[发明专利]一种清洗钝化Ge衬底表面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料制备过程中的化学清洗方法，具体是一种清洗钝化Ge衬底表面的方法。

背景技术

随着集成电路集成度的不断提高，硅基半导体集成电路中金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFETs)器件特征尺寸即将达到纳米尺度。新材料和新型器件结构的应用已经成为半导体微纳电子技术可持续发展最主要的解决方案和必须突破的技术瓶颈。当硅基MOSFET尺寸缩小到0.1um以下时，采用传统的SiO₂作为栅氧化层介质，电子的直接隧穿效应和栅介质层所承受的电场将变得很大，由此引起栅介质的漏电流增大和可靠性下降等严重问题，阻碍了MOS器件的进一步发展。因此，寻找到SiO₂的可靠合适的高介电常数(k)替代材料，使得可以在保持栅极电容的同时，仍然确保介质层有足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响，以降低由隧穿引起的漏电流。虽然高k材料在传统的硅基集成电路领域的研究，已经取得了不少进展，但还是面临一系列严峻的物理和技术问题的挑战。其中一个主要的痼疾就是高k栅介质和金属栅材料的引入，在降低小尺度互补型CMOS器件高功耗的同时，也带来沟道材料/栅介质材料界面的恶化，由于库仑散射、声子散射等原因，导致沟道迁移率的明显下降，极大影响了CMOS逻辑器件速度的提高。于是，采用新型的具有高迁移率的半导体沟道材料如Ge和GaAs代替传统的Si材料成为制备高性能新型CMOS器件的另一个有吸引力的解决方案。

与硅相比，锗具有更高的电子和空穴迁移率，低的掺杂激活温度。历史上，锗曾经是最重要的半导体之一，世界上成功制作的第一个晶体管和第一块集成电路都是制备在Ge半导体基片上。后来制约锗在集成电路里面大规模应用的主要因素，就是缺乏与锗具有高质量界面的稳定的锗氧化物，通常的表面锗氧化物(GeO₂和GeO)或者是水溶性的或者是易挥发的，这极大地阻碍了Ge晶体管的制备，将高k材料引入锗中，为Ge晶体管的发展提供了一个新的契机。发展有效的表面钝化(Surface passivation)方法，成为发展Ge基场效应管的一个极其重要关键的步骤。研究表明，引入合适的界面钝化层IPL(Interfacial passivation layer)或进行适当的表面预处理可以极大地改进高k材料/高迁移率沟道材料的界面质量，有效降低界面态密度，获得较好的电学性能，解决费来能级钉扎问题。

近年来，高k栅介质材料HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂等在Ge基MOSFET上的应用引起了广泛的关注。然而，在栅介质的淀积过程及后续退火工艺中Ge表面易氧化生成GeOx层，此界面层存在很大的界面态密度，严重恶化了器件的性能。为此，我们发展了一种与传统的Si工艺相兼容、简单有效的化学溶液清洗钝化Ge衬底表面的方法，改进高k材料/Ge高迁移率沟道材料的界面质量，获得较好的电学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单的清洗钝化Ge衬底表面的方法，该方法能够有效地去除了Ge表面的氧化物，并在Ge衬底表面形成了稳定的钝化层。

本发明所述的清洗钝化Ge衬底表面的方法，包括以下步骤：首先将锗衬底在丙酮、甲醇中依次超声清洗2-10分钟，去除Ge表面的油污，然后将锗衬底移到5-20％(重量比)的氢溴酸水溶液中，室温下清洗3-15分钟，接着将锗衬底用高纯氮气吹干，吹干后的锗衬底放入15-50％(重量比)的硫化铵水溶液中，将硫化铵加热到60-80℃，钝化10-20分钟，最后用去离子水或乙醇冲洗处理过的锗表面，并用高纯氮气吹干。

本发明采用氢溴酸溶液清洗Ge衬底表面，有效地去除了Ge表面的氧化物，然后再采用加热硫化铵溶液钝化Ge衬底表面，形成了稳定的钝化层。之后在钝化过的Ge衬底上沉积氧化铝或者氧化铝/氧化铪纳米叠层或堆栈结构等栅介质薄膜，可以发现明显改进了栅介质薄膜与Ge衬底之间的界面质量，并改善了栅介质薄膜的电学性能。此方法工艺简单，在Ge基MOSFET器件的制备上具有令人期待的应用前景。

附图说明

图1(a)为本发明以氢溴酸和硫化铵处理的锗衬底，图1(b)为现有技术以氢氟酸和硫化铵处理的锗衬底。

图2为不同暴露时间Ge表面的Ge-S的比例变化。

图3为原子力显微镜(AFM)表征的两种不同清洗钝化方法的氧化铝/锗样品(厚度为4nm)的表面形貌。