專利名稱：一種InP反型n溝道場效應管及其制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種InP反型η溝道場效應管(nMOSFET)及其制備方法。
背景技術：
基于Si的互補型金屬氧化物半導體(CMOS)器件隨著摩爾定律按比例縮小已經接近其物理極限。如果進一步縮小器件的尺寸，薄的柵介質層會發生電流隧穿現象，高到難以接受的水平，而使器件無法正常工作。為了進一步提升器件的性能，必須采用新的具有高遷移率的半導體材料來取代傳統的Si溝道層。III-V半導體材料，如GaAs、InxGa1^xAs, InP, InAs等，由于較高的電子傳輸性能已經引起了廣泛的關注。III-V材料有著較高的電子遷移率和低電場下的漂移速度，使得III-V器件可以高速且低功耗的工作。在眾多的III-V半導體材料中，InP是一種廣泛應用于電子、光電子和光學器件的化合物半導體材料。它的禁帶寬度為1. 34 eV,比富h的hxGai_xAs的要寬。相比于GaAs， 研究認為在InP表面較少出現費米能級釘扎效應而同時其材料的電子飽和位移速率又比較大-2. 5X IO7 cm/so在以前的研究報道里，一般對hP MOSFET的研究，主要是在hP (100)晶向襯底上制備而成。柵介質無論是化學氣相淀積(CVD)的Al2O3還是熱氧化的SiO2, InP (100) MOSFETs在室溫下1000 s后漏電流漂移均達到了 90%以上，嚴重地影響了器件的正常工作。 通常認為這種嚴重的電流漂移特性是由MP (100)本征氧化物里大量的邊界陷阱以及柵介質氧化物與^P (100)半導體之間的界面陷阱造成的。因此，如果采用一種較少界面缺陷的InP襯底，同時能夠實現在其上生長一種高質量、熱穩定性的高介電常數(high-k)的柵介質材料，通過適當的半導體表面處理方法，改善high-k與InP之間的界面特性，從而得到具有優異電學特性的InP基MOSFET器件。那么，在未來的高速邏輯電路中，InP將會是一種非常重要的晶體管溝道材料。

發明內容
本發明的目的在于提供一種電流性能突出的InP反型η溝道場效應管(nMOSFET) 及其制備方法。本發明提供的InP反型η溝道場效應管，采用(111 )Α晶向的InP作為半導體襯底， 金屬Ni/Ge/Au的混合物薄膜作為柵漏源電極，采用原子層淀積技術(ALD)生長的高介電常數的Al2O3薄膜作為柵介質材料，然后制成hP反型nMOSFET。采用(111) A晶向的hP作為半導體襯底，其與Al2O3柵介質的界面明顯比(100)晶向的要平滑，而且器件電學測試表明hP (Ill)A表面上有比較大的電子遷移率以及較大的漏電流。特別是在直流電壓連續掃描激勵下，InP反型nMOSFET的飽和電流表現出近乎100%的穩定性——電流漂移幾乎為 “零，，。本發明提出的以ALD Al2O3為柵介質的hP (Ill)A nMOSFET的制備方法，具體步驟如下
(1)首先用稀釋的HCl溶液hP(Ill)A圓片5 10 min，以去除表面的本征氧化物；
(2)溫度為15(Γ300° C時，使用三甲基鋁(TMA)和水的交替的脈沖前驅物組合，在 InP (Ill)A襯底上淀積一層厚度為20 50 nm的Al2O3作為表面覆蓋層；
(3)透過Al2O3覆蓋層，使用Si離子選擇性注入形成源、漏區域；
(4)在溫度為70(Γ800° C的氮氣中經過15 30 s快速熱退火處理，激活源、漏區注入的離子；
(5)用緩沖氧化層刻蝕方法去除覆蓋層Al2O3；
(6)在硫化氨溶液里浸泡5 10分鐘，形成一層表面含S的鈍化層；
(7)在溫度為15(Γ300° C的條件下，使用三甲基鋁(Al (CH3)3，TMA)和水的交替的脈沖前驅物組合，再用ALD生長厚度為3 10 nm的Al2O3柵介質層；
(8)將上步制得的樣品在50(Γ900° C氮氣腔里進行退火3(T120 s；
(9)電子束沉積Ni/Ge/Au的混合物作為源、漏區域的金屬接觸；
(10)再在溫度為30(Γ400° C的條件下使用氮氣快速熱退火3(T60 s ；
(11)用電子束沉積Ti/Au并且Liftoff工藝之后形成柵極金屬，制成hPnMOSFET器件。對hP (Ill)A nMOSFET器件進行電學性能分析。本發明具有以下優點
1、(111 )A晶向的InP上采用原子層淀積Al2O3作為柵介質材料能夠大大提高其界面質
量和柵氧質量。2、在直流電壓連續掃描激勵下，飽和電流表現出近乎100%的穩定性——電流漂移幾乎為零。這些特性在MOS場效應管領域具有很大的應用價值。


圖1本發明hP η溝道MOSFET器件結構示意圖。圖2本發明InP襯底上生長Al2O3介質層后的透射電鏡顯微圖。圖3本發明hP η溝道MOSFET器件的電流輸出特性。圖4本發明hP η溝道MOSFET器件的電流漂移特性。
具體實施例方式下面參考附圖描述本發明的實施方式。后面的描述中，相同的附圖標記表示相同的組件，對其重復描述將省略。圖1本發明hP η溝道MOS場效應管器件結構示意圖。首先，利用稀釋的HCl溶液和(NH4)2S溶液進行表面處理，去除hP (Ill)A圓片101表面的本征氧化物。把圓片立即置入ASM F-120 ALD的反應腔體中。溫度為300 ° C時，使用三甲基鋁(Al (CH3)3，TMA) 和水的交替的脈沖前驅物組合淀積一層30 nm厚的Al2O3作為表面覆蓋層。透過Al2O3覆蓋層，使用Si離子選擇性注入形成源、漏區域102(能量為30 KeV，濃度IXlO14 cm_2和能量為80 KeV，濃度IXlO14 cm—2)。隨后在750 ° C的氮氣中經過15 s快速熱退火(RTA)工藝，以便激活源、漏區注入的離子。用緩沖氧化層(BOE)刻蝕方法去除覆蓋層Al2O3，接著在硫化氨溶液里浸泡10分鐘，再重新置入ALD反應腔里生長8 nm厚的Al2O3，即圖中的103部分。然后，在500 ° C氮氣腔里經過PDA退火Imin后，電子束沉積Ni/Ge/Au的混合物作為源、漏區域的金屬接觸104。最后，在400 ° C時使用氮氣RTA退火30 S。用電子束沉積 Ti/Au并且liftoff工藝之后形成柵極金屬105。加工的nMOSFETs柵長從0. 40 μ m至40 μ m不等，柵寬為100 μπι。Al2O3AnP (100)和Al2O3AnP (Ill)A界面的透射顯微鏡(TEM)圖片如圖2所示。 由此圖中5 nm比例尺可以看出ALD Al2O3的厚度為8 nm。而且氧化層與半導體的界面上沒有發現任何明顯的本征氧化物的存在，證明了 InP上ALD工藝的“自清洗(se 1 f-c 1 eaning) ” 效應。Al2O3AnP (Ill)A的界面相對Al2O3AnP (100)的界面明顯比較平滑，而界面的粗糙程度是影響III-V MOSFETs的表面溝道中電子遷移率的主要因素之一。圖3所示是在(100)和(Ill)A上hP反轉型nMOSFET的輸出特性曲線。 測試柵極偏壓(G)從0至3 V，步長為0.5 V。柵長為1 μ m，柵寬為100 μ m。當柵極偏壓(G)、漏極偏壓都為3 V時，(Ill)A上漏極電流(Jrfs)達到最大值600 μΑ/μπι—— 是同等條件下(100)表面上的3. 5倍。在目前有關反型hP nMOSFET報道的文獻中，這個電流數值是破紀錄的。實驗中，使用Keithley 4200測試hP nMOSFETs漏電流漂移特性如圖4所示。 一個階躍信號從 =0時刻起加到柵極作為柵極偏壓。源漏柵三極設置公共地。漏極采用 Keithley 4200設置一固定偏壓，并實時測試器件的漏電流(/&)。起始電壓信號穩定時間 ( )為5 s，采樣時間設置為0.35 s，測試時間為1400 S。如圖4所示，常溫下、漏極偏壓& 和柵極偏壓Vffs均為3 V時，InP (100)與hP (Ill)A上nMOSFETs的漏電流的漂移特性曲線。兩種器件的柵長均為8 μπι。縱坐標是以初始漏電流值(i=5s)歸一化的漏電流。 在測試的1400秒內，hP (100)上漏電流相比初始漏電流值Jrfs (i=5s)下降了大約6. 9%， 令人驚奇的是在同等條件下^P (Ill)A上卻發現幾乎為零的漏電流漂移特性。除了可能是隨機電噪聲造成的小“顛簸”之外，hP (111) A上漏電流的漂移幾乎完全被抑制——漏電流漂移曲線一直保持平直狀態。因此，本發明為未來16 nm工藝以下非Si的CMOS技術提供了具有實際應用意義的結果。上述實施例只是本發明的舉例，盡管為說明目的公開了本發明的最佳實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于最佳實施例和附圖所公開的內容。
權利要求
1.一種MP反型η溝道場效應晶體管，其特征在于采用(111) A晶向的InP作為半導體襯底，金屬Ni/Ge/Au的混合物薄膜作為柵漏源電極，采用高介電常數的Al2O3薄膜作為柵介質材料。
2.根據權利要求1所述的InP反型η溝道場效應晶體管的制備方法，其特征在于具體步驟為(1)首先用稀釋的HCl溶液hP(Ill)A圓片5 10 min，以去除表面的本征氧化物；(2)溫度為15(Γ300° C時，使用三甲基鋁和水的交替的脈沖前驅物組合，在hP(lll) A襯底上淀積一層厚度為2(T50 nm的Al2O3作為表面覆蓋層；(3)透過Al2O3覆蓋層，使用Si離子選擇性注入形成源、漏區域；(4)在70(Γ800° C的氮氣中經過15 30 s快速熱退火處理，激活源、漏區注入的離子；(5)用緩沖氧化層刻蝕方法去除覆蓋層Al2O3；(6)在硫化氨溶液里浸泡5 10分鐘，形成一層表面含S的鈍化層；(7)在溫度為15(Γ300° C條件下，使用三甲基鋁和水的交替的脈沖前驅物組合，再用 ALD生長厚度為3 10 nm的Al2O3柵介質層；(8)將上步制得的樣品在50(Γ900° C氮氣腔里進行退火3(T120 s；(9)電子束沉積Ni/Ge/Au的混合物作為源、漏區域的金屬接觸；(10)再在溫度為30(Γ400° C的條件下使用氮氣快速熱退火3(T60 s ；用電子束沉積Ti/Au并且Liftoff工藝之后形成柵極金屬，制成MP反型η溝道場效應晶體管。
全文摘要
本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種InP反型n溝道場效應管及其制備方法。該nMOSFET主要由表面晶格方向為(111)A的InP半導體襯底、高介電常數柵介質和金屬柵源漏電極組成。本發明中的nMOSFET結構，表現出優異的電流特性。同時，在連續直流電壓的掃描激勵下，該器件的飽和電流性能穩定可靠，其電流漂移值幾乎為零。這種nMOSFE結構解決了長久以來InPMOSFET器件上的電流漂移問題。本發明還進一步提供了上述nMOSFET結構的集成制備方法。
文檔編號H01L21/283GK102544103SQ20121000587
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者丁士進, 盧紅亮, 周鵬, 孫清清, 張衛, 王晨 申請人:復旦大學