技术领域
[0001] 本
发明涉及应用于III-V族衬底的复合栅介质结构，尤其是一种应用于III-V族衬底的复合栅介质层及其制作方法。
背景技术
[0002] 随着微
电子技术的不断发展，以InGaAs、InP、InAs、GaAs、GaSb等为代表的III-V族化合物
半导体因其具有优于
硅的电子迁移率或空穴迁移率，被认为是作为后摩尔技术时代替代硅
沟道制作金属－
氧化物－半导体(MOS)
场效应晶体管的重要备选材料。
[0003] III-V族衬底与栅介质界面普遍存在着大量的界面
缺陷密度，通常比SiO2/Si的界面陷阱密度高1-2个数量级，高的界面陷阱密度会大大降低载流子的迁移率，导致导通
电阻增大，功耗增加。目前，业界科研学者通过采用基于
原子层沉积技术的表面Al2O3
钝化，界面硫化以及表面氮化等方法，栅介质/III-V族衬底的界面
质量及整体特性有了一定的提升，不过与SiO2/Si界面质量相比仍有不小的差距。
[0004] 另外，从器件可靠性及器件功耗方面，III-V族衬底与栅介质结构也面临着诸多挑战。目前为止的大部分栅介质结构普遍存在着栅介质漏电大，可靠性差的缺点。如何在III-V族衬底表面制备高可靠性，低缺陷界面态密度以及超低等价氧化物厚度的栅介质结构成为实现III-V族衬底在后摩尔技术时代逻辑器件应用的关键技术。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于针对上述已有技术的不足，提供了一种应用于III-V族衬底的复合栅介质层及其制作方法，以降低界面态密度和边界陷阱密度，增加III-V族MOS沟道迁移率，减小栅漏
电流，并进一步提高介质层的耐压能
力，提高III-V族衬底MOS的质量和增强其可靠性。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种应用于III-V族衬底的复合栅介质层，包括：形成于III-V族衬底之上的AlxY2-xO3界面
钝化层；以及形成于该AlxY2-xO3界面钝化层之上的高介电绝缘层；其中1.2≤x≤1.9。
[0009] 上述方案中，所述III-V族衬底包括GaAs衬底、InP衬底、GaSb衬底、InAs衬底或15 -3 17 -3
InGaAs衬底及其
外延片，其掺杂浓度大于等于1×10 cm 且小于等于5×10 cm 。
[0010] 上述方案中，所述AlxY2-xO3界面钝化层的厚度大于等于0.4nm且小于等于4nm。
[0011] 上述方案中，所述高介电绝缘层包括HfO2、ZrO2、La2O3或Y2O3，以及通过上述四种材料进行混合而得到的三元或多元化合物，该高介电绝缘层厚度大于等于0nm且小于等于4nm。
[0012] 为达到上述目的，本发明还提供了一种应用于III-V族衬底的复合栅介质层的制作方法，包括：
[0013] 步骤1：清洗III-V族衬底，在该III-V族衬底之上生长Al2Om钝化层，其中2.5≤m≤3；
[0014] 步骤2：在该Al2Om钝化层之上生长Y2On强化层，其中2.5≤n≤3；
[0015] 步骤3：对Al2Om钝化层和Y2On强化层进行原位
热处理，实现Al2Om钝化层和Y2On强化层的混合，获得AlxY2-xO3界面钝化层，其中1.2≤x≤1.9；
[0016] 步骤4：在该AlxY2-xO3界面钝化层上生长高介电绝缘层。
[0017] 上述方案中，步骤1中所述在III-V族衬底之上生长Al2Om钝化层，包括：利用原子层淀积的方法，在200℃-400℃条件下在III-V族衬底之上生长厚度为d1纳米的Al2Om钝化层，其中0.2nm≤d1≤3.8nm。
[0018] 上述方案中，该方法通过调节200℃-400℃原子层沉积
温度来调节Al2Om钝化层中氧的含量，其中200℃倾向于形成低氧含量的Al2Om钝化层，m＝2.5；400℃倾向于形成高氧含量的Al2Om钝化层，m＝3；Al2Om钝化层中较低的氧含量，能够提高Al2Om钝化层中Al-O四面体网格结构的柔性，增加Al2Om钝化层中Al-O四面体可旋转的特性，从而实现对于III-V族衬底表面缺陷的钝化；Al2Om钝化层中较高的氧含量，能够降低复合栅介质层的漏电并提升可靠性。
[0019] 上述方案中，步骤2中所述在Al2Om钝化层之上生长Y2On强化层，包括：利用原子层淀积的方法，在200℃-400℃条件下在Al2Om钝化层之上生长厚度为d2纳米的Y2On强化层，其中0.4nm≤d1+d2≤4nm。
[0020] 上述方案中，该方法通过调节200℃-400℃原子层沉积温度来调节Y2On强化层中氧的含量，其中200℃倾向于形成低氧含量的Y2On强化层，n＝2.5；400℃倾向于形成高氧含量的Y2On强化层，n＝3。
[0021] 上述方案中，步骤3中所述对Al2Om钝化层和Y2On强化层进行原位热处理，是将Al2Om钝化层和Y2On强化层在200℃-400℃条件下在原子层淀积设备中进行原位
退火处理。
[0022] 上述方案中，该方法通过调节原位热处理的温度来实现Al2Om钝化层和Y2On强化层按照一定比例的混合，混合比由Al2Om钝化层厚度d1与Y2On强化层厚度d2的比d1:d2决定，其中19:1≤d1:d2≤1:19；该方法通过Al2Om钝化层和Y2On强化层的混合得到AlxY2-xO3界面钝化层，实现AlxY2-xO3界面钝化层的平均配位数2.8到4.2的调控，进而满足各种器件对界面缺陷密度以及可靠性的需求，其中，平均配位数2.8是在d1:d2等于19:1、m＝3及n＝3的条件下获得的；平均配位数4.2是在d1:d2等于1:19、m＝2.5及n＝2.5的条件下获得的。
[0023] 上述方案中，所述AlxY2-xO3界面钝化层中1.2≤x≤1.9是作为界面钝化层的较优结果，该AlxY2-xO3界面钝化层的平均配位数介于3.28至2.86，其中x＝1.2时平均配位数为3.28，x＝1.9时平均配位数为2.86。
[0024] 上述方案中，步骤4中所述在AlxY2-xO3界面钝化层上生长高介电绝缘层，是利用原子层淀积的方法，在200℃-400℃条件下在AlxY2-xO3界面钝化层上淀积厚度大于等于0nm且小于等于4nm的高介电绝缘层。
[0025] (三)有益效果
[0026] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0027] 1、本发明提供的应用于III-V族衬底的复合栅介质层及其制作方法，采用AlxY2-xO3界面钝化层，通过调整Al2Om中的氧浓度并向其中掺入Y2On,
软化了Al2Om网格结构，使Al-O四面体之间具有更多的扭动
自由度，AlxY2-xO3更易与III-V族衬底表面缺陷成键，实现界面缺陷的钝化。
[0028] 2、本发明提供的应用于III-V族衬底的复合栅介质层及其制作方法，采用AlxY2-xO3界面钝化层，通过调整Al2Om中的氧浓度并向其中掺入Y2On,提高了AlxY2-xO3的平3+
均配位数，使其中Al-O四面体尽管可以扭动但是仍然在七配位的Y 离子作用下被吸引在
3+
Y 附近从而变得更加致密，该界
面层具有更低的Gibbs体系自由能，在较大电
应力作用下也不容易发生离子断键，从而减小栅
漏电流，提升了可靠性。
[0029] 3、本发明提供的应用于III-V族衬底的复合栅介质层及其制作方法，采用AlxY2-xO3界面钝化层，与单一Al2O3界面钝化层相比(
介电常数k大约为8)，本发明采用的AlxY2-xO3界面钝化层介电常数更高(介电常数k大约为12)，同时配合具备高介电常数的HfO2,ZrO2,La2O3,Y2O3,以及通过上述四种材料进行混合而得到的三元或多元化和物，有助于实现更小的等价氧化物厚度。
附图说明
[0030] 图1是本发明提供的应用于III-V族衬底的复合栅介质层的结构示意图；
[0031] 图2是本发明提供的制作图1所示的复合栅介质层的工艺
流程图；
[0032] 图3是本发明提供的制作图1所示的复合栅介质层的方法流程图。
具体实施方式
[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体
实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0034] 如图1所示，图1是本发明提供的应用于III-V族衬底的复合栅介质层的结构示意图，该复合栅介质层包括：形成于III-V族衬底1之上的AlxY2-xO3界面钝化层23；以及形成于该AlxY2-xO3界面钝化层23之上的高介电绝缘层24；其中1.2≤x≤1.9，AlxY2-xO3界面钝化层23与HfO2高介电绝缘层24构成复合栅介质层2。
[0035] 图1中，所述III-V族衬底1可以为GaAs衬底、InP衬底、GaSb衬底、InAs衬底或15 -3 17 -3
InGaAs衬底及其外延片，其掺杂浓度大于等于1×10 cm 且小于等于5×10 cm 。AlxY2-xO3界面钝化层23的厚度大于等于0.4nm且小于等于4nm。高介电绝缘层24可以为HfO2、ZrO2、La2O3或Y2O3，以及通过上述四种材料进行混合而得到的三元或多元化合物，该高介电绝缘层24的厚度大于等于0nm且小于等于4nm。
[0036] 图2是本发明提供的制作图1所示的复合栅介质层的工艺流程图，根据图2可知，形成于III-V族衬底1之上的AlxY2-xO3界面钝化层23是通过原位热处理，即原位退火处理，使Al2Om钝化层21和Y2On强化层22互扩散得到的。
[0037] 由AlxY2-xO3界面钝化层23与HfO2高介电绝缘层24组成的栅介质层是一个复合栅介质层，以降低界面态密度和边界陷阱密度，增加MOS沟道迁移率，减小栅漏电流，并进一步提高介质层的耐压能力，提高MOS的质量和可靠性。
[0038] 图3是本发明提供的制作图1所示的复合栅介质层的方法流程图，该方法包括以下步骤：
[0039] 步骤1：清洗III-V族衬底，在该III-V族衬底之上生长Al2Om钝化层，其中2.5≤m≤3；
[0040] 在本步骤中，在III-V族衬底之上生长Al2Om钝化层，包括：利用原子层淀积的方法，在200℃-400℃条件下在III-V族衬底之上生长厚度为d1纳米的Al2Om钝化层，其中0.2nm≤d1≤3.8nm。该方法通过调节200℃-400℃原子层沉积温度来调节Al2Om钝化层中氧的含量，其中200℃倾向于形成低氧含量的Al2Om钝化层，m＝2.5；400℃倾向于形成高氧含量的Al2Om钝化层，m＝3；Al2Om钝化层中较低的氧含量，能够提高Al2Om钝化层中Al-O四面体网格结构的柔性，增加Al2Om钝化层中Al-O四面体可旋转的特性，从而实现对于III-V族衬底表面缺陷的钝化；Al2Om钝化层中较高的氧含量，能够降低复合栅介质层的漏电并提升可靠性。
[0041] 步骤2：在该Al2Om钝化层之上生长Y2On强化层，其中2.5≤n≤3；
[0042] 在本步骤中，在Al2Om钝化层之上生长Y2On强化层，包括：利用原子层淀积的方法，在200℃-400℃条件下在Al2Om钝化层之上生长厚度为d2纳米的Y2On强化层，其中0.4nm≤d1+d2≤4nm。该方法通过调节200℃-400℃原子层沉积温度来调节Y2On强化层中氧的含量，其中200℃倾向于形成低氧含量的Y2On强化层，n＝2.5；400℃倾向于形成高氧含量的Y2On强化层，n＝3。
[0043] 步骤3：对Al2Om钝化层和Y2On强化层进行原位热处理，实现Al2Om钝化层和Y2On强化层的混合，获得AlxY2-xO3界面钝化层，其中1.2≤x≤1.9；
[0044] 本步骤中，对Al2Om钝化层和Y2On强化层进行原位热处理，是将Al2Om钝化层和Y2On强化层在200℃-400℃条件下在原子层淀积设备中进行原位退火处理。该方法通过调节原位热处理的温度来实现Al2Om钝化层和Y2On强化层按照一定比例的混合，混合比由Al2Om钝化层厚度d1与Y2On强化层厚度d2的比d1:d2决定，其中19:1≤d1:d2≤1:19；该方法通过Al2Om钝化层和Y2On强化层的混合得到AlxY2-xO3界面钝化层，实现AlxY2-xO3界面钝化层的平均配位数2.8到4.2的调控，进而满足各种器件对界面缺陷密度以及可靠性的需求，其中，平均配位数2.8是在d1:d2介于19:1、m＝3及n＝3的条件下获得的；平均配位数4.2是在d1:d2介于1:19、m＝2.5及n＝2.5的条件下获得的。AlxY2-xO3界面钝化层中1.2≤x≤1.9是作为界面钝化层的较优结果，该AlxY2-xO3界面钝化层的平均配位数介于3.28至2.86，其中x＝1.2时平均配位数为3.28，x＝1.9时平均配位数为2.86。
[0045] 步骤4：在该AlxY2-xO3界面钝化层上生长高介电绝缘层。
[0046] 在本步骤中，在AlxY2-xO3界面钝化层上生长高介电绝缘层，是利用原子层淀积的方法，在200℃-400℃条件下在AlxY2-xO3界面钝化层上淀积厚度大于等于0nm且小于等于4nm的高介电绝缘层。
[0047] 实施例1
[0048] 依照本发明实施例1制作应用于III-V族衬底的复合栅介质层的方法，包括以下步骤：
[0049] 步骤101：将厚度为400微米、N型掺杂浓度为5×1015cm-3的InP衬底进行清洗处理,然后利用原子层淀积的方法，在200℃条件下生长厚度为0.5纳米的Al2O2.5层；该步骤101具体包括：
[0050] 步骤101.1：将InP衬底表面朝上完全浸没入无
水乙醇中，超声清洗3分钟，去除表面有部分极化的有机物；
[0051] 步骤101.2：将经过步骤101.1的InP衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0052] 步骤101.3：将经过步骤101.2的InP衬底表面朝上完全浸没入丙
酮中，超声清洗3分钟，去除表面无极化的有机物；
[0053] 步骤101.4：将经过步骤101.3的InP衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0054] 步骤101.5：取浓
盐酸(质量分数37％)和去离子水，以1：9的体积比混合；将经过步骤101.4的InP衬底表面朝上完全浸没入混合后得到的稀盐
酸溶液中保持1分钟；
[0055] 步骤101.6：将经过步骤101.5的InP衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0056] 步骤101.7：将经过步骤101.6的InP衬底表面朝上完全浸没入质量分数为22％硫化
氨(NH4)2S溶液中，保持15分钟；
[0057] 步骤101.8：将经过步骤101.7的InP衬底在去离子水中浸润15秒后取出，迅速用氮气吹干；
[0058] 步骤101.9：将经过步骤101.8的InP衬底放入原子层沉积设备中，利用原子层淀积的方法，以三甲基
铝和水作为反应前驱体(先通入三甲基铝后通入水的顺序)，在200℃条件下生长厚度为0.5纳米的Al2O2.5层。
[0059] 步骤102：利用原子层淀积的方法，以三(丁基环戊二烯)化钇和水作为反应前驱体(先通入三(丁基环戊二烯)化钇后通入水的顺序)在300℃条件下生长厚度为0.3纳米的Y2O3层。
[0060] 步骤103：将所生长的Al2O2.5层和Y2O3层在300℃条件下在原子层淀积设备中进行原位热处理，获得厚度为0.8纳米的Al1.25Y0.75O3界面钝化层；该步骤103具体包括：
[0061] 步骤103.1：在完成步骤102之后，向原子层沉积室内通入纯度99.999％的氮气，保持气压为50帕斯卡，待气体压强稳定以后开始计时。
[0062] 步骤103.2：在温度300℃条件下进行原位退火处理，保温30分钟，使Al和Y原子发生扩散，形成厚度为0.8纳米的平均配位数为3.25的Al1.25Y0.75O3界面钝化层。
[0063] 步骤104：利用原子层淀积的方法，在退火处理后的Al1.25Y0.75O3界面钝化层上以双(乙基环戊二基)二氯化铪和水作为反应前驱体(先通入双(乙基环戊二基)二氯化铪后通入水的顺序)在300℃条件下生长厚度为3纳米的HfO2层。
[0064] 实施例2
[0065] 依照本发明实施例2制作应用于III-V族衬底的复合栅介质层的方法，包括以下步骤：
[0066] 步骤201：将外延层厚度为20纳米、N型掺杂浓度为1×1018cm-3的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底进行清洗处理，硅衬底为本征硅,绝缘层厚度为50纳米；然后利用原子层淀积的方法，在200℃条件下生长厚度为0.3纳米的Al2O2.5层；该步骤201具体包括：
[0067] 步骤201.1：将硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底表面朝上完全浸没入无水乙醇中，超声清洗3分钟，去除表面有部分极化的有机物；
[0068] 步骤201.2：将经过步骤201.1的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0069] 步骤201.3：将经过步骤201.2的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底表面朝上完全浸没入丙酮中，超声清洗3分钟，去除表面无极化的有机物；
[0070] 步骤201.4：将经过步骤201.3的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0071] 步骤201.5：取浓盐酸(质量分数37％)和去离子水，以1：4的体积比混合；将经过步骤201.4的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底表面朝上完全浸没入混合后得到的稀盐酸溶液中保持1分钟；
[0072] 步骤201.6：将经过步骤201.5的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0073] 步骤201.7：将经过步骤201.6的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底表面朝上完全浸没入质量分数为22％硫化氨(NH4)2S溶液中，保持15分钟；
[0074] 步骤201.8：将经过步骤201.7的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底在去离子水中浸润15秒后取出，迅速用氮气吹干；
[0075] 步骤201.9：将经过步骤201.8的硅基绝缘体上In0.53Ga0.47As衬底放入原子层沉积设备中，利用原子层淀积的方法，以三甲基铝和水作为反应前驱体(先通入三甲基铝后通入水的顺序)，在200℃条件下生长厚度为0.3纳米的Al2O2.5层。
[0076] 步骤202：利用原子层淀积的方法，以三(丁基环戊二烯)化钇和水作为反应前驱体(先通入三(丁基环戊二烯)化钇后通入水的顺序)在300℃条件下生长厚度为0.3纳米的Y2O3层。
[0077] 步骤203：将所生长的Al2O2.5层和Y2O3层在300℃条件下在原子层淀积设备中进行原位热处理，获得厚度为0.6纳米的AlYO3界面钝化层；该步骤203具体包括：
[0078] 步骤203.1：在完成步骤202之后，向原子层沉积室内通入纯度99.999％的氮气，保持气压为50帕斯卡，待气体压强稳定以后开始计时。
[0079] 步骤203.2：在温度300℃条件下进行原位退火处理，保温30分钟，使Al和Y原子发生扩散，形成厚度为0.6纳米的平均配位数为3.4的AlYO3界面钝化层。
[0080] 步骤204：利用原子层淀积的方法，在退火处理后的AlYO3界面钝化层上在300℃条件下生长厚度为3纳米的Hf0.9Y0.13O2层；该步骤204具体包括：
[0081] 步骤204.1：利用原子层淀积的方法，步骤203.2后，在300℃条件下以双(乙基环戊二基)二氯化铪和水作为反应前驱体(先通入双(乙基环戊二基)二氯化铪后通入水的顺序)生长厚度为1.35纳米的HfO2层；
[0082] 步骤204.2：利用原子层淀积的方法，步骤204.1后，在300℃条件下以三(丁基环戊二烯)化钇和水作为反应前驱体(先通入三(丁基环戊二烯)化钇后通入水的顺序)在300℃条件下生长厚度为0.3纳米的Y2O3层；
[0083] 步骤204.3：利用原子层淀积的方法，步骤204.2后，在300℃条件下以双(乙基环戊二基)二氯化铪和水作为反应前驱体(先通入双(乙基环戊二基)二氯化铪后通入水的顺序)生长厚度为1.35纳米的HfO2层；
[0084] 步骤204.4：在完成步骤204.3之后，向原子层沉积室内通入纯度99.999％的氮气，保持气压为50帕斯卡，待气体压强稳定以后开始计时。
[0085] 步骤204.5：在温度300℃条件下进行原位退火处理，保温30分钟，使Hf和Y原子发生扩散，形成厚度为3纳米的Hf0.9Y0.13O2高介电绝缘层。
[0086] 实施例3
[0087] 依照本发明实施例3制作应用于III-V族衬底的复合栅介质层的方法，包括以下步骤：
[0088] 步骤301：将厚度为400微米、N型掺杂浓度为1×1017cm-3的GaAs衬底进行清洗处理,然后利用原子层淀积的方法，在250℃条件下生长厚度为2纳米的Al2O2.7层；该步骤301具体包括：
[0089] 步骤301.1：将GaAs衬底表面朝上完全浸没入无水乙醇中，超声清洗3分钟，去除表面有部分极化的有机物；
[0090] 步骤301.2：将经过步骤301.1的GaAs衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0091] 步骤301.3：将经过步骤301.2的GaAs衬底表面朝上完全浸没入丙酮中，超声清洗3分钟，去除表面无极化的有机物；
[0092] 步骤301.4：将经过步骤301.3的GaAs衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0093] 步骤301.5：取浓盐酸(质量分数37％)和去离子水，以1：4的体积比混合；将经过步骤101.4的InP衬底表面朝上完全浸没入混合后得到的稀盐酸溶液中保持1分钟；
[0094] 步骤301.6：将经过步骤301.5的GaAs衬底在去离子水中浸润15秒后取出；
[0095] 步骤301.7：将经过步骤301.6的GaAs衬底表面朝上完全浸没入质量分数为22％硫化氨(NH4)2S溶液中，保持15分钟；
[0096] 步骤301.8：将经过步骤301.7的GaAs衬底在去离子水中浸润15秒后取出，迅速用氮气吹干；
[0097] 步骤301.9：将经过步骤301.8的GaAs衬底放入原子层沉积设备中，利用原子层淀积的方法，以三甲基铝和水作为反应前驱体(先通入三甲基铝后通入水的顺序)，在250℃条件下生长厚度为2纳米的Al2O2.7层。
[0098] 步骤302：利用原子层淀积的方法，以三(丁基环戊二烯)化钇和水作为反应前驱体(先通入三(丁基环戊二烯)化钇后通入水的顺序)在300℃条件下生长厚度为0.3纳米的Y2O3层。
[0099] 步骤303：将所生长的Al2O2.7层和Y2O3层在300℃条件下在原子层淀积设备中进行原位热处理，获得厚度为2.3纳米的Al1.74Y0.26O3界面钝化层；
[0100] 步骤303.1：在完成步骤302之后，向原子层沉积室内通入纯度99.999％的氮气，保持气压为50帕斯卡，待气体压强稳定以后开始计时。
[0101] 步骤303.2：在温度300℃条件下进行原位退火处理，保温30分钟，使Al和Y原子发生扩散，形成厚度为2.3纳米的平均配位数为2.96的Al1.74Y0.26O3界面钝化层。
[0102] 步骤304，利用原子层淀积的方法，在退火处理后的Al1.74Y0.26O3界面钝化层上以双(乙基环戊二基)二氯化铪和水作为反应前驱体(先通入双(乙基环戊二基)二氯化铪后通入水的顺序)在300℃条件下生长厚度为2纳米的HfO2层。
[0103] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
