襯底表面鈍化方法和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種襯底表面鈍化方法，包括以下步驟：提供襯底，襯底頂部表面為III-V族銻化物半導(dǎo)體材料；將襯底的頂部表面浸入中性或酸性的含硫離子溶液中。該襯底表面鈍化方法具有簡單易行、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法。
【專利說明】襯底表面鈍化方法和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種襯底表面鈍化方法和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料自身的氧化層不穩(wěn)定，不能直接采用自身的自然氧化層作為柵介質(zhì)，而需要淀積其他介質(zhì)層，如二氧化鉿、三氧化二鋁等。但是，直接淀積的介質(zhì)層與襯底之間的界面特性很差，存在很大的界面態(tài)，影響后續(xù)制備的半導(dǎo)體器件的性能，如較大的柵漏電、較低的器件載流子遷移率等。因此，在淀積介質(zhì)層之前，需要采用表面鈍化工藝，對襯底表面進(jìn)行鈍化，改善其表面特性。傳統(tǒng)上，通常采用堿性的硫化銨溶液對襯底表面進(jìn)行硫鈍化。但是，這種方法不能有效阻止襯底表面氧化，鈍化后的襯底表面仍然存在一定的表面氧化層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的技術(shù)選擇。
[0004]為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種鈍化效果好的襯底表面鈍化方法。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種界面鈍化效果好的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的襯底表面鈍化方法，可以包括以下步驟:A.提供襯底，所述襯底頂部表面為II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料；B.將所述襯底的頂部表面浸入中性或酸性的含硫離子溶液中。
[0007]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底表面鈍化方法，可以有效去除襯底表面原有的氧化層并且進(jìn)行鈍化保護(hù)，當(dāng)襯底上進(jìn)一步淀積介質(zhì)層后，有利于改善襯底與介質(zhì)層之間的界面特性，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件性能。本發(fā)明的方法具有工藝簡單、簡便易行的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]另外，本發(fā)明實(shí)施例的襯底表面鈍化方法還可以具有如下附加技術(shù)特征:
[0009]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟A和步驟B之間還包括:對所述襯底的頂部表面進(jìn)行清洗。
[0010]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步包括:在所述步驟B之后，用去離子水對所述襯底的頂部表面進(jìn)行清洗。
[0011]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述中性或酸性的含硫離子溶液的pH為4-7。
[0012]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述中性或酸性的含硫離子溶液是通過硫化銨溶液、硫化氫溶液、硫化鈉溶液中的一種或多種的組合與硫化氫溶液、稀鹽酸、稀硫酸或稀氫氟酸中的一種或多種的組合混合配制得到的。
[0013]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述浸入中性或酸性的含硫離子溶液的時(shí)間為l_30min。
[0014]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述中性或酸性的含硫離子溶液的溫度為10_50°C。
[0015]在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料為GaSb、InxGa1^xSb,AlyGarySb材料，其中，O≤x，y≤I。
[0016]根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，可以包括以下步驟:X.提供經(jīng)本發(fā)明公開的任一種襯底表面鈍化方法處理后的襯底；Y.在所述襯底之上形成介質(zhì)層；Ζ.在所述介質(zhì)層之上形成柵金屬層。
[0017]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，襯底表面經(jīng)過了鈍化處理，改善了襯底與介質(zhì)層之間的界面特性，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件性能。本發(fā)明的方法具有工藝簡單、簡便易行的優(yōu)點(diǎn)。
[0018]另外，本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法還可以具有如下附加技術(shù)特征:
[0019]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述介質(zhì)層為氧化鈹、二氧化鉿、二氧化鈦、二氧化硅、
二氧化二招或二氧化二倆。
[0020]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的流程圖；
[0023]圖2為MOS電容的截面結(jié)構(gòu)的高分辨率透射電子顯微圖像；
[0024]圖3為GaSb表 面的XPS Ga3d能譜圖；
[0025]圖4為GaSb表面的XPS Sb3d能譜圖；
[0026]圖5為MOS電容的Cg-Vg特性曲線圖；和
[0027]圖6為MOS結(jié)構(gòu)的Jg-Vg特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0029]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0030]根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的襯底表面鈍化方法，如圖1所示，包括如下步驟:
[0031]A.提供襯底，襯底頂部表面為II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料。
[0032]具體地，II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料可以為GaSb、InxGa1^xSb,AlyGa1^ySb等材料，其中，0 < X，y < I。
[0033]B.將襯底的頂部表面浸入中性或酸性的含硫離子溶液中。
[0034]具體地，可以將襯底的頂部表面(或者是整個(gè)襯底)浸入中性或酸性的含硫離子溶液中。浸泡鈍化處理的一個(gè)目的在于使表面與硫形成化學(xué)鍵以鈍化樣品表面，改善器件界面特性，另一個(gè)目的是使襯底表面不容易被氧化。利用中性或酸性的含硫離子溶液進(jìn)行鈍化的原理如下:以MxNhSb襯底為例。在酸性硫化銨溶液中發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng):MOy+H++S2- — MSy+H20、NOz+H++S2- — NSz+H20、SbOt+H++S2- — SbSt+H20,使表面 M_0、N_0、Sb-O有效減少，其中M、N可以為Ga、In、Al等元素。在普通硫化銨溶液中，由于是堿性環(huán)境，H+非常少，因此這個(gè)反應(yīng)難以進(jìn)行。而在酸性硫化銨溶液中進(jìn)行鈍化，有兩點(diǎn)好處:(I)可以去除襯底頂部表面原有的氧化層；(2)可以在去除氧化層的過程中，同時(shí)進(jìn)行硫鈍化，從而確保樣品表面不會重新形成氧化層。
[0035]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底表面鈍化方法，可以有效去除襯底表面原有的氧化層并且進(jìn)行鈍化保護(hù)，當(dāng)襯底上進(jìn)一步淀積介質(zhì)層后，有利于改善襯底與介質(zhì)層之間的界面特性，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件性能。本發(fā)明的方法具有工藝簡單、簡便易行的優(yōu)點(diǎn)。
[0036]優(yōu)選地，步驟A和步驟B之間還包括:對襯底的頂部表面進(jìn)行清洗。
[0037]具體地，可以依次采用丙酮、乙醇、異丙醇沖洗，然后用鹽酸、氫氟酸沖洗或浸泡，以去除襯底表面的油脂和自然氧化層，最后然后用高純氮?dú)獯蹈?。值得注意的是，雖然在初步清洗的過程中，會用鹽酸等溶液清洗掉表面的自然氧化層，但是初步清洗時(shí)表面的氧化層可能去除不干凈，以及由于清洗后沒有進(jìn)行硫鈍化，表面很容易重新形成氧化層，因此需要執(zhí)行步驟B進(jìn)行硫鈍化處理。
[0038]優(yōu)選地，在步驟B之后，進(jìn)一步包括:用去離子水對襯底的頂部表面進(jìn)行清洗。清洗之后有利于在襯底上進(jìn)行后續(xù)半導(dǎo)體工藝。
[0039]優(yōu)選地，中性或酸性的含硫離子溶液的pH為4-7。實(shí)驗(yàn)表明中性或酸性的中性或酸性的含硫離子溶液設(shè)在此pH范圍內(nèi)時(shí)鈍化效果最好。
[0040]優(yōu)選地，中性或酸性的含硫離子溶液是通過硫化銨溶液、硫化氫溶液、硫化鈉溶液中的一種或多種的組合與硫化氫溶液、稀鹽酸、稀硫酸或稀氫氟酸中的一種或多種的組合混合配制得到的。需要說明的是，合適濃度的單一的硫化氫溶液可也以稀釋至pH=4，直接用作浸泡溶液。
[0041]優(yōu)選地，浸入中性或酸性的硫化銨溶液的時(shí)間為l_30min。實(shí)驗(yàn)表明浸泡時(shí)間長度設(shè)在此時(shí)間范圍內(nèi)時(shí)鈍化效果最好。
[0042]優(yōu)選地，中性或酸性的硫化銨溶液的溫度為10_50°C。實(shí)驗(yàn)表明中性或酸性的中性或酸性的含硫離子溶液設(shè)在此溫度范圍內(nèi)時(shí)鈍化效果最好。
[0043]根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，可以包括以下步驟:
[0044]X.提供經(jīng)由本發(fā)明上述的任一種襯底表面鈍化方法處理后的襯底。
[0045]Y.在襯底之上形成介質(zhì)層。
[0046]具體地，可以通過CVD (化學(xué)氣相沉積)、ALD (原子層淀積)、電子束蒸發(fā)、濺射等工藝在襯底之上形成氧化鈹、二氧化鉿、二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁或三氧化二鑭的等介電常數(shù)較高的材料作為介質(zhì)層。
[0047]Z.在介質(zhì)層之上形成柵金屬層。
[0048]具體地，可用通過電子束蒸發(fā)、濺射等工藝在介質(zhì)層之上形成柵金屬層。
[0049]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，襯底表面經(jīng)過了鈍化處理，改善了襯底與介質(zhì)層之間的界面特性，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件性能。本發(fā)明的方法具有工藝簡單、簡便易行的優(yōu)點(diǎn)。
[0050]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面闡述一個(gè)具體實(shí)施例。
[0051 ] 首先，提供的襯底為摻Te的(100 )面的η型GaSb晶圓，依次用丙酮、乙醇、丙乙醇、稀鹽酸對GaSb襯底沖洗或浸泡后，用鹽酸和硫化銨混合得到的酸性硫化銨溶液對GaSb襯底進(jìn)行沖洗或浸泡15分鐘。然后用去離子水沖洗表面并用氮?dú)獯蹈?。隨后，用四雙(乙基甲基氨)鉿(TEMAH)和水作為前驅(qū)體，通過ALD沉積5nm厚的HfO2層。最后，蒸柵電極Al并圖形化得到MOS電容。對該MOS電容的表征手段主要包括:A.用高分辨率原位X射線光電子能譜(XPS)分析研究疊層結(jié)構(gòu)的成分和化學(xué)狀態(tài)，B.用高分辨率透射電子顯微鏡觀察MOS電容的截面結(jié)構(gòu)和界面層厚度。C.用安捷倫B1500A半導(dǎo)體器件分析儀測量該MOS電容的電容-電壓(Cg-Vg)特性曲線和漏電流密度-電壓(Jg-Vg)特性曲線，分析其電學(xué)特性。
[0052]圖2示出了用高分辨率透射電子顯微鏡觀察MOS電容的截面結(jié)構(gòu)。(a)是用普通的硫化銨溶液(堿性，PH=Il)處理的樣品，(b)是用酸性硫化銨溶液處理的樣品?？梢姡贕aSb襯底與Hf02介質(zhì)之間，圖(a)用明顯的中間層，約1_2納米，圖(b)相應(yīng)位置的中間層減小了很多，約0.7nm。
[0053]圖3示出了 GaSb表面的XPSGa3d能譜圖。(a)是用普通的硫化銨溶液(堿性，PH=Il)處理的樣品，(b)是用酸性硫化銨溶液處理的樣品?？梢?，上述的中間層主要是Ga-0。處理后，Ga-O明顯減少了。
[0054]圖4示出了 GaSb表面的XPS Sb3d能譜圖。(a)是用普通的硫化銨溶液(堿性，PH=Il)處理的樣品，(b)是用酸性硫化銨溶液處理的樣品?？梢?，Sb3d能譜圖變化不大，再次說明上述的中間層主要是Ga-O而不是Sb-Ο。這主要是由于Sb-O的熱穩(wěn)定性差，GaSb表面的氧化物主要以Ga-O的形式存在。
[0055]圖5示出了 MOS電容的Cg-Vg特性曲線，(a)是用普通的硫化銨溶液(堿性，pH=ll)處理的樣品，(b)是用酸性硫化銨溶液處理的樣品。可見，經(jīng)過本發(fā)明的方法處理，CV頻率彌散減小，說明界面態(tài)密度得到了有效的降低。
[0056]圖6示出了 MOS結(jié)構(gòu)的Jg-Vg特性曲線?？梢姡?jīng)過本發(fā)明的方法處理，柵漏電減小。柵漏電減小，是由于界面態(tài)的降低，減小了界面缺陷導(dǎo)致的漏電成分。
[0057]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0058]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種襯底表面鈍化方法，其特征在于，包括以下步驟: A.提供襯底，所述襯底頂部表面為II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料； B.將所述襯底的頂部表面浸入中性或酸性的含硫離子溶液中。
2.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，所述步驟A和步驟B之間還包括:對所述襯底的頂部表面進(jìn)行清洗。
3.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，進(jìn)一步包括:在所述步驟B之后，用去離子水對所述襯底的頂部表面進(jìn)行清洗。
4.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，所述中性或酸性的含硫離子溶液的PH為4-7。
5.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，所述中性或酸性的含硫離子溶液是通過硫化銨溶液、硫化氫溶液、硫化鈉溶液中的一種或多種的組合與硫化氫溶液、稀鹽酸、稀硫酸或稀氫氟酸中的一種或多種的組合混合配制得到的。
6.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，所述浸入中性或酸性的含硫離子溶液的時(shí)間為l_30min。
7.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，所述中性或酸性的含硫離子溶液的溫度為10-50°C。
8.如權(quán)利要求1所述的襯底表面鈍化方法，其特征在于，所述II1-V族銻化物半導(dǎo)體材料為 GaSb、InxGa1^xSb, AlyGa1^ySb 材料，其中，O ≤ x，y ≤ I。
9.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于，包括以下步驟: X.提供經(jīng)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的襯底表面鈍化方法處理后的襯底； Y.在所述襯底之上形成介質(zhì)層； Z.在所述介質(zhì)層之上形成柵金屬層。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于，所述介質(zhì)層為氧化鈹、二氧化鉿、二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁或三氧化二鑭。
【文檔編號】H01L21/28GK103578957SQ201310535651
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】趙連鋒, 譚楨, 王敬, 許軍 申請人:清華大學(xué)