專利名稱：在InP襯底上制備高K柵介質薄膜和MIS電容的方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜制備工藝和一種制作電容的方法，特別是涉及一種利用等離子增強原子層沉積技術在InP襯底上制備高K柵介質薄膜和MIS電容的方法。
背景技術：
隨著微電子領域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工的極限，硅基器件的速度和泄漏電流將是難以克服的挑戰。因此，在權衡器件的高性能和小尺寸之間的矛盾時，III - V族化合物半導體襯底很可能是混合襯底技術中nMOS器件的首選襯底材料。與傳統硅襯底相比，InP襯底具有較高電子遷移率、較高飽和速度、以及較寬禁帶。根據蒙特卡洛近似計算，在相同溝道長度的情況下，具有InP溝道的n-MOS器件相較于Si、Ge、GaAs溝道的器件，其高場區域跨導竟然高出60%。因此，如果在InP襯底上制備出高質量，熱穩定性好的高k柵介質材料，將使InP在高遷移率邏輯電路的應用成為現實。對于InP/高k柵介 質材料結構的nMOS器件，界面特性是保證整個器件性能不斷提高的關鍵。而對于InP襯底的清洗及表面鈍化更是提高界面特性的關鍵。直接在InP上沉積高k柵介質薄膜并不能獲得高質量的界面特性和優異的電學性能，采用表面鈍化技術可以極大地改善III - V族化合物半導體/高k柵介質材料的界面質量，有效降低界面態密度，解決費米能級釘扎問題。在眾多高k柵介質材料中，目前研究最為廣泛的高k柵介質材料就是HfO2,它的介電常數為25 40，禁帶寬度為5. 7eV，并且與Si的導帶價帶偏移值都大于I. 5eV。而且，Hf基高k柵介質已被成功應用到Intel公司的45nm工藝中，具有可觀的發展前景。另外，稀土氧化物作為高k柵介質材料(Gd2O3、La203、Lu203等)，也受到廣泛關注。例如La2O3，它的介電常數為30，禁帶寬度為4. OeV，與硅襯底接觸有很好的熱穩定性，但是其極易與空氣中的水發生反應影響器件性能提高。目前，高k柵介質研究中一種特殊結構是二元合金柵介質堆垛結構，通過合理控制金屬氧化物組分，可以結合兩種氧化物的優點，打破單一氧化物物理性能的局限。而且多元氧化物高k柵介質和InP的界面結合的非常好，界面態相當低，力口上氧化層的禁帶寬度大，可以降低隧穿電流。原子層沉積技術已經被廣泛應用于制備高k柵介質薄膜，并且可以分為等離子體模式(PEALD)和傳統熱生長模式(TALD)，PEALD比TALD具有更低的反應窗口，在等離子體活化環境下，不但可以降低生長溫度，而且原本TALD模式下不能反應的兩種反應物也可以發生反應形成薄膜，提高薄膜生長速率，同時提高薄膜密度和擊穿電壓。另外，PEALD技術更容易控制薄膜化學組分的配比，因此有利于多元金屬氧化物高k柵介質薄膜制備。更重要的是，采用PEALD可以實現原位等離子體處理，可以在薄膜沉積前對襯底進行等離子體鈍化，有效地降低襯底表面自然氧化物對薄膜生長的影響，從而抑制界面層生長，提高柵介質薄膜電學性能。利用等離子體增強原子層沉積(PEALD)技術在InP襯底晶片上沉積均勻、高質量高k柵介質薄膜的方法時。由于InP和本征氧化物界面具有很高的界面態密度，引起費米能級在禁帶中的釘扎和高的表面復合速率，嚴重影響器件性能。
鑒于此，如何提出一種在InP襯底上制備高k柵介質薄膜的方法，用于改善了高k柵介質與InP襯底之間的界面特性，以及降低了費米能級釘扎效應的影響，成為目前亟待解決的問題。

發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種在InP襯底上制備高K柵介質薄膜和MIS電容的方法，用于解決現有技術中高k柵介質與InP襯底之間的界面特性差、以及費米能級釘扎效應的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，至少包括以下步驟I)提供一雙面拋光的InP晶片作為襯底，對其進行清洗后放入PEALD反應腔內；
2)以Ar氣作為載氣，以NH3或N2作為反應氣體，利用等離子體工藝對InP襯底正面進行原位氮化處理；3)利用PEALD工藝在所述InP襯底正面沉積高K柵介質薄膜；4)利用氧等離子體工藝對所述高K柵介質薄膜進行原位后處理；5)將形成的所述高K柵介質薄膜的樣品置入退火爐中進行N2氣氛退火處理。可選地，所述步驟I)中對InP襯底的清洗過程為先用丙酮、無水乙醇依次對InP晶片進行超聲清洗各5min，接著將InP晶片浸泡于體積比為1:50的HF溶液中30sec，然后用去離子水沖洗，最后用N2氣吹干晶片。所述步驟5)中所述樣品置于N2或O2氣氛中退火，退火溫度為500°C 900°C，退火時間為30s 60s。可選地，所述步驟2)還包括2-1)以Ar氣作為載氣，以NH3或N2作為反應氣體，利用等離子體工藝對所述InP襯底正面進行原位氮化處理；2-2)采用PEALD工藝在所述InP襯底正面生長一層緩沖層。可選地，所述步驟2-2)中的緩沖層的材質為A1203、La2O3、或Gd2O30可選地，所述步驟3)還包括3-1)利用PEALD工藝在所述InP襯底正面沉積高K柵介質薄膜；3-2)利用PEALD工藝在所述高k柵介質薄膜上生長一層阻擋層。可選地，所述步驟3-2)中的阻擋層材質為Al2O3;所述高k柵介質薄膜的材質為(HfO2) x(La203) h、(HfO2) ,(Al2O3) i-x> (La2O3) x (Al2O3)&、(Gd2O3) x (La2O3)卜廣或(HfO2)X(Gd2O3)1^其中，O彡X彡I J^^iPEALD反應腔內的溫度為160°C 250°C，等離子體原位氮化處理的射頻功率為70W 150W。此外，本發明的另一目的是提供一種制備MIS電容的方法，包括I)利用如權利要求1-9任一項所述的方法在InP襯底正面制備高K柵介質薄膜；2)在所述高k柵介質薄膜表面分別制備依次包括Ti層、以及Pt層的層疊結構的頂電極，然后將所述InP襯底放入退火爐中退火；3)在所述InP襯底背面制備依次包括Ge層、Au層、Ni層、以及Au層的層疊結構的背電極，然后再次將所述InP襯底放入退火爐中退火。可選地，所述步驟2)中采用磁控濺射或電子束蒸發工藝制備頂電極；所述步驟2)中的高溫退火工藝為在體積比為19:1的N2 =H2混合氣氛中快速退火，退火溫度為4000C飛00°C，退火時間為2mirT5min ;所述步驟3)中采用電子束蒸發工藝制備背電極；所述步驟3)中的高溫退火工藝為在體積比為19:1的N2 =H2混合氣氛中退火，退火溫度為300 0C 400 °C，退火時間為 lmirT3min。如上所述，本發明的一種在InP襯底上制備高k柵介質薄膜和MIS電容的方法，具有以下有益效果本發明提供一種在InP襯底上制備高k柵介質薄膜和MIS電容的方法，該方法工藝簡單，在沉積高k柵介質薄膜之前通過利用等離子體原位處理對InP襯底進行鈍化，改善了高k柵介質與InP襯底之間的界面特性，降低了費米能級釘扎效應的影響，并且在高k柵介質薄膜形成后利用氧等離子體原位后處理提高了高k薄膜的致密度和薄膜質量。同時，本發明在InP襯底上制備穩定的性質優良的高k柵介質薄膜基礎上，并成功制作MIS電容結構，為后面驗證高k柵介質薄膜的電學性能提供了基礎。


圖I顯示為本發明實施例一中的在InP襯底上制備高k柵介質薄膜的工藝流程圖。圖2顯示為本發明實施例二中的在InP襯底上制備高k柵介質薄膜的工藝流程3顯示為本發明實施例二中的在InP襯底上制備的高k柵介質薄膜的結構示意圖。圖4顯示為本發明實施例三中的在具有高k柵介質薄膜的InP襯底上制備MIS電容的工藝流程圖。圖5顯示為本發明實施例三中的在具有高k柵介質薄膜的InP襯底上制備的MIS電容結構示意圖。元件標號說明IInP 襯底2緩沖層3高K柵介質薄膜4阻擋層5頂電極6背電極SrS5 步驟
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。下面結合說明書附圖進一步說明本發明提供的一種在InP襯底上制備高k柵介質薄膜和MIS電容的方法。實施例一請參閱圖1，顯示為本發明中在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的工藝流程圖，如圖所示，所述工藝方法至少包括以下步驟步驟SI :提供一單晶InP晶片作為襯底1，并對該襯底就行雙面拋光工藝，可以利用半導體工藝中通常的拋光手段，例如拋光機、拋光液或化學機械拋光(CMP)工藝等。然后 對InP襯底I進行嚴格清洗，清洗過程為先用丙酮、無水乙醇依次對InP晶片進行超聲清洗各5min，接著將InP晶片浸泡于體積比為1:50的稀HF溶液中30sec，然后用大量去離子水沖洗，最后用N2氣吹干晶片。步驟S2 :快速將吹干后的InP襯底I放入PEALD反應腔內，InP襯底I暴露在空氣中的時間不超過10分鐘。反應腔中的溫度為160°C 250°C，本實施例中優選為180°C，射頻功率為70W 150W，本實施例中優選為150W ;采用NH3或N2作為反應氣體，Ar或N2氣作為載氣，本實施例中暫選用N2作為反應氣體，在其它實施例中亦可選用NH3作為反應氣體，利用PEALD中的等離子體工藝對InP襯底I表面進行原位氮化處理，通過利用等離子體原位處理對InP襯底進行鈍化，在InP襯底I表面形成InON和PON氮化層，抑制InP襯底I表面本征氧化物的生長，改善了高K柵介質薄膜3與InP襯底I之間的界面特性，降低了費米能級釘扎效應的影響。步驟S3 :利用等離子體增強原子層沉積工藝在所述InP襯底I正面沉積高K柵介質薄膜3，本實施例中所生長的高K柵介質薄膜3暫選為(HfO2) x (Al2O3) h，其中，O彡X彡I，制備高K柵介質薄膜3 (HfO2) x (Al2O3) h的具體工藝如下首先利用N2或Ar作為載氣，向PEALD反應腔中通入第一金屬前驅體Al (CH3) 3，通入時間為500ms，使所述第一金屬前驅體吸附在所述InP襯底上，然后用所述載氣吹洗并帶走剩余反應物，接著通入O2并形成氧等離子體與所述第一金屬前軀體進行反應2s，生成第一氧化物薄膜，再次用所述載氣吹洗并帶走剩余反應物；然后，通入第二金屬前軀體[(CH3)(C2H5)N]4Hf，通入時間為500ms，使所述第二金屬前驅體吸附在所述第一氧化物薄膜上，用所述載氣吹洗并帶走剩余反應物，再次通入O2并形成氧等離子體，且與所述第二金屬前驅體反應2s生成第二氧化物薄膜，再用所述載氣吹洗并帶走剩余反應物，即為一個原子層沉積循環周期；最后，執行多個原子層沉積循環周期，直至得到所需要的高K柵介質薄膜3厚度，最終所形成的K柵介質薄膜3為(HfO2) x (Al2O3) h，參數X的值可根據需要可以靈活控制其大小，例如X可以取0、0. 5、06、0.8、1等。其中，在本發明中，利用載氣吹洗腔體時間為2飛S，本實施例中優選為5s。需要說明的是，采用實施例中的方法，亦可以制備出(HfO2) x (La2O3) 、(La2O3),(Al2O3) i-x> (Gd2O3)x (La2O3)H'或(HfO2)x(Gd2O3) ^ 等高 K 柵介質薄膜 3，其中 O 彡 x 彡 1，在制備這些高K柵介質薄膜3時，其工藝過程與本實施例中該步驟中制備高K柵介質薄膜
3(HfO2) x (Al2O3) h的工藝過程相同，而僅僅是反應前驅體不同以及通入各該反應前驅體的反應時間不同，例如，[(CH3) (C2H5) N] 4Hf作為HfO2的反應前驅體，La [N (TMS)2] 3作為La2O3的反應前驅體，Al (CH3)3作為Al2O3的反應前驅體，Gd [N (TMS) 2]3作為Ga2O3的反應前驅體。因此，利用本發明的方法在所述InP襯底上制備性質相同或相近的其它高K柵介質薄膜3都屬于本發明所涉及的范圍。步驟S4 :所述高K柵介質薄膜3生長后，利用氧等離子體對其進行原位后處理；通過氧等離子體原位后處理后所述高K柵介質薄膜3與InP襯底I之間的界面變的更加平整，且降低了界面層厚度，提高了高K柵薄膜3的致密度和薄膜質量。步驟S5 :將形成高K柵介質薄膜3的樣品置入快速退火爐中進行N2或O2氣氛退火處理，本發明中樣品的退火溫度500°C、00°C，本實施例中優選為700°C ;本發明中退火時間為30s飛Os，本實施例中優選為60s。通過上述步驟，完成了利用PEALD工藝在InP襯底I上制備高K柵介質薄膜3。綜上所述，本實施例中提供一種在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，該方法 在沉積高k柵介質薄膜之前通過利用等離子體原位處理對InP襯底進行鈍化，改善了高k柵介質與InP襯底之間的界面特性，降低了費米能級釘扎效應的影響，并且在高k柵介質薄膜形成后利用氧等離子體原位后處理提高了高k薄膜的致密度和薄膜質量。實施例二如圖2所示為本發明中在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的工藝流程圖，如圖3所示為最終在InP襯底上制備出的高K柵介質薄膜的結構圖。需要說明的是本實施例中的工藝流程是在實施例一基礎上增加一些步驟，從而得到更加優良的高K柵介質薄膜，具體過程如下在實施例一中步驟S2中對所述InP襯底I進行原位氮化處理后，可以進一步在所述InP襯底正面上制備一層緩沖層2，步驟如下步驟S2-2 :利用PEALD工藝在所述InP襯底正面上生長一層緩沖層2，本實施例中所述緩沖層2的材質暫選為Al2O3，但不限于此，在其它實施例中，亦可選用La2O3、或Gd2O3,制備緩沖層2的具體工藝如下利用N2 *Ar作為載氣，向PEALD反應腔中通入第一金屬前驅體Al (CH3) 3，通入時間為500ms，使所述第一金屬前驅體吸附在所述InP襯底I上，然后用所述載氣吹洗并帶走剩余反應物，接著通入O2并形成氧等離子體與所述第一金屬前軀體進行反應2s，生成第一氧化物薄膜Al2O3，再次用所述載氣吹洗并帶走剩余反應物，這作為一個原子反應周期，通過多個原子反應周期可以得出不同厚度的Al2O3薄膜。在本實施例中，由于Al2O3薄膜作為緩沖層2不宜過厚，因此一般重復I 5個原子反應周期的厚度即可。在實施例一中步驟S3中對所述InP襯底I制備高K柵介質薄膜3后，可以進一步在所述InP襯底I正面上制備一層阻擋層4，步驟如下步驟S3-2 :采用PEALD工藝在高k柵介質薄膜3 (HfO2) x (Al2O3) 上生長一層Al2O3阻擋層4，但不限于材料Al2O3，在其它實施例中，亦可以為其它材料的阻擋層4。制備所述Al2O3阻擋層4的方法與上述步驟S2-1的工藝方法相同，在此不再贅述。本實施例中，制備高K柵介質薄膜工藝的其它步驟與實施例一中的步驟相同，在此不再贅述。需要說明的是，在本實施例中上述步驟S2-1和步驟S4-1同時出現，但不限于此，在其它實施例中亦可單獨出現。
綜上所述，所述緩沖層不僅可以增加后續高K柵介質薄膜與襯底的附著力，而且也可以實現高K薄膜與襯底之間的晶格匹配，改善了界面特性；該阻擋層可以防止在利用本發明的方法制備的高K柵介質薄膜上制備其它器件時其它雜質離子擴散至所述高K柵介質薄膜導致對所述高K柵介質薄膜的性能的影響甚至破壞。實施例三
如圖4所示的工藝流程圖，本實施例提供一種制備MIS電容的方法，包括以下步驟步驟SI :利用本發明實施例一或實施例二中所述的方法在InP襯底I正面制備高K柵介質薄膜3，本實施例中不再對該具體工藝贅述。步驟S2 :采用磁控濺射或電子束蒸發方法在所述高k薄膜表面生長電極Ti/Pt合金作為頂電極5，并將樣品置于體積比為19:1的N2 =H2混合氣中快速退火，然后將所述InP襯底I放入退火爐中快速退火，退火工藝條件為退火溫度為400°C飛00°C，退火時間為2min"5min,以形成歐姆接觸。步驟S3 :采用電子束蒸發的方法在所述InP襯底I背面依次沉積包括金屬Ge層、Au層、Ni層、以及Au層的層疊結構作為背電極6，然后將所述InP襯底I放入退火爐中快速退火，退火工藝條件為將樣品至于體積比為19:1的N2 =H2混合氣氛中，退火溫度為3000C 400°C，退火時間為lmirT3min，以形成歐姆接觸，完成MIS電容制作。如圖5所示為本實施例中制備出的MIS電容器的結構示意圖。綜上所述，本發明提供一種在InP襯底上制備高k柵介質薄膜和MIS電容的方法，該方法工藝簡單，在沉積高k柵介質薄膜之前通過利用等離子體原位處理對InP襯底進行鈍化，改善了高k柵介質與InP襯底之間的界面特性，降低了費米能級釘扎效應的影響，并且在高k柵介質薄膜形成后利用氧等離子體原位后處理提高了高k薄膜的致密度和薄膜質量。同時，本發明在InP襯底上制備穩定的性質優良的高k柵介質薄膜基礎上，并成功制作MIS電容結構，為后面驗證高k柵介質薄膜的電學性能提供了基礎。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于，至少包括以下步驟 1)提供一雙面拋光的InP晶片作為襯底，對其進行清洗后放入PEALD反應腔內； 2)以Ar氣作為載氣，以NH3或N2作為反應氣體，利用等離子體工藝對InP襯底正面進行原位氮化處理； 3)利用PEALD工藝在所述InP襯底正面沉積高K柵介質薄膜； 4)利用氧等離子體工藝對所述高K柵介質薄膜進行原位后處理； 5)將形成的所述高K柵介質薄膜的樣品置入退火爐中進行N2氣氛退火處理。
2.根據權利要求I所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于，所述步驟I)中對InP襯底的清洗過程為先用丙酮、無水乙醇依次對InP晶片進行超聲清洗各5min，接著將InP晶片浸泡于體積比為1:50的HF溶液中30sec，然后用去離子水沖洗，最后用N2氣吹干晶片。
3.根據權利要求I所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于所述步驟5)中所述樣品置于N2或O2氣氛中退火，退火溫度為500°C、00°C，退火時間為30s 60s。
4.根據權利要求I所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于，所述步驟2)還包括 2-1)以Ar氣作為載氣，以NH3或N2作為反應氣體，利用等離子體工藝對所述InP襯底正面進行原位氮化處理； 2-2)采用PEALD工藝在所述InP襯底正面生長一層緩沖層。
5.根據權利要求4所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于所述步驟2-2)中的緩沖層的材質為A1203、La203、或Gd2O30
6.根據權利要求I所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于，所述步驟3)還包括 3-1)利用PEALD工藝在所述InP襯底正面沉積高K柵介質薄膜； 3-2)利用PEALD工藝在所述高k柵介質薄膜上生長一層阻擋層。
7.根據權利要求6所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于所述步驟3-2)中的阻擋層材質為Al2O315
8.根據權利要求I或6所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于所述高k柵介質薄膜的材質為(H f02)加痕,、(HfO2)x(Al2O3) > (La2O3) x (Al2O3)…(Gd2O3)X(La2O3)1-X'或(HfO2)x(Gd2O3)1-X,其中，0 彡 x 彡 I。
9.根據權利要求I或4或6所述的在InP襯底上制備高K柵介質薄膜的方法，其特征在于所述PEALD反應腔內的溫度為160°C 250°C，等離子體原位氮化處理的射頻功率為70ff"l50ffo
10.一種制備MIS電容的方法，其特征在于，包括 1)利用如權利要求1-9任一項所述的方法在InP襯底正面制備高K柵介質薄膜； 2)在所述高k柵介質薄膜表面分別制備依次包括Ti層、以及Pt層的層疊結構的頂電極，然后將所述InP襯底放入退火爐中退火； 3)在所述InP襯底背面制備依次包括Ge層、Au層、Ni層、以及Au層的層疊結構的背電極，然后再次將所述InP襯底放入退火爐中退火。
11.根據權利要求10所述的制備MIS電容的方法，其特征在于所述步驟2)中采用磁控濺射或電子束蒸發工藝制備頂電極。
12.根據權利要求10所述的制備MIS電容的方法，其特征在于，所述步驟2)中的高溫退火工藝為在體積比為19:1的N2 =H2混合氣氛中快速退火，退火溫度為400°C飛00°C，退火時間為2min 5min。
13.根據權利要求10所述的制備MIS電容的方法，其特征在于所述步驟3)中采用電子束蒸發工藝制備背電極。
14.根據權利要求10所述的制備MIS電容的方法，其特征在于所述步驟3)中的高溫退火工藝為在體積比為19:1的N2 :H2混合氣氛中退火，退火溫度為300°C 40(rC，退火時間為Imin 3min。
全文摘要
本發明提供一種在InP襯底上制備高k柵介質薄膜和MIS電容的方法，該方法工藝簡單，在利用PEALD工藝沉積高k柵介質薄膜之前通過等離子體原位處理對InP襯底進行鈍化，改善了高k柵介質與InP襯底之間的界面特性，降低了費米能級釘扎效應的影響，并且在高k柵介質薄膜形成后利用氧等離子體原位后處理提高了高k薄膜的致密度和薄膜質量。同時，本發明在InP襯底上制備穩定的性質優良的高k柵介質薄膜基礎上，并成功制作MIS電容結構，為后面驗證高k柵介質薄膜的電學性能提供了基礎。
文檔編號H01L21/02GK102760657SQ201210265019
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者俞躍輝, 夏超, 徐大偉, 曹鐸, 王中健, 程新紅, 賈婷婷, 鄭理 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所