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申请/专利权人：南方科技大学

摘要：本发明涉及半导体材料技术领域，具体提供一种NiGe单晶薄膜及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：提供洁净的Ge001基底；将Ge001基底置于真空中加热处理，获得预用基底；在真空下对预用基底进行Ni的反应蒸镀处理，使Ge001表面形成一层层NiGe单晶膜；在室温下，在NiGe单晶膜表面蒸镀一层Ni膜；在惰性气氛下对Ge001基底进行退火处理，使Ni膜扩散过NiGe单晶膜，并以NiGe单晶膜为单晶种子层，和Ge001基底发生固相反应，获得厚度不受限制的NiGe单晶薄膜。本方法可获得肖特基势垒低、接触电阻小且热稳定性良好的NiGe单晶薄膜，适用于MOSFET领域。

主权项：1.一种厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：步骤S01.提供洁净的Ge001基底；步骤S02.将所述Ge001基底置于真空环境中加热处理，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，在所述预用基底表面进行Ni的反应蒸镀处理，使Ge001表面形成一层NiGe单晶膜；步骤S04.在室温下，在所述NiGe单晶膜表面进行Ni膜的蒸镀处理；步骤S05.在惰性气氛下，对覆有所述NiGe单晶膜、Ni膜的Ge001基底进行退火处理，使所述Ni膜自所述NiGe单晶膜表面扩散至所述Ge001基底，并以所述NiGe单晶膜为单晶种子层和所述Ge001基底发生固相反应，获得厚度不受限制的NiGe单晶薄膜。

全文数据：厚度不受限制的NiGe单晶薄膜及其制备方法和应用技术领域本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种厚度不受限制的NiGe单晶薄膜及其制备方法和应用。背景技术在众多备选沟道材料中，锗的空穴迁移率高达1900cm2Vs，是目前占据市场主导地位的硅沟道材料的5倍左右。同时，锗的电子迁移率也高达3900cm2Vs，是硅的2倍左右。由此，锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管GeMOSFET引起了国内外研究者的广泛关注，并被认为是下一代超高速低能耗大规模集成电路的重要候选者。目前，开发GeMOSFET还面临诸多问题，如沟道短沟道效应问题、门电路极薄栅极问题，源漏的制备与使用性能等问题。其中，GeMOSFET器件中源漏的相关问题主要包括金属-源漏结部件的电学稳定性、金属薄膜的热稳定性、较浅金属-源漏结的制备及金属-锗界面处的费米能级钉扎FermiLevelPinning,FLP问题。首先，关于金属-源漏部件的电学稳定性问题。当今的MOSFET特征尺寸已小于22nm，该特征尺寸接近于甚至小于一般金属薄膜的晶粒大小。在这种背景下，如果金属薄膜为多晶，每一个金属-源漏部件对应多晶中的一个晶粒，而这些晶粒具有不同的结晶取向，由此各个金属-源漏部件之间会存在差异性，即各个金属-源漏部件表现出不同的电学性能，进而会使整个器件不能稳定工作。因此，特征尺寸为亚22nm的MOSFET要求金属-源漏部件中金属薄膜为单晶形态，多晶不再可行。其次，在生产制备金属-源漏部件时，不仅需要考虑金属-源漏部件的电学性能，同时还需要考虑该部件与门电路制备工艺的兼容性问题。当采用post-gate工艺来制备MOSFET器件时，金属-源漏部件先于门电路的制备，也就意味着，先前制备的金属-源漏部件需要耐住后期制备门电路的高温。这要求金属薄膜需具备一定的热稳定性，稳定温度范围为350～550℃。Nakatsuka等人研究发现，相比于多晶金属薄膜，单晶薄膜具有更优异的热稳定性能。再次，关于较浅金属-源漏部件的相关问题。随着MOSFET器件不断地小型化，制备较浅的金属-源漏部件变得越来越重要。在这种情况下，多晶金属薄膜将会被单晶取代，因为单晶金属薄膜与源漏的界面非常平滑或锐利，有利于制备较浅的源漏，而多晶薄膜与半导体的界面存在起伏，不利于较浅源漏的制备。然而，目前制备单晶薄膜的难度较大，是否可以形成单晶在很大一定程度依赖于薄膜和基底的晶格匹配程度，如果薄膜厚度较厚时，由晶格错配造成的缺陷会形成晶核，最终导致绝大多数薄膜都形成多晶薄膜。发明内容本发明提出一种厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法。该方法制备的单晶薄膜旨在解决单晶薄膜难以制备的问题，通过本制备方法可以缓解NiGe-Ge界面处的FLP效应，降低NiGe-Ge结的接触电阻，同时提高NiGe薄膜的热稳定性。本发明是这样实现的：一种NiGe单晶薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：步骤S01.提供洁净的Ge001基底；步骤S02.将所述Ge001基底置于真空环境中加热处理，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，在所述预用基底表面进行Ni的反应蒸镀处理，使Ge001表面形成一层NiGe单晶膜；步骤S04.在室温下，在所述NiGe单晶膜表面Ni膜的蒸镀处理；步骤S05.在惰性气氛下，对覆有所述NiGe单晶膜、Ni膜的Ge001基底进行退火处理，使所述Ni膜自所述NiGe单晶膜表面扩散至所述Ge001基底，并以所述NiGe单晶膜为单晶种子层和所述Ge001基底发生固相反应，获得厚度不受限制的NiGe单晶薄膜。对应地，一种NiGe单晶薄膜，所述NiGe单晶薄膜的结晶取向为NiGe111Ge001、所述NiGe单晶薄膜的热稳定温度在200～800℃之间；所述NiGe单晶薄膜采用如上所述的制备方法制备得到。相应地，一种锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管，所述锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管包括NiGe单晶薄膜，所述NiGe单晶薄膜为上述所述的NiGe单晶薄膜，或者所述NiGe单晶薄膜由如上所述的NiGe单晶薄膜的制备方法制备得到。本发明NiGe单晶薄膜的制备方法的有益效果如下：相对于现有技术，本发明提供的NiGe单晶薄膜的制备方法，先通过反应蒸镀生成一层NiGe单晶膜，形成的NiGe单晶膜作为单晶种子层，再在常温下在所述第NiGe单晶膜表面蒸镀一层Ni膜，最后退火处理使得Ni膜自所述NiGe单晶膜表面扩散至Ge001表面并以所述NiGe单晶膜为单晶种子层和Ge001发生固相反应，由此获得的NiGe单晶薄膜和Ge001基底的晶格错配较小，故而NiGen-Ge001具有肖特基势垒低、接触电阻小且热稳定性良好的特点，并且此方法获得的NiGe单晶薄膜不受厚度的影响，同时使得源漏部件的制备工艺能够兼容于门电路的工艺流程。此外，本发明提供的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，工艺简单易控，成本低，容易实现产业化生产。本发明提供的NiGe单晶薄膜，结晶取向性好，薄膜热稳定性在200～800℃区间，并且肖特基势垒达到0.3～0.6eV，特别适合用作GeMOSFET中金属半导体接触部件。附图说明为了更清楚地说明本发明施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明提供的NiGe单晶薄膜的制备方法工艺流程示意图；图2为本发明实施例1提供的Ge001基底在清除表面氧化物和有机物前后的反射式高能电子衍射图RHEED以及反应蒸镀生成的NiGe单晶薄膜的RHEED图；图3为本发明实施例1提供的NiGe单晶薄膜XRD衍射图谱。具体实施方式为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1所示的制备工艺流程图，本发明实施例提供一种NiGe单晶薄膜的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：步骤S01.提供洁净的Ge001基底，如图11所示；步骤S02.将所述Ge001基底置于真空环境中加热处理，随后冷却至室温，获得预用基底，具体如图12所示；步骤S03.在真空环境下，在所述预用基底表面进行Ni的反应蒸镀处理，使Ge001表面形成一层NiGe单晶膜，具体如图13～4所示；步骤S04.在室温下，在所述NiGe单晶膜表面蒸镀一层Ni膜，具体如图14～5所示；步骤S05.在惰性气氛下，对镀覆有所述NiGe单晶膜、Ni膜的Ge001基底进行退火处理，使所述Ni膜自所述NiGe单晶膜表面扩散至所述Ge001基底，并以所述NiGe单晶膜为单晶种子层和所述Ge001基底发生固相反应，获得厚度不受限制的NiGe单晶薄膜，具体如图16所示。下面对本发明NiGe单晶薄膜的制备方法的技术方案做详细的解释说明。在本发明步骤S01中，洁净的Ge001基底指的是Ge001基底表面不残留有机物或者氧化物，以确保进行Ni的反应蒸镀时，保持良好的表面环境，避免因为存在表面氧化物或者有机物而影响单晶薄膜生成的完整性。洁净的Ge001基底可以通过如下的方法获得，俗称预处理：1将Ge001基底浸没在稀HF溶液中5s～5min；2将1中的Ge001基底浸没在去离子水中1～10min；3循环往复1和2步骤2～10次，清洗后得到如图12所示的Ge001基底。上述步骤S02中，真空环境加热处理，并且恒温一段时间，其主要目的是为了确保洁净的Ge001基底表面被进一步的热清洗，避免残留的有机物或者水分影响后续蒸镀效果。在对Ge001基底进行加热处理，需要真空条件，主要是为了避免其他气体存在时可能导致Ge001基底发生氧化或者其他副反应。优选地，步骤S02的真空环境，其真空度应当达到1e-5Pa及以上，以尽可能降低Ge001基底加热过程中氧化物出现的可能性。本发明涉及的Ge001基底，可以含有适量的掺杂物，如掺杂有砷As。当然，并不局限于掺杂As，也可以是其他元素，只要掺杂后Ge001基底的体电阻达到0.1～10Ωcm，均可以作为本发明的掺杂元素。步骤S03中，反应蒸镀为高温蒸镀，优选反应蒸镀的温度为200～800℃。由于蒸镀时Ge001基底保持一定的温度，在将Ni蒸镀至Ge001表面的同时Ni和Ge001基底直接反应生成NiGe单晶膜。进一步优选地，在Ge001基底表面进行Ni蒸镀的速率为速率过快，不易控制NiGe单晶膜的厚度均匀性，不利于单晶薄膜的生成。优选地，所述NiGe单晶膜的厚度为1～10nm，NiGe单晶膜的厚度过大，不利于保证NiGe单晶薄膜的最后质量，会导致NiGe多晶会出现。在Ni的反应蒸镀过程中，可以通过电子束蒸发或磁控溅射获得。步骤S04中，Ni膜的蒸镀过程为常温蒸镀，也就是室温蒸镀即可使得NiGe单晶膜表面覆有一层Ni膜。优选地，所述Ni膜的蒸镀的方法为电子束蒸发或磁控溅射。通过电子束蒸发或者磁控溅射，即可在NiGe单晶膜表面生长成Ni膜。优选地，所述Ni膜的生长速率为生长速率过快，获得的Ni膜在后续退火处理过程中极易得到NiGe多晶薄膜，而如果生长速率过低，不利于生产效率的提高。进一步优选地，所述步骤S04同样需要在真空环境下，其真空环境的真空度达到1e-5Pa及以上。步骤S05中，通过退火处理，使得生成的Ni膜自所述NiGe单晶膜表面扩散至所述Ge001基底表面，并且以所述NiGe单晶膜作为单晶种子层，与Ge001基底发生固相反应，形成NiGe单晶薄膜，通过该方法获得的的NiGe单晶薄膜其厚度不受限制。优选地，惰性气氛为氮气或者氩气，在惰性气氛下可以有效排除其他副反应的发生。优选地，所述退火处理的温度为200～800℃，退火时间为5s～30min。所述退火处理的升温速率为10～30℃s。本发明以反应蒸镀、常温蒸镀及退火处理的制备顺序制备NiGe单晶薄膜，最终获得不受厚度影响的NiGe单晶薄膜。本发明经过上述制备方法，制备得到的NiGe单晶薄膜，结晶取向为NiGe111Ge001、所述NiGe单晶薄膜的热稳定温度在200～800℃之间。采用上述制备方法得到的NiGe单晶薄膜中含有少量的NiGe多晶薄膜，从整体上统计，所述NiGe多晶薄膜在所述NiGe单晶薄膜的总质量不超过20％。由于上述制备方法获得的NiGe单晶薄膜具有结晶取向性好、薄膜热稳定性在200～800℃区间，并且肖特基势垒达到0.3～0.6eV等特点，特别适合用作GeMOSFET中金属半导体接触部件。因此，本发明还进一步提供一种锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管。所述锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管包括NiGe单晶薄膜，所述NiGe单晶薄膜为上述所述的NiGe单晶薄膜，或者所述NiGe单晶薄膜由如上所述的NiGe单晶薄膜的制备方法制备得到，包含该NiGe单晶薄膜的器件，具有较低的寄生电阻等特点。为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施例进行说明。实施例1本实施例1提供一种NiGe单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S11.提供As掺杂的n型Ge001，其体电阻约为8Ωcm，以其作为基底，对所述Ge001基底进行反射式高能电子衍射图RHEED扫描，具体结果如图2a所示。步骤S12.对Ge001进行清洗处理。将Ge001基底浸没在质量浓度为1％的HF溶液中，浸泡时间为1min；取出浸泡于流动的去离子水中，浸泡时间为1min，如此循环往复浸没在HF溶液和去离子水中5次；随后用N2气枪将Ge001基底上的去离子水吹干之后，立即将Ge001基底送入真空度高于1e-5Pa的腔室内，加热到700℃，恒温60min，再降温至室温，然后对其进行RHEED图扫描，具体结果如图2b所示。步骤S13.采用电子束蒸发的方式，在350℃下进行反应蒸镀，使Ni在蒸镀过程中与Ge001发生反应，获得一层NiGe单晶膜，控制反应蒸镀的环境真空度高于1e-5Pa，NiGe单晶膜的生长速率为蒸镀Ni的速率，获得厚度为10nm的一层NiGe单晶膜，随后对其进行RHEED图扫描，具体结果如图2c所示。步骤S15.采用电子束蒸发的方式，常温生长厚度为15nm的Ni膜，真空度约为1e-5Pa，Ni膜的生长速率需要控制在步骤S16：待蒸镀好Ni膜后，立即送入快速退火炉中，使用N2气充满退火炉，排尽退火炉中的氧气，以20℃s的升温速度，升温到300℃，保温1min，随后自然冷却，获得终产物，采用X射线衍射在2θω模式下对获得的终产物进行质量检测，结果如图3所示。对比图2a、2b、2c可知，相对于图2a，图2b明显比较光亮，并且有RHEED的二阶峰出现，说明Ge001基底表面的氧化物和有机物已经完全被清除。2c表面非常平坦，并且可以观察到获得的确实是单晶，表面平整。由图3可知，在2θ的34.6°和73°的位置出现NiGe111和222的峰。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：步骤S01.提供洁净的Ge001基底；步骤S02.将所述Ge001基底置于真空环境中加热处理，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，在所述预用基底表面进行Ni的反应蒸镀处理，使Ge001表面形成一层NiGe单晶膜；步骤S04.在室温下，在所述NiGe单晶膜表面进行Ni膜的蒸镀处理；步骤S05.在惰性气氛下，对覆有所述NiGe单晶膜、Ni膜的Ge001基底进行退火处理，使所述Ni膜自所述NiGe单晶膜表面扩散至所述Ge001基底，并以所述NiGe单晶膜为单晶种子层和所述Ge001基底发生固相反应，获得厚度不受限制的NiGe单晶薄膜。2.如权利要求1所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述反应蒸镀的温度为200～800℃。3.如权利要求1所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S03获得的所述NiGe单晶膜的厚度为1～10nm。4.如权利要求1所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为200～800℃，退火时间为5s～30min。5.如权利要求4所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火处理的升温速率为10～30℃s。6.如权利要求1所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述反应蒸镀的方法为电子束蒸发或磁控溅射；和或所述Ni膜蒸镀的方法为电子束蒸发或者磁控溅射。7.如权利要求1所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述NiGe单晶膜生长的Ni蒸镀速率为和或所述Ni膜的生长速率为和或，所述步骤S02～S04的真空环境的真空度达到1e-5Pa及以上。8.一种NiGe单晶薄膜，其特征在于，所述NiGe单晶薄膜的结晶取向为NiGe111Ge001、所述NiGe单晶薄膜的热稳定温度在200～800℃之间；所述NiGe单晶薄膜采用如权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到。9.如权利要求8所述的NiGe单晶薄膜，其特征在于，所述NiGe单晶薄膜中还含有NiGe多晶薄膜，所述NiGe多晶薄膜在所述NiGe单晶薄膜的总量不超过20％。10.一种锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管，其特征在于，所述锗基金属-氧化物-半导体场效应晶体管包括NiGe单晶薄膜，所述NiGe单晶薄膜为权利要求8～9任一项所述的NiGe单晶薄膜，或者所述NiGe单晶薄膜由如权利要求1～7任一项所述的厚度不受限制的NiGe单晶薄膜的制备方法制备得到。

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