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ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法

文檔序號(hào):3375626閱讀:478來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種將原子層沉積技術(shù)應(yīng)用于MOSFETs器件制造的方法,具體是一種 ALD制備GaAs基MOS器件過(guò)程中的原位表面鈍化方法。
背景技術(shù)
隨著集成電路集成度的不斷提高,硅基半導(dǎo)體集成電路中金屬一氧化物一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFETs)器件特征尺寸即將達(dá)到納米尺度。新材料和新型器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)成為半導(dǎo)體微納電子技術(shù)可持續(xù)發(fā)展最主要的解決方案和必須突破的技術(shù)瓶頸。雖然鉿基高k材料替代傳統(tǒng)的SiOJt為柵氧化層介質(zhì)已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的硅基集成電路領(lǐng)域,但還是面臨一系列嚴(yán)峻的物理和技術(shù)問(wèn)題的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)主要的痼疾就是高k柵介質(zhì)和金屬柵材料的引入,在降低小尺度互補(bǔ)型CMOS器件高功耗的同時(shí),也帶來(lái)溝道材料/柵介質(zhì)材料界面的惡化,由于庫(kù)侖散射、聲子散射等原因,導(dǎo)致溝道遷移率的明顯下降,極大影響了 CMOS邏輯器件速度的提高。于是,采用新型的具有高遷移率的半導(dǎo)體溝道材料如Ge和GaAs 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si材料成為制備高性能新型CMOS器件的另一個(gè)有吸引力的解決方案。與傳統(tǒng)硅基微電子器件相比,GaAs-MOSFET具有很高的電子遷移率,較大的帶隙, 較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。2004年的ITRS路線圖已經(jīng)將化合物半導(dǎo)體基的MOSFET列入了未來(lái)CMOS 技術(shù)發(fā)展的候選技術(shù)。最近十年,射頻和光電子應(yīng)用的GaAs和InP基的器件已經(jīng)量產(chǎn)。化合物半導(dǎo)體FET正越來(lái)越受到人們的關(guān)注,可望在22nm節(jié)點(diǎn)以下MOSFET中獲得應(yīng)用。但是,至今為止,阻礙GaAs基MOSFET制備的主要技術(shù)障礙是GaAs表面鈍化技術(shù)沒(méi)有解決, GaAs的天然氧化物Gii2O3具有非常差的質(zhì)量,產(chǎn)生嚴(yán)重的費(fèi)米釘扎效應(yīng),從而影響器件的正常工作。為了解決費(fèi)米釘扎的問(wèn)題,必須發(fā)展合適的與半導(dǎo)體工藝兼容,且簡(jiǎn)單可行的GaAs 表面鈍化工藝,以及尋找合適的柵介質(zhì)材料。原子層沉積技術(shù)(Atomic layer deposition, ALD),是一種正在蓬勃發(fā)展中的新型材料沉積技術(shù)。自從2001年國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(ITRS)將ALD與金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、等離子體增強(qiáng)CVD并列作為與微電子工藝兼容的候選技術(shù)以來(lái),ALD技術(shù)近些年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。原子層沉積技術(shù)之所以受到微電子工業(yè)和納米材料制備領(lǐng)域的青睞, 這與它獨(dú)特的生長(zhǎng)原理和特點(diǎn)密不可分。原子層沉積是通過(guò)將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)器并在沉積基體表面上發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng)形成薄膜的一種方法,由于其表面反應(yīng)具有自限制(Self-limiting)的特點(diǎn),因此ALD具有優(yōu)異的三維貼合性(Conformality)和大面積的均勻性;精確、簡(jiǎn)單的膜厚控制(僅與反應(yīng)循環(huán)次數(shù)有關(guān));低的沉積溫度(室溫 400° C);適合界面修飾和制備納米尺度的多組員的層狀結(jié)構(gòu)(Nanolaminates);低沉積速率(1 2 nm/min);存在穩(wěn)定的工藝窗口,在此窗口區(qū)間,沉積對(duì)溫度、流量變化不敏感。但是ALD質(zhì)量的好壞嚴(yán)重依賴于GaAs表面鈍化的結(jié)果,只有有效減少了襯底氧化物的形成,才能在ALD過(guò)程中改進(jìn)柵介質(zhì)薄膜與GaAs襯底之間的界面質(zhì)量,改善了 GaAs基
3金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor,M0S)器件的電學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種ALD制備GaAs基MOS器件過(guò)程中的原位表面鈍化方法,該鈍化方法減少了 GaAs襯底氧化物的形成,從而提高了柵介質(zhì)薄膜與GaAs 襯底之間的界面質(zhì)量,改善了 GaAs基金屬氧化物半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。本發(fā)明所述的ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法,其包括以下步驟
1)首先清洗GaAs襯底,
2)之后將GaAs襯底在HCl水溶液中浸泡3、分鐘,
3)接著在15-20%重量比的(NH4)2S水溶液中浸泡1(Γ40分鐘,
4)用氮?dú)獯蹈蒅aAs襯底并移入原子層沉積反應(yīng)室,
5)在原位用金屬脈沖清洗GaAs襯底。上述步驟1)的具體過(guò)程為依次用丙酮、乙醇、異丙醇超聲清洗GaAs襯底;TlO分鐘。上述步驟2)中HCl水溶液的重量比是HCl =H2O=I 10。上述步驟5)的具體過(guò)程為在250 - 300°C工作溫度下,向原子層沉積反應(yīng)室先通入金屬源TMA脈沖0. Is,接著通入金屬TDMAH脈沖0. Is ;如此循環(huán)10-30次。本發(fā)明的有益效果
在進(jìn)行柵介質(zhì)氧化物沉積前,本發(fā)明在S鈍化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步在反應(yīng)室原位用金屬脈沖鈍化砷化鎵襯底表面,有效地除掉了表面的砷和鎵的氧化物,形成了穩(wěn)定的界面,防止了氧化物的生成,改進(jìn)了柵介質(zhì)薄膜與GaAs襯底之間的界面質(zhì)量,降低了界面層的厚度,提高界面熱穩(wěn)定性,降低了缺陷電荷和界面態(tài)密度,進(jìn)而明顯地改進(jìn)了 ALD后GaAs基MOS器件的電學(xué)性能。此方法工藝簡(jiǎn)單,在GaAs基MOSFET器件的制備上具有重要的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明(上半部分)和只采用S鈍化(下半部分)兩種清洗鈍化方法處理過(guò)的砷化鎵襯底的As2p光電子能譜圖2為本發(fā)明(上半部分)和只采用S鈍化(下半部分)兩種清洗鈍化方法處理后樣品的光電子能譜圖3為本發(fā)明(圖3b)和只采用S鈍化(圖3a)兩種清洗鈍化方法處理后砷化鎵襯底的表面生長(zhǎng)HfO2/ (Inm) Al2O3薄膜的高分辨透射電鏡照片;
圖4為本發(fā)明和只采用S鈍化兩種清洗鈍化方法處理后Ge襯底沉積HfO2Al2O3薄膜的電容一電壓(C— V)曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的核心在于在硫化銨鈍化過(guò)的GaAs襯底上,通過(guò)在原子層沉積的反應(yīng)室內(nèi)原位采用金屬脈沖處理襯底表面,減少了襯底氧化物的形成,改進(jìn)了柵介質(zhì)薄膜與GaAs襯底之間的界面質(zhì)量,明顯改善了 GaAs基金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor,M0S)器件的電學(xué)性能。此方法工藝簡(jiǎn)單,在GaAs基MOSFET器件的制備上具有重要的應(yīng)用前景。實(shí)施例1
1)依次用丙酮、乙醇、異丙醇超聲3分鐘,去除GaAs襯底表面的油污。2)再用HCl (重量比HCVH2O=I 10)水溶液泡3分鐘,去除GaAs襯底表面的自
然氧化層。3)再用20%重量比的(NH4) 2S水溶液泡10分鐘,使GaAs襯底表面形成以及 As-S鍵,進(jìn)一步去除多余的As單質(zhì)和As的氧化物。4)用氮?dú)獯蹈珊蟮腉aAs襯底移入原子層沉積反應(yīng)室。5)在250°C時(shí),向原子層沉積反應(yīng)室先通入金屬源TMA脈沖0. Is,接著通入金屬 TDMAH脈沖0. Is ;如此循環(huán)10次。實(shí)施例2
1)依次用丙酮、乙醇、異丙醇超聲10分鐘,去除GaAs襯底表面的油污。2)再用HCl (重量比HC1/H20=1:10)水溶液泡5分鐘,去除表面的自然氧化層。3)再用15%重量比的(NH4) 2S水溶液泡40分鐘,使GaAs襯底表面形成以及 As-S鍵,進(jìn)一步去除多余的As單質(zhì)和As的氧化物。4)用氮?dú)獯蹈珊蟮腉aAs襯底移入原子層沉積反應(yīng)室。5)在300°C時(shí),向原子層沉積反應(yīng)室先通入金屬源TMA脈沖0. Is,接著通入金屬 TDMAH脈沖0. Is ;如此循環(huán)30次。實(shí)施例3
1)依次用丙酮、乙醇、異丙醇超聲5分鐘,去除GaAs襯底表面的油污。2)再用HCl (重量比HCVH2O=I 10)水溶液泡4分鐘,去除GaAs襯底表面的自然氧化層。3)再用25%重量比的(NH4) 2S水溶液泡20分鐘,使GaAs襯底表面形成以及 As-S鍵,進(jìn)一步去除多余的As單質(zhì)和As的氧化物。4)用氮?dú)獯蹈珊蟮腉aAs襯底移入原子層沉積反應(yīng)室。5)在270°C時(shí),向原子層沉積反應(yīng)室先通入金屬源TMA脈沖0. Is,接著通入金屬 TDMAH脈沖0. Is ;如此循環(huán)20次。
后續(xù)的ALD過(guò)程
柵介質(zhì)薄膜生長(zhǎng)工藝采用生長(zhǎng)柵介質(zhì)薄膜的代表性工藝一原子層沉積法制備HfO2/ Al2O3 堆棧(stacking structure)結(jié)構(gòu)薄膜。生長(zhǎng)溫度250-350 V ;反應(yīng)源三甲基鋁Al (CH3)3,四二(甲基氨)鉿(TDMAH), 氧源為水H2O ;源溫三甲基鋁和水為室溫,TDMAH為60-90°C ;
生長(zhǎng)脈沖金屬源的脈沖時(shí)間為0. 1秒,氧源的脈沖時(shí)間為0. 1秒;清洗脈沖時(shí)間為4 秒。一個(gè)原子層沉積循環(huán)周期由一個(gè)金屬脈沖,一個(gè)清洗脈沖,一個(gè)氧源脈沖和一個(gè)清洗脈沖組成。HfO2Al2O3堆棧先通入金屬源TMA脈沖0. Is,接著通入N2脈沖清洗4s,再通入水蒸氣脈沖0. ls,最后通入隊(duì)脈沖清洗4s ;如此循環(huán)10次。又通入金屬源TDMAH脈沖0. Is,接著通入隊(duì)脈沖清洗清洗4s,再通入水蒸氣脈沖0. ls,最后通入隊(duì)4s,如此循環(huán)30次。電極材料磁控濺射頂電極Pt。測(cè)試表征砷化鎵襯底處理后的表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)用X射線光電子能譜儀測(cè)量, 界面結(jié)構(gòu)用高分辨透射電鏡來(lái)表征,電流一電壓特性用高精度電壓源/皮安表測(cè)量,電容-電壓特性用精密阻抗分析儀測(cè)量。
性能對(duì)比
對(duì)比樣品采用相同的ALD工藝,只是在鈍化過(guò)程中只采用S鈍化。1、界面的化學(xué)結(jié)構(gòu)
圖1為兩種不同清洗鈍化方法處理過(guò)的砷化鎵襯底的As2p光電子能譜圖。圖中的三個(gè)峰的結(jié)合能分別為1322. 5,1323. 7和1325. 6 eV,分別對(duì)應(yīng)于襯底GaAs,As_S,以及As203。 根據(jù)兩個(gè)化學(xué)位移峰的強(qiáng)度計(jì)算得到,硫化銨處理后砷化鎵襯底表面的As-S和As2O3的含量分別為9. 62%和15. 06%,而硫化銨和金屬脈沖處理后砷化鎵襯底表面的As-S和As2O3的含量分別為5. 80%和11. 13%ο圖2為對(duì)應(yīng)樣品的Ga2p光電子能譜圖。圖2中的三個(gè)峰的結(jié)合能分別為1116. 9, 1118和1118.9 eV,分別對(duì)應(yīng)于襯底GaAsja-S,以及Ga203。根據(jù)兩個(gè)化學(xué)位移峰的強(qiáng)度計(jì)算得到,硫化銨處理后砷化鎵襯底表面的fei-S和Ga2O3的含量分別為7. 83%和9. 88%,而硫化銨和金屬脈沖處理后砷化鎵襯底表面的fei-S和Ga2O3的含量分別為3. 96%和7. 12%。這說(shuō)明后一種處理方法更能有效除掉砷化鎵表面的氧化物,有助于降低缺陷電荷和界面態(tài)密度。圖3給出的是用兩種不同清洗鈍化方法處理過(guò)的砷化鎵襯底的表面生長(zhǎng)HfO2/ (Inm)Al2O3薄膜的高分辨透射電鏡照片。兩個(gè)樣品的HfO2的厚度都為2. 8nm。只用硫化銨處理的樣品的界面層厚度大概為0. 9nm,而用硫化銨和金屬脈沖一起處理的樣品的界面層厚度大概為0. 2nm。2、電學(xué)性質(zhì)
圖4展示了兩種清洗鈍化工藝處理后GaAs襯底沉積HfO2Al2O3薄膜的電容一電壓 (C-V)曲線。在測(cè)量頻率為IMHz時(shí),硫化銨和金屬脈沖處理后沉積HfO2Al2O3薄膜的積累態(tài)電容是2. 3 μ F/cm2,而只用硫化銨處理后得到的積累態(tài)電容是1. 1 μ F/cm2,這電容值的減小可能是由于界面層很厚造成的。另外,只用硫化銨處理后得到的C 一 V曲線沿X軸方向嚴(yán)重伸展,這說(shuō)明硫化銨處理的樣品中存在更多的電荷缺陷,導(dǎo)致了高的界面態(tài)密度。上述這些實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明,但并不限制本發(fā)明的范圍,在閱讀了本發(fā)明之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法,其特征在于包括以下步驟1)首先清洗GaAs襯底,2)之后將GaAs襯底在HCl水溶液中浸泡3、分鐘,3)接著在15-25%重量比的(NH4)2S水溶液中浸泡10 40分鐘,4)用氮?dú)獯蹈蒅aAs襯底并移入原子層沉積反應(yīng)室,5)在原位用金屬脈沖清洗GaAs襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法,其特征在于,步驟1)的過(guò)程為依次用丙酮、乙醇、異丙醇超聲清洗GaAs襯底3 10分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法,其特征在于,步驟2)中HCl水溶液的重量比是HCl =H2O=I 10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法,其特征在于,步驟5)的過(guò)程為在250 - 300°C工作溫度下,向原子層沉積反應(yīng)室先通入金屬源 TMA脈沖0. Is,接著通入金屬TDMAH脈沖0. Is ;如此循環(huán)10_30次。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種ALD制備GaAs基MOS器件中的原位表面鈍化方法,首先清洗GaAs襯底,之后在HCl水溶液中浸泡3~5分鐘,接著在(NH4)2S水溶液中浸泡10~40分鐘,用氮?dú)獯蹈蒅aAs襯底并移入原子層沉積反應(yīng)室,在原位用金屬脈沖清洗GaAs襯底。本發(fā)明在S鈍化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步在反應(yīng)室原位用金屬脈沖鈍化砷化鎵襯底表面,有效地除掉了表面的砷和鎵的氧化物,形成了穩(wěn)定的界面,防止了氧化物的生成,改進(jìn)了柵介質(zhì)薄膜與GaAs襯底之間的界面質(zhì)量,降低了界面層的厚度,提高界面熱穩(wěn)定性,降低了缺陷電荷和界面態(tài)密度,進(jìn)而明顯地改進(jìn)了ALD后GaAs基MOS器件的電學(xué)性能。
文檔編號(hào)C23C16/02GK102492932SQ201110394348
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者吳迪, 曹燕強(qiáng), 李學(xué)飛, 李愛(ài)東 申請(qǐng)人:南京大學(xué)
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