[发明专利]一种制作结晶态高K栅介质材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种制作用来形成Ge基MOSFET器件的结晶态高K栅介质材料的方法，以及该结晶态高K栅介质材料在MOSFET器件上的应用。

背景技术

随着硅(Si)基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)特征尺寸的不断缩小，传统的平面型Si基器件性能已经达到了技术尽头，这就需要在衬底材料以及器件的结构方面进行创新，以达到进一步提高器件性能。相比于Si，锗(Ge)有它很多的优点，其中载流子迁移率很高(电子迁移率是Si的2倍，空穴迁移率是Si的4倍，是半导体材料中最高的)、驱动电流小、适合于低温工艺，所以近年来Ge作为MOS器件的衬底材料得到了很大的关注。

尽管Ge有以上的优点，但是它缺点也是很明显的。现在Ge器件的瓶颈主要有以下三个方面：1、生长高质量的Ge或GeOI衬底；2、和Ge衬底具有良好界面的高K介质生长；3、Ge基CMOS的集成技术。要达到更好的Ge基器件，三个方面的发展都是必不可少的，但是现在的研究主要问题集中在后面两个问题的研究上，Ge没有像SiO₂那样稳定的本征氧化物，GeO₂易溶于水且在430℃以上就会发生分解，这很大程度上制约了Ge基器件的进一步发展。Ge基器件要广泛应用就首先解决的Ge的栅介质问题。

我们的研究主要集中在高K栅介质上，像Si工艺那样沉积高K介质的方法并不能完全被Ge工艺兼容，在不断地尝试工作并没有解决Ge栅介质的问题，这个问题已经成为了本领域研究的热点。如果能找到一种结晶态的高K金属氧化物或其他介质材料与Ge衬底晶格匹配或者赝配，这样就可以通过异质外延技术得到理想的MOS界面，大幅度地降低界面态密度，解决Ge基MOS器件的界面问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制作结晶态高K栅介质材料的方法，以解决Ge基MOS场效应晶体管的界面态问题，获得高性能Ge基MOS器件。

(二)技术方案

为了达到上述的目的，本发明提出了一种制作结晶态高K栅介质材料的方法，该方法包括：在单晶衬底上沉积非晶态高K栅介质材料，以及借助于退火工艺将该非晶态高K栅介质材料结晶为结晶态高K栅介质材料；或者在Ge衬底上直接外延生长结晶态高K栅介质材料。

上述方案中，所述单晶衬底包括Ge衬底、GeOI衬底以及异质外延生长的Ge材料。

上述方案中，所述结晶态高K栅介质材料的介电常数大于8。

上述方案中，所述结晶态高K介质材料是选自金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物，以及金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物的合金、化合物或多层中的任一种或多种，或者是将结晶态高K介质材料作为过渡层在其上沉积其他非晶态高K介质材料。

上述方案中，所述其他非晶态高K介质材料是选自金属氧化物、金属氮氧化物、金属氧化硅、金属氮氧硅、金属氧化锗或金属氮氧锗中的任一种或多种；其中的金属选自Al、Ba、Ca、Ce、Co、Cr、Dy、Eu、Gd、Hf、La、Nb、Ni、Pr、Sc、Sr、Ta、Ti、W、Y或Zr中的任一种或多种。

上述方案中，所述金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物中的金属选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm或Eu，以及Sr、Ba、Y、Zn、Cd、Zr、Hf或Ta中的任一种或多种。

上述方案中，所述结晶态高K介质材料为La₂O₃、Ce₂O₃、Pr₂O₃、Nd₂O₃、Pm₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃稀土氧化物以及它们的任意组合，这类氧化物能够在Ge衬底上异质外延形成结晶态高K栅介质。

上述方案中，所述在单晶衬底上沉积非晶态高K栅介质材料采用的方法为ALD或CVD，所述在Ge衬底上直接外延生长结晶态高K栅介质材料采用MBE外延方法。

上述方案中，所述借助于退火工艺将该非晶态高K栅介质材料结晶为结晶态高K栅介质材料的步骤中，退火工艺包括高温退火、尖峰退火或激光退火。

上述方案中，所述结晶态高K栅介质材料的厚度为1～10nm，介电常数在8～25之间，能够应用于Ge基的MOS器件、MOSFET器件或FinFET器件。

(三)有益效果