製作包含與矽的金屬氧化物界面的半導體結構的方法

2023-09-20 13:08:00

專利名稱：製作包含與矽的金屬氧化物界面的半導體結構的方法
技術領域：
本發明一般地涉及製作在矽襯底和金屬氧化物之間含有晶體金屬氧化物界面的半導體結構的方法，而更詳細地涉及製作含有籽晶層和高介電常數氧化物的界面的方法。
對於為許多器件所用的在矽上後續外延生長的單晶薄膜，例如用於非易失高密度存儲器的鐵電體或高介電常數氧化物，和下一步的形成器件而言，最希望的是有序而又穩定的矽(Si)表面。在Si表面上形成有序的過渡層，尤其對單晶氧化物例如鈣鈦礦的後續生長來說是關鍵性的。
一些報導的像BaO和BaTiO3之類這些氧化物在Si(100)上的生長是以用分子束外延在溫度大於850℃時在矽(100)上沉積四分之一Ba的單原子層的BaSi2(立方)模板為基礎。例如見R．Mckee等人，應用物理通訊(Appl. Phys．Lett．)59(7)，782-784頁(1991．8．12)；R．McKee等人，應用物理通訊，63(20)，2818-2820頁(1993，11．15)；R．McKee等人，材料研究協會專題會議論文集(Mat．Res．Soc．Symp．Proc．)，21卷，131-135頁(1991)；美國專利No．5，225，031，1993，7，6頒布，授於名稱「用作在矽襯底上外延沉積氧化物的工藝方法和用這種工藝方法製備的結構」(「PROCESS FOR DEPOSITINGAN OXIDE EPITAXIALLY ONTO A SILICON SUBSTRATE ANDSTRUCTURES PREPARED WITH THE PROCESS」)；以及美國專利No．5，482，003，1996．1．9頒布，授於名稱「用作在襯底上外延沉積鹼金屬氧化物的工藝方法和用這種工藝方法製備的結構」(「PROCESSFOR DEPOSITING EPITAXIAL ALKALINE EARTH OXIDEONTO A SUBSTRATE AND STRUCTURES PREPARED WITHTHE PROCESS」)。推薦一種具有2C(4X2)結構型式的矽化鍶(SrSi2)界面。例如見R．McKee等人，物理評論通訊(Plys．Rev．Lett．)，81(14)，3014頁(1998．10．5)。然而，這種推薦的結構的原子能級模擬表明在升高溫時多半是不穩定的。
採用SrO過渡層在矽(100)上進行SrTiO3的生長。例如見B．K．Moon等人，日本應用物理雜誌(Jpn．J．Appl．Phys．)，37卷(1998)，4454-4459頁。然而，SrO過渡層是厚的(100)，因而限制在薄膜電晶體方面的應用，並且在整個生長過程沒有保持晶體性。
此外，利用厚的SrO或TiOx氧化物層(60-120)在矽上生長SrTiO3。例如見B．K Moon等人，日本應用物理雜誌，33卷(1994)，1472-1477頁。這些厚的過渡層會限制在電晶體方面的應用。
所以，需要一種用於製作、薄的、穩定的與矽的晶體矽酸鹽界面的方法。
用包括提供具有表面的矽襯底的步驟、在矽襯底的表面上形成特點在於矽酸鹽晶體材料的籽晶層的步驟和在籽晶層上形成一層或多層的高介電常數氧化物層的步驟的製作半導體結構的方法至少部分地解決上述的問題和其他問題而實現上述的目的和其他的目的。
附圖的簡略描述

圖1表示在其上具有根據本發明形成的許多氧化物層的乾淨的半導體襯底的橫截面圖；圖2表示具有根據本發明由晶體矽酸鹽層組成的界面籽晶層的半導體襯底的橫截面圖；和圖3表示根據本發明在圖2表示的結構上形成的高介電常數金屬氧化物層的橫截面圖。
最佳實施例的詳細描述。
上述的公開內容揭示了一種製作與矽襯底具有界面的高介電常數(高-K)金屬氧化物的方法。工藝方法基於像氧化鍶(SrO)、氧化鋇(BaO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿(HfO2)或諸如此類的金屬氧化物與SiO2的固態反應，以形成對鹼土金屬氧化物層的後續生長必需的穩定的矽酸鹽籽晶層。因此，公開了一種生長像SrTiO3、BaTiO3、SrBaTiO3、CaTiO3或諸如此類的鈣鈦礦氧化物的新方法。
為了形成矽(Si)襯底和一層或多層高介電常數(高-K)金屬氧化物層之間的新型界面，可以採用各種各樣的方法途徑。將提供關於開始時在表面上具有二氧化矽(SiO2)的Si襯底的幾個例子。或是通過採用熱技術，或是通過採用化學方法露出像天然氧化物一樣形成的二氧化矽。SiO2是無定形的而不是單晶體並且為了在襯底上生長另外的單晶材料希望提供單晶氧化物層作為界面。
現在參閱附圖，遍及所有附圖用相同的數詞表示一樣的元件，圖1表示具有表面12的Si襯底10和在表面12上的SiO2層14。在上述的具體實施例中一旦矽襯底10暴露於空氣(氧)就自然而然地出現SiO2(天然氧化物)層14。另一方面，可以用技術上眾所周知的控制方法例如用熱技術通過在高溫時把氧加於表面12或者用化學方法採用標準的化學蝕刻工藝方法特意形成SiO2層14。形成具有在5-100厚的範圍內的厚度而更具體是具有在10-25範圍內的厚度的薄層14。
通過在0-900℃時把像SrO、BaO或諸如此類的無定形金屬氧化物18沉積到SiO2層14的表面16，形成新型的籽晶層。更準確地說，使矽襯底10和無定形SiO2層14加熱到SiO2層14的升華溫度以下的溫度(一般在900℃以下)。這能夠在分子束外延室中或者在隋性氣體保護條件下的化學或物理汽相沉積室中完成。
只要適當地使襯底10加熱並且使在襯底10上具有SiO2層的襯底10表面12在O2壓力等於或小於1×10-4毫巴的氧氣氛中暴露於像鍶(Sr)、鋇(Ba)、鈣(Ca)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或諸如此類金屬18的原子束之下就如圖1所示那樣在SiO2氧化物上形成無定形氧化物。在最佳實施例中，由耐熱噴射室或從電子束蒸發源產生的原子束是Ba或Sr。在具體的例子中，使襯底10和SiO2層14暴露於Sr原子束和氧O2下。SrO加入SiO2並把SiO2層14轉變成如圖2所示的由SrSiO4或SrSiO3或者諸如此類組成的成晶體形式的籽晶層20。
這樣的步驟為在矽襯底上穩定的矽酸鹽的形成，尤其是為籽晶層的形成提供保證。金屬氧化物層20的厚度與SiO2氧化物層14的厚度大致相同，更準確地說是在5-100的範圍內，就最佳厚度來說是在10-25的範圍內。矽酸鹽層是晶體而有序的顯示2×1重構。
在這樣的具體實施例中，對薄層14的表面16施加Sr和氧而後續的加熱引起化學反應，生成用作晶粒層20的SrSiO3或SrSiO4或諸如此類的矽酸鹽。在製作期間，採用在技術上很好記錄並能夠現場，也就是在生長室裡進行受粒子束作用的步驟時使用的反射高能電子衍射(RHEED)技術來監控生長。RHEED技術被用來探測或判斷表面晶體結構並且在正在進行的工藝過程中RHEED技術迅速轉成SrSiO4、SrSiO3或諸如此類的少量原子層的形成時的強而清晰的條紋。只要提供明確的製作工藝過程並被採納就可以不必對每一片襯底實施RHEED技術，這當然是不言而喻的。另一方面，採用任一種用現場技術監控表面的像反射差光譜測定技術、用分光鏡的橢圓偏振光技術或諸如此類的表面敏感技術執行晶體結構的監控。
精通技術的人應該明白，對於所描述的具體實施例而言，推薦了對這些工藝過程指定的溫度和壓力，然而本發明不局限於具體的溫度範圍或壓力範圍。正如啟示的那樣，籽晶層20包括在矽襯底10的(001)晶面上成2×1排列、在110晶向上成1×排列和在與110晶向垂直的方向上成2×排列的成行的鍶原子、矽原和氧原子。
參閱圖3，通過在小於或等於800℃時，更詳細地說溫度在350-650℃的範圍時並在小於或等於1×10-4毫巴的O2分壓下或是同時或是交替向由晶體矽酸鹽組成的籽晶層20的表面21加料，可以完成高介電常數氧化物層22的結構。
通過在小於或等於800℃時在小於或等於1×10-4毫巴的氧分壓下或是同時或是交替加鹼金屬(Sr、Ba等)、氧和像鈦之類的過渡金屬，在籽晶層20的表面21上形成單晶體高介電常數氧化物層22，更詳細地說是鈣鈦礦層。這樣的單晶體氧化物層22例如可以有50-1000的厚度並且基本上會與下面的籽晶層20晶格匹配。
因此，如本文所述，公開了用於製作薄的具有矽的晶體籽晶層20的方法。界面，或籽晶層20可以包括單原子層。上述的形成矽酸鹽層的真正意義是在其上後續生長鈣鈦礦薄膜所必需的。通過減薄界面，因為不損害在上面的高介電常數氧化物層的電耦合作用，並且由於在工藝處理中原子將更可能保持其晶體性因此籽晶層20更穩定，所以獲得更好使用的電晶體。
權利要求
1．製作半導體結構的方法，特徵在於包括步驟提供具有表面(12)的矽襯底(10)；在矽襯底的表面上形成特點在於是一種矽酸鹽晶體材料的籽晶層(20)；和在籽晶層上形成一層或多層高介電常數氧化物層(22)。
2．根據權利要求1中的製作半導體結構的方法，其中形成籽晶層步驟包括形成2×1結構。
3．根據權利要求1中的製作半導體結構的方法，其中形成籽晶層步驟包括在UHV環境中形成籽晶層。
4．根據權利要求1中的製作半導體結構的方法，其中形成籽晶層步驟包括在化學汽相沉積系統中形成籽晶層。
5．根據權利要求1中的製作半導體結構的方法，其中形成籽晶層步驟包括在物理汽相沉積系統中形成籽晶層。
6．根據權利要求1中的製作半導體結構的方法，其中形成籽晶層的步驟包括形成至少一層矽、氧和金屬的單原子層。
7．根據權利要求6中的製作半導體結構的方法，其中金屬是從鍶、鋇、鈣、鋯和鉿的組中選擇的。
8．根據權利要求1中的製作半導體結構的方法，其中形成籽晶層的步驟進一步包括步驟形成具有表面的氧化矽層(14)；在氧化矽層的表面上沉積金屬氧化物(18)；和對氧化矽層和金屬氧化物加熱而形成矽酸鹽晶體材料籽晶層(20)。
全文摘要
用於製作半導體結構的方法包括提供具有表面(12)的矽襯底(10)的步驟;在矽襯底(10)的表面上形成無定形二氧化矽(14)的步驟;在無定形二氧化矽(14)上形成金屬氧化物(18)的步驟;對半導體結構加熱而形成特點在於鄰接矽襯底(10)的表面(12)的籽晶層(20)界面的步驟;和在籽晶層(20)上形成一層或多層高介電常數氧化物層(22)的步驟。
文檔編號C30B29/10GK1281245SQ0012025
公開日2001年1月24日 申請日期2000年7月14日 優先權日1999年7月15日
發明者賈馬·蘭達尼, 拉萬德蘭那斯·德魯帕德, 於致憶 申請人:摩託羅拉公司