[发明专利]一种石墨烯调制的高K金属栅Ge基MOS器件的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MOS器件的制作方法，特别是涉及一种石墨烯调制的高k金属栅Ge基MOS器件的制作方法。

背景技术

随着半导体器件的特征尺寸进入到45nm技术节点以后，为了减小栅隧穿电流，降低器件的功耗，并彻底消除多晶硅耗尽效应和P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(PMOSFET)中硼穿透引起的可靠性问题，缓解费米能级钉扎效应，高介电常数(k)/金属栅材料已经代替传统的SiO₂/多晶硅(poly)结构成为了必然的选择。然而，根据国际半导体技术发展蓝图(international technology roadmap for semiconductor，ITRS)，CMOS技术将于2015-2020年进入16nm技术节点。CMOS逻辑器件等比例缩小将面临更多的挑战。为了跨越尺寸缩小所带来的这些障碍，要求把最先进的工艺技术整合到产品制造过程中。根据现有的发展趋势，被引入到16nm节点的新的技术应用，涉及如下几个方面：浸入式光刻的延伸技术、迁移率增强衬底技术、超浅结(ultra-shallow junction，USJ)以及其他应变增强工程等方法。其中迁移率增强衬底技术得到了越来越广泛的关注。锗（Germanium，Ge）因其极高的载流子迁移率，且与半导体工艺兼容，被认为是最具潜力的高迁移率半导体材料。锗的带隙宽度为0.66eV，电子迁移率与空穴迁移率分别是Si的2.6与4.2倍，而且迁移率还可以通过应变增强技术得到进一步提高，是CMOS器件理想的沟道材料。然而，Ge的氧化物在性质上不同于Si的氧化物，GeO₂在常温下很容易吸收水分子而变得不稳定。而且在温度升高时，GeO₂会与Ge反应生成GeO，导致在MOS工艺下高k/Ge结构界面不稳定。此外，由于高k/Ge界面容易发生严重的互扩散还会导致介质层性能下降、器件栅极漏电流严重等问题。

针对高k/Ge界面结构所面临的挑战，石墨烯被认为是有机材料中最稳定的二维材料，而且具有超强的柔韧性以及超高的致密度。最新的研究表明，石墨烯不仅具有超高的载流子迁移率，同时也具有很好的钝化效果。研究发现，通过化学气相沉积的方法将石墨烯生长到铜或铜镍合金表面，能够很好的阻止金属材料被氧化。在Ni、Al、Au与Si衬底之间引入石墨烯，可以很好在较高温度条件下作为钝化层抑制不同薄层之间原子的扩散。另外，研究表明石墨烯的导体特性可以通过H、O或者F等离子体处理向半导体甚至绝缘体转变。因此，在高k栅介质材料与锗衬底之间引入等离子处理的石墨烯阻挡层，有望在不影响沟道特性的前提下解决不稳定GeO_x生成和Ge与高k间的互扩散难题。该研究成果将拓展石墨烯材料的应用领域，推动微电子技术延续摩尔定律不断发展。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯调制的高k金属栅Ge基MOS器件的制作方法，用于解决现有技术中不稳定GeO_x生成和Ge与高k金属栅间的互扩散的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种石墨烯调制的高k金属栅Ge基MOS器件的制作方法，至少包括以下步骤：

1）于Ge基衬底上引入石墨烯薄膜；

2）对所述石墨烯薄膜进行氟化处理形成氟化石墨烯绝缘薄层；

3）采用臭氧等离子体活化所述氟化石墨烯表面，然后通过原子层沉积技术于所述氟化石墨烯表面形成高k栅介质；

4）于所述高k栅介质表面形成金属电极。

作为本发明的石墨烯调制的高k金属栅Ge基MOS器件的制作方法的一种优选方案，还包括以下步骤：

5）去除部分的金属电极、高k栅介质及氟化石墨烯，形成MOS器件的栅极结构；

6）通过离子注入工艺形成MOS器件的源区和漏区；

7）制作源区电极及漏区电极。

作为本发明的石墨烯调制的高k金属栅Ge基MOS器件的制作方法的一种优选方案，步骤1）包括以下步骤：

1-1）于金属衬底上生长石墨烯薄膜；

1-2）将所述石墨烯薄膜转移至所述Ge基衬底上；

1-3）退火加固所述石墨烯薄膜及Ge基衬底的结合。

作为本发明的石墨烯调制的高k金属栅Ge基MOS器件的制作方法的一种优选方案，步骤1）采用化学气相沉积法于所述Ge基衬底表面原位生长石墨烯薄膜。