應(yīng)用于iii-v族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于πι-v族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是一種應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以InGaAs、InP、InAs, GaAs, GaSb等為代表的II1-V族化合物半導(dǎo)體因其具有優(yōu)于硅的電子迀移率或空穴迀移率，被認(rèn)為是作為后摩爾技術(shù)時代替代硅溝道制作金屬一氧化物一半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)晶體管的重要備選材料。
[0003]II1-V族襯底與柵介質(zhì)界面普遍存在著大量的界面缺陷密度，通常比Si02/Si的界面陷阱密度高1-2個數(shù)量級，高的界面陷阱密度會大大降低載流子的迀移率，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增大，功耗增加。目前，業(yè)界科研學(xué)者通過采用基于原子層沉積技術(shù)的表面Al2O3鈍化，界面硫化以及表面氮化等方法，柵介質(zhì)/II1-V族襯底的界面質(zhì)量及整體特性有了一定的提升，不過與Si02/Si界面質(zhì)量相比仍有不小的差距。
[0004]另外，從器件可靠性及器件功耗方面，II1-V族襯底與柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。目前為止的大部分柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)普遍存在著柵介質(zhì)漏電大，可靠性差的缺點。如何在II1-V族襯底表面制備高可靠性，低缺陷界面態(tài)密度以及超低等價氧化物厚度的柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)成為實現(xiàn)II1-V族襯底在后摩爾技術(shù)時代邏輯器件應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提供了一種應(yīng)用于πι-v族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層及其制作方法，以降低界面態(tài)密度和邊界陷阱密度，增加II1-V族MOS溝道迀移率，減小柵漏電流，并進(jìn)一步提高介質(zhì)層的耐壓能力，提高II1-V族襯底MOS的質(zhì)量和增強其可靠性。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層，包括:形成于II1-V族襯底之上的AlxY2 x03界面鈍化層；以及形成于該Al J2 x03界面鈍化層之上的高介電絕緣層；其中1.2彡X彡1.9。
[0009]上述方案中，所述II1-V族襯底包括GaAs襯底、InP襯底、GaSb襯底、InAs襯底或InGaAs襯底及其外延片，其摻雜濃度大于等于I X 115Cm 3且小于等于5 X 10 17cm 3。
[0010]上述方案中，所述AlxY2 x03界面鈍化層的厚度大于等于0.4nm且小于等于4nm。
[0011]上述方案中，所述高介電絕緣層包括Hf02、ZrO2, La2O3SY2O3,以及通過上述四種材料進(jìn)行混合而得到的三元或多元化合物，該高介電絕緣層厚度大于等于Onm且小于等于4nm0
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層的制作方法，包括:
[0013]步驟1:清洗II1-V族襯底，在該II1-V族襯底之上生長Al2Oni鈍化層，其中2.5 m 3 ；
[0014]步驟2:在該Al2Oni鈍化層之上生長Y 20n強化層，其中2.5彡η彡3 ;
[0015]步驟3:對Al2Oni鈍化層和Y 20η強化層進(jìn)行原位熱處理，實現(xiàn)Al 20?鈍化層和Y 20η強化層的混合，獲得AlxY2 χ03界面鈍化層，其中1.2彡X彡1.9 ;
[0016]步驟4:在該AlxY2 χ03界面鈍化層上生長高介電絕緣層。
[0017]上述方案中，步驟I中所述在II1-V族襯底之上生長Al2Oni鈍化層，包括:利用原子層淀積的方法，在200°C -400°C條件下在II1-V族襯底之上生長厚度為(I1納米的Al 20?鈍化層，其中 0.2nm ^ Cl1^ 3.8nm。
[0018]上述方案中，該方法通過調(diào)節(jié)200 °C -400 °C原子層沉積溫度來調(diào)節(jié)Al2Ojife化層中氧的含量，其中200°C傾向于形成低氧含量的Al2Ojife化層，m = 2.5 ;400°C傾向于形成高氧含量的Al2On^化層，m = 3 ;A120?鈍化層中較低的氧含量，能夠提高Al 20?鈍化層中Al-O四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的柔性，增加Al2Ojife化層中Al-ο四面體可旋轉(zhuǎn)的特性，從而實現(xiàn)對于II1-V族襯底表面缺陷的鈍化Ml2Oni鈍化層中較高的氧含量，能夠降低復(fù)合柵介質(zhì)層的漏電并提升可靠性。
[0019]上述方案中，步驟2中所述在Α1203?化層之上生長Y2On強化層，包括:利用原子層淀積的方法，在200°C _400°C條件下在Al2Ojife化層之上生長厚度為d 2納米的Y 20n強化層，其中 0.4nm < 山+(12< 4nm。
[0020]上述方案中，該方法通過調(diào)節(jié)200 °C -400 °C原子層沉積溫度來調(diào)節(jié)Y2Or^S化層中氧的含量，其中200°C傾向于形成低氧含量的Y2On強化層，η = 2.5 ;400°C傾向于形成高氧含量的YA?化層，η = 3。
[0021]上述方案中，步驟3中所述對Α1203?化層和Y2On強化層進(jìn)行原位熱處理，是將Al2Ol^i化層和Y2On強化層在200°C -400°C條件下在原子層淀積設(shè)備中進(jìn)行原位退火處理。
[0022]上述方案中，該方法通過調(diào)節(jié)原位熱處理的溫度來實現(xiàn)Α1203?化層和Y2On強化層按照一定比例的混合，混合比由Al2Om鈍化層厚度七與Y A1強化層厚度d2的比(I1 = Cl2決定，其中19:1彡Cl1: d2< 1:19 ;該方法通過Al 20?鈍化層和Y 20n強化層的混合得到Al J2 x03界面鈍化層，實現(xiàn)AlxY2 x03界面鈍化層的平均配位數(shù)2.8到4.2的調(diào)控，進(jìn)而滿足各種器件對界面缺陷密度以及可靠性的需求，其中，平均配位數(shù)2.8是在Cl1: d2等于19:1、m = 3及η =3的條件下獲得的；平均配位數(shù)4.2是在d1:d2等于1:19、m = 2.5及η = 2.5的條件下獲得的。
[0023]上述方案中，所述AlxY2 χ03界面鈍化層中1.2彡X彡1.9是作為界面鈍化層的較優(yōu)結(jié)果，該AlxY2 χ03界面鈍化層的平均配位數(shù)介于3.28至2.86，其中X = 1.2時平均配位數(shù)為3.28，X = 1.9時平均配位數(shù)為2.86。
[0024]上述方案中，步驟4中所述在AlxY2 χ03界面鈍化層上生長高介電絕緣層，是利用原子層淀積的方法，在200°C -400°C條件下在AlxY2 x03界面鈍化層上淀積厚度大于等于Onm且小于等于4nm的高介電絕緣層。
[0025](三)有益效果
[0026]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明提供的應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層及其制作方法，采用AlxY2 x03界面鈍化層，通過調(diào)整Al2Oni中的氧濃度并向其中摻入Y2On,軟化了 Al2Oni網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使Al-O四面體之間具有更多的扭動自由度，AlxY2 x03更易與II1-V族襯底表面缺陷成鍵，實現(xiàn)界面缺陷的鈍化。
[0028]2、本發(fā)明提供的應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層及其制作方法，采用AlxY2xO3界面鈍化層，通過調(diào)整Al2Oni中的氧濃度并向其中摻入Y2On,提高了 AlxY2xO3的平均配位數(shù)，使其中Al-O四面體盡管可以扭動但是仍然在七配位的Y3+離子作用下被吸引在Y3+附近從而變得更加致密，該界面層具有更低的Gibbs體系自由能，在較大電應(yīng)力作用下也不容易發(fā)生離子斷鍵，從而減小柵漏電流，提升了可靠性。
[0029]3、本發(fā)明提供的應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層及其制作方法，采用AlxY2 x03界面鈍化層，與單一 Al 203界面鈍化層相比(介電常數(shù)k大約為8)，本發(fā)明采用的AlxY2 x03界面鈍化層介電常數(shù)更高(介電常數(shù)k大約為12)，同時配合具備高介電常數(shù)的HfO2, ZrO2, La2O3, Y2O3,以及通過上述四種材料進(jìn)行混合而得到的三元或多元化和物，有助于實現(xiàn)更小的等價氧化物厚度。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明提供的應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明提供的制作圖1所示的復(fù)合柵介質(zhì)層的工藝流程圖；
[0032]圖3是本發(fā)明提供的制作圖1所示的復(fù)合柵介質(zhì)層的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的應(yīng)用于II1-V族襯底的復(fù)合柵介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖，該復(fù)合柵介質(zhì)層包括:形成于II1-V族襯底I之上的AlxY2 x03界面鈍化層23 ;以及形成于該AlxY2 x03界面鈍化層23之上的高介電絕緣層24 ;其中1.2彡X彡1.9，Al J2 x03界面鈍化層23與HfO2高介電絕緣層24構(gòu)成復(fù)合柵介質(zhì)層2。
[0035]圖1中，所述II1-V族襯底I可以為GaAs襯底、InP襯底、GaSb襯底、InAs襯底或InGaAs襯底及其外延片，其摻雜濃度大于等于I X 115Cm 3且小于等于5 X 10 17cm 3。AlxY2 x03界面鈍化層23的厚度大于等于0.4nm且小于等于4nm。高介電絕緣層24可以為Hf02、Zr02、La2O3或Y 203，以及通過上述四種材料進(jìn)行混合而得到的三元或多元化合物，該高介電絕緣層24的厚度大于等于Onm且小于等于4nm。
[0036]圖2是本發(fā)明提供的制作圖1所示的復(fù)合柵介質(zhì)層的工藝流程圖，根據(jù)圖2可知，形成于II1-V族襯底I之上的AlxY2 x03界面鈍化層23是通過原位熱處理，即原位退火處理，使Al2Ojife化層21和Y 20n強化層22互擴散得到的。
[0037]由AlxY2 x03界面鈍化層23與HfO2高介電絕緣層24組成的柵介質(zhì)層是一個復(fù)合柵介質(zhì)層，以降低界面態(tài)密度和邊界陷阱密度，增加MOS溝道迀移率，減小柵漏電流，并進(jìn)一步提尚介質(zhì)層的耐壓能力，提尚MOS的質(zhì)量和可靠性。
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