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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与器件技术领域，具体提供一种NiGe单晶薄膜及其制备方法和应用。所述制备方法至少包括以下步骤：提供洁净的Ge110基底；将所述Ge110基底置于真空环境中加热至200～800℃，并恒温10～60min，随后冷却至室温，获得预用基底；在真空环境下，对所述预用基底进行Ni膜的蒸镀处理，使Ge110表面镀覆有Ni膜；在惰性气氛下，对前述得到的镀覆有Ni膜的Ge110基底进行退火处理，使所述Ni膜和所述Ge110基底发生固相反应，获得NiGe单晶薄膜。本发明的方法可以获得肖特基势垒低、接触电阻小且热稳定性良好的NiGe单晶薄膜，特别适用于MOSFET器件领域。

主权项：1.一种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Ge110基底；步骤S02.将所述Ge110基底置于真空环境中加热至200～800℃，并恒温10～60min，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，对所述预用基底进行Ni膜的蒸镀处理，使Ge110表面镀覆有Ni膜；步骤S04.在惰性气氛下，对步骤S03得到的镀覆有Ni膜的Ge110基底进行退火处理，使所述Ni膜和所述Ge110基底发生固相反应，获得NiGe单晶薄膜。

全文数据：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与器件技术领域，尤其涉及一种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。发明内容本发明的目的在于提供一种NiGe单晶薄膜及其制备方法，旨在解决现有多晶薄膜存在的肖特基势垒、接触电阻较高，并且热稳定性不佳而导致GeMOSFET仍无法工业化生产和应用等问题。进一步地，本发明还提供该NiGe单晶薄膜在MOSFET领域中的应用。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Ge110基底；步骤S02.将所述Ge110基底置于真空环境中加热至200～800℃，并恒温10～60min，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，对所述预用基底进行Ni膜的蒸镀处理，使Ge110表面镀覆有Ni膜；步骤S04.在惰性气氛下，对步骤S03得到的镀覆有Ni膜的Ge110基底进行退火处理，使所述Ni膜和所述Ge110基底发生固相反应，获得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NiGe100Ge110、NiGe[001]Ge[001]、NiGe[010]Ge所述NiGe单晶薄膜热稳定温度在300～800℃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，常温下在Ge110基底表面蒸镀Ni膜，通过退火使Ni膜和Ge110基底发生固相反应，获得NiGe单晶薄膜。由此获得的NiGe单晶薄膜和Ge110基底的晶格错配较小，所以NiGen-Ge110接触的肖特基势垒低、接触电阻小且热稳定性良好。此外，本发明提供的NiGe单晶薄膜的制备方法，工艺简单易控，成本低，还能使源漏部件的制备工艺能兼容于门电路的工艺流程，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，特别适合做MOSFET器件中源和漏的接触材料。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意图；图2为本发明实施例1提供的Ge110基底在清除表面氧化物和有机物之前的反射式高能电子衍射图RHEED；图3为本发明实施例1提供的Ge110基底在清除表面氧化物和有机物之后的反射式高能电子衍射图RHEED；图4为本发明图2、图3方框区域内的明暗度统计图；图5本发明实施例1提供的NiGe单晶薄膜XRD衍射图谱；图6为本发明实施例1提供的NiGe单晶薄膜在不同热处理温度下的薄膜电阻；图7为本发明实施例1提供的NiGe单晶薄膜获得的NiGen-typeGe110接触器件在不同温度下的I-V曲线；图8为本发明实施例1提供的NiGe单晶薄膜的Arrhenius图。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。所述制备方法至少包括以下步骤：步骤S01.提供洁净的Ge110基底；步骤S02.将所述Ge110基底置于真空环境中加热至200～800℃，并恒温10～60min，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，对所述预用基底进行Ni膜的蒸镀处理，使Ge110表面镀覆有Ni膜；步骤S04.在惰性气氛下，对步骤S03得到的镀覆有Ni膜的Ge110基底进行退火处理，使所述Ni膜和所述Ge110基底发生固相反应，获得NiGe单晶薄膜。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Ge110基底指的是，Ge110基底表面不残留有机物或者氧化物，以确保进行Ni膜镀覆时，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Ge110基底可以通过如下的方法获得：1将Ge110基底浸没在稀HF溶液中5s～5min；2将1中的Ge110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。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Ge110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Ge110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Ge110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Ge110基底加热过程中氧化物出现的可能性。本发明涉及的Ge110基底，可以含有适量的掺杂物，如掺杂有As。但是不限于As，只要掺杂后Ge110基底的体电阻0.1～10Ωcm均属于本发明可以使用掺杂元素。步骤S03中，Ni膜的蒸镀过程为常温蒸镀，也就是室温蒸镀即可使得Ge110表面镀覆有一层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Ge110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。优选地，生长获得的所述Ni膜的厚度为1～100nm。进一步优选地，所述步骤S03的真空环境的真空度达到1e-5Pa及以上。步骤S04中，通过退火处理，使得生成的Ni膜与Ge110基底发生固相反应，形成NiGe单晶薄膜。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。本发明经过上述制备方法，制备得到的NiGe单晶薄膜，结晶取向为NiGe100Ge110、NiGe[001]Ge[001]、NiGe[010]Ge并且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，并且肖特基势垒在0.3～0.6eV范围内等特点，特别适合做MOSFET器件中源和漏的接触材料。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。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Ge110，其体电阻为0.1-10Ωcm，以其作为基底，对所述Ge110基底进行反射式高能电子衍射图RHEED扫描，具体结果如图2所示。步骤S12.对Ge110进行清洗处理。将Ge110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Ge110基底上的去离子水吹干之后，立即将Ge110基底送入超高真空的腔室，真空度高于1e-5Pa。最后，将Ge110基底加热到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3所示。步骤S13.采用电子束蒸发的方式，常温生长一层厚度为20nm的Ni膜，真空度要约为1e-5Pa，Ni的生长速率需要控制在步骤S14.待蒸镀好Ni薄膜后，立即送入快速退火炉中，使用N2气充满退火炉，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5所示。同时，用四探针法测试在不同热处理温度下的薄膜电阻，结果如图6所示；采用传统方法，将本发明实施例1得到的NiGe单晶薄膜制备成NiGen-typeGe110接触器件，并测试100～300K温度范围的I-V特性曲线，结果如图6所示。对比图2和图3可知，相对于图2，图3明显比较光亮，而图2比较暗。图4是是1和2方框区域明暗度的统计，从图4可知，清除氧化物和有机物后的RHEED峰的强度完全强于前者。由图5可知，在2θ的33.2°和69.8°的位置会出现NiGe200和400的峰。由图6可知，从薄膜的电阻演变来看，在NiGe薄膜在350℃完全形成的，一直稳定到550℃，高于550℃后，薄膜电阻升高，意味着薄膜出现团聚，不稳定性恶化。由图7可知，本发明获得的NiGe单晶薄膜制成的NiGen-typeGe110接触器件，其特征I-V曲线为整流特性。由图8所示的Arrhenius图可计算出肖特基势磊为0.42eV。实施例2本实施例2提供一种NiGe单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S21.提供n型Ge110，其体电阻为1-10Ωcm，以其作为基底。步骤S22.对Ge110进行清洗处理。将Ge110基底浸没在质量浓度为3％的HF溶液中，浸泡时间为0.5min；取出浸泡于流动的去离子水中，浸泡时间为5min，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Ge110基底上的去离子水吹干之后，立即将Ge110基底送入超高真空的腔室，真空度约为1e-5Pa。最后，将Ge110基底加热到600℃，恒温60min，再降温至室温。步骤S23.采用电子束蒸发的方式，常温生长一层厚度为40nm的Ni膜，真空度要约为1e-5Pa，Ni的生长速率为步骤S24.待蒸镀好Ni薄膜后，立即送入快速退火炉中，使用N2气充满退火炉，以20℃s的升温速度，升温到500℃，保温1min，随后自然冷却，获得NiGe单晶薄膜，由于本发明制备方法获得的NiGe单晶薄膜性能比较稳定，因此不再对该实施例获得的NiGe单晶薄膜进行XDR等的测试。实施例3本实施例3提供一种NiGe单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S31.提供As掺杂的n型Ge110，其体电阻为2-10Ωcm，以其作为基底。步骤S32.对Ge110进行清洗处理。将Ge110基底浸没在质量浓度为2％的HF溶液中，浸泡时间为2min；取出浸泡于流动的去离子水中，浸泡时间为3min，如此循环往复浸没在HF溶液和去离子水中6次；随后用N2气枪将Ge110基底上的去离子水吹干之后，立即将Ge110基底送入超高真空的腔室，真空度约为1e-5Pa。最后，将Ge110基底加热到800℃，恒温20min，再降温至室温。步骤S33.采用电子束蒸发的方式，常温生长一层厚度为10nm的Ni膜，真空度要约为1e-5Pa，Ni的生长速率为步骤S34.待蒸镀好Ni薄膜后，立即送入快速退火炉中，使用N2气充满退火炉，以15℃s的升温速度，升温至400℃，保温2min，随后自然冷却，即可获得NiGe单晶薄膜，由于本发明的制备方法，获得的NiGe单晶薄膜性能比较稳定，故不再对其进行XDR等的检测。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Ge110基底；步骤S02.将所述Ge110基底置于真空环境中加热至200～800℃，并恒温10～60min，随后冷却至室温，获得预用基底；步骤S03.在真空环境下，对所述预用基底进行Ni膜的蒸镀处理，使Ge110表面镀覆有Ni膜；步骤S04.在惰性气氛下，对步骤S03得到的镀覆有Ni膜的Ge110基底进行退火处理，使所述Ni膜和所述Ge110基底发生固相反应，获得NiGe单晶薄膜。2.如权利要求1所述的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。3.如权利要求1或2所述的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。4.如权利要求1所述的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述蒸镀的方法为电子束蒸发或磁控溅射。5.如权利要求1所述的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述Ni膜的生长速率为所述Ni膜的厚度为1～100nm。6.如权利要求1所述的NiGe单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S02和或所述步骤S03的真空环境的真空度达到1e-5Pa及以上。7.一种NiGe单晶薄膜，其特征在于，所述NiGe单晶薄膜的结晶取向为NiGe100Ge110、NiGe[001]Ge[001]、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1～6任一项所述的制备方法制备得到。8.如权利要求7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单晶薄膜中的总量不超过20％。9.如权利要求7所述的NiGe单晶薄膜，其特征在于，所述NiGe单晶薄膜中，Ni膜的厚度为1～100nm。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7～9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1～6任一项所述的NiGe单晶薄膜的制备方法制备得到。

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