和金属连线； 0046 步骤109：在氮气的氛围中在炉管中退火金属化。 0047 以下结合具体实施例进一步详细说明本发明提供的技术方案，本实施例的具体工 艺步骤如下： 0048 (1)清洗锗片：在丙酮中浸泡10分钟，乙醇中浸泡5分钟，去离子水冲洗，然后在 双氧水溶液中氧化60秒，去离子水冲洗，接着在盐酸溶液中腐蚀30秒，去离子水冲洗，双氧 水溶液氧化和盐酸溶液腐蚀重复3次；然后去离子水冲洗，用氮气吹干。其中，所述双氧水 溶液的浓度为5，所述盐酸溶液的。
19、浓度为10。 0049 (2)在清洗后的锗片上采用射频磁控反应溅射的方法在氩气和氮气的氛围中依次 淀积氮化硅薄膜和氮化铪薄膜：在溅射前将溅射室真空抽至810 -7 托，充入氮气和氩气， 氮气和氩气二者的体积比为520，然后依次溅射硅靶和铪靶，淀积氮化硅薄膜和氮化铪 薄膜，其中在一周期内氮化硅薄膜的厚度为6埃，氮化铪薄膜的厚度为9埃。 0050 (3)快速热退火：在氮气的气氛中500摄氏度温度下快速热退火60秒。 0051 (4)形成光刻胶图形：采用AZ5214光刻胶，涂胶，曝光，显影，形成光刻胶的图形。 说 明 书CN 102737999 A 4/4页 6 0052 (5)采用射频磁控反应溅射。
20、的方法淀积金属电极材料：在溅射前将溅射室真空抽 至810 -7 托，充入氮气和氩气，二者的体积比例为420，然后溅射钽靶，淀积氮化钽电极 薄膜，厚度为1000埃。 0053 (6)对金属电极材料进行剥离以形成电极图形：在丙酮溶液中浸泡10小时，去除 光刻胶和在其上的金属薄膜。 0054 (7)源漏区域的离子注入和杂质激活退火，注入的离子为BF2，能量为40千电子伏 特，剂量4E15；然后在400摄氏度退火40分钟。 0055 (8)采用射频磁控反应溅射的方法淀积一层500埃金属氮化钛和1500埃金属铝， 然后剥离形成图形。 0056 (9)在氮气的氛围中在炉管中300摄氏度退火40分钟。 00。
21、57 图2是采用铪硅氧氮介质和氮化钽电极的锗MOSFET和硅MOSFET的空穴迁移率 和沟道中纵向有效电场的关系曲线。当沟道中的纵向有效电场为0.1兆伏特每厘米时，锗 MOSFET和硅MOSFET的空穴迁移率分别为120平方厘米每伏特秒和46平方厘米每伏特秒， 锗MOSFET的空穴迁移率为硅的2.6倍；当沟道中的纵向有效电场为0.4兆伏特每厘米时， 锗MOSFET和硅MOSFET的空穴迁移率分别为54平方厘米每伏特秒和27平方厘米每伏特秒， 锗MOSFET的空穴迁移率为硅的2倍。以上结果表明采用铪硅氧氮介质和氮化钽电极的锗 MOSFET具有更大的空穴迁移率，进而具有更高的工作速度。 0058 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。 说 明 书CN 102737999 A 1/2页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102737999 A 2/2页 8 图2 说 明 书 附 图CN 102737999 A 。