一種鍺襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法

2023-06-10 06:51:41

專利名稱：一種鍺襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種單晶氧化物薄膜的製備方法，具體涉及一種利用分子束外延(MBE)法，在Ge(OOl)表面製備單晶氧化物薄膜的方法。
背景技術：
隨著高K柵介質材料在Si襯底上幾近成熟的研究及微電子技術進一步發展的要求，高K柵介質材料在Ge襯底上的生長及特性研究已經成為近期的研究熱點之一。相比於Si，Ge主要有以下幾個優勢:
一是具有較高的載流子遷移率。Si的空穴、電子遷移率分別為450cm2/V*s、1500 cm2/V.s，而Ge中空穴、電子遷移率分別為1900 cm2/V.s、3900 cm2/V.s，是Si中空穴、電子遷移率的4.2,2.6倍。較高的遷移率可在相同電壓下獲得更大的驅動電流。二是具有更低的摻雜激活溫度。Si中摻雜物的激活溫度為1000-1100°C，Ge中為400-500°C。較低的溫度有利於淺結的形成，那些由於熱穩定性差在Si工藝中不能應用的高K材料或金屬柵電極在Ge中可以獲得應用。三是具有獲得更小的等效氧化物厚度(EOT)。由於Ge氧化物不穩定，通過退火可以去除高K材料與Ge襯底之間的氧化鍺界面層，因此相比於Si襯底，在Ge襯底上可以獲得更小的EOT。 此外，Ge還具有很多劣勢:如Ge的氧化物(GeO2、GeO)或溶於水或可揮發，在工藝流程中很容易被水衝掉或揮發掉。再如Ge襯底不容易處理，而且價格昂貴。還有是Ge的帶隙比Si小，因此漏電流可能會更大。高K材料在Ge襯底上的生長跟在Si襯底上的生長有很大不同。由於高K材料與Ge襯底之間界面的特殊性，在Si襯底上表現優異的材料生長在Ge襯底上不一定表現優異，反之亦然。因此，高K材料與Ge襯底之間界面的穩定性是一個關鍵。為了獲得一個穩定的高K材料/Ge界面，材料的生長方式以及界面的處理至關重要。Ge表面的鈍化是當前Ge基高K材料研究的熱點。通過合適的鈍化，可降低界面態密度從而提高器件的電學性質。另夕卜，如果能找到一種材料與Ge襯底的晶格匹配，這樣就可以通過異質外延技術得到理想的界面，大大降低界面態密度，解決Ge基MOS器件的界面問題。但到目前為止，還沒有單晶高K氧化物在Ge襯底上生長的報導。稀土金屬氧化物Er203、Tm2O3具有Mn2O3立方結構，晶格常數和鍺晶格常數的兩倍比較接近，具有較低的失配度，因此容易製成高度擇優取向的薄膜甚至單晶膜，是一種比較理想的鍺基外延生長候選介質材料。另外質量好的單晶薄膜還可以用作鐵電材料、高溫超導材料甚至鍺本身的緩衝層，也可以用在SOI (Silicon On Insulator)器件上。在本發明中，利用MBE系統對各生長參數精確的控制，得到了在Ge襯底上外延生長的高K氧化物薄膜
發明內容
本發明的目的在於提供一種Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法。根據本發明的目的，這種Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法是在MBE系統中，通過控制生長條件，在Ge (001)表面製備出單晶氧化物薄膜，其具體方法步驟如下:
(1)Ge片的表面預處理
將Ge片依次置於丙酮和甲醇中分別超聲5分鐘，再在去離子水中超聲10分鐘，每2分鐘換一次水；後在1%的HF酸溶液中刻蝕1-2分鐘，再在去離子水中超聲10分鐘，每2分鐘換一次水；
(2)Ge片表面的薄膜生長
將上述步驟(I)清潔的Ge (001)片置入生長室，升溫到650°C，保溫15分鐘，去除Ge襯底表面的氧化物，得到清潔的Ge(OOl)表面；然後將Ge片溫度調至30(T38(TC，通入氧源，打開金屬源進行生長，生長時，氧氣氣壓為1 3X 10 7Torr,金屬源溫度700 110CTC,生長一定時間後，獲得一種Ge襯底上生長的單晶氧化物薄膜。在上述技術方案中，進一步地，附加技術特徵在於:
所述氧源是分子氧、或是原子氧。所述氧分壓為2 X KT7Torr。所述Ge襯底的生長溫度進一步是350°C。所述金屬源是稀土金屬Er或者Tm。

所述稀土金屬Er源的溫度為1100°C。所述稀土金屬Tm源的溫度為700°C。實現本發明上述所提供的一種Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，與現有技術相比，其直接帶來的和必然產生的優點與積極效果在於通過MBE系統對各生長參數的精確控制，找到了 Ge襯底上外延生長氧化物薄膜的條件:Ge襯底溫度、氧分壓及金屬源溫度三者之間合適的比例，因為薄膜的生長方式對生長條件(各生長參數)非常敏感，任何一個參數控制不精確就會導致外延生長失敗。本發明通過在Ge襯底上外延生長單晶薄膜，得到理想的界面，從而大大降低界面態密度，解決Ge基MOS器件的界面問題。


圖1是本發明實施例1中單晶Er2O3薄膜的XRD圖譜。圖2是本發明實施例1中單晶Er2O3薄膜的AFM表面形貌圖(RMS=0.3 nm,4 μ m X 4 μ m)。 圖3是本發明實施例2中單晶Tm2O3的XRD圖譜。圖4是本發明實施例2中單晶Tm2O3薄膜的AFM表面形貌圖(RMS=0.4 nm,4 μ m X 4 μ m)。
具體實施例方式下面對本發明的具體實施方式
作出進一步的說明。實施本發明所提供的一種鍺襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，這種製備方法在MBE系統中進行，通過控制生長條件，可在Ge (001)表面製備出單晶氧化物薄膜。其具體方法步驟如下:步驟一、Ge片的表面預處理
將Ge片依次置於丙酮和甲醇中分別超聲5分鐘，再在去離子水中超聲10分鐘，每2分鐘換一次水；後在1%的HF酸溶液中刻蝕1-2分鐘，再在去離子水中超聲10分鐘，每2分鐘換一次水；
步驟二、Ge片表面的薄膜生長
將上述步驟(I)清潔的Ge (001)片置入生長室，升溫到650°C，保溫15分鐘，去除Ge襯底表面的氧化物，得到清潔的Ge(OOl)表面；然後將Ge片溫度調至30(T38(TC，通入氧源，打開金屬源進行生長，生長時，氧氣氣壓為1 3X 10 7Torr,金屬源溫度700 110CTC,生長一定時間後，獲得一種Ge襯底上生長的單晶氧化物薄膜。生長時，金屬坩堝的溫度根據不同的金屬種類而調節，保證金屬可以被蒸發出來，氧源可以是分子氧(高純氧氣)也可以是原子氧(經射頻源裂解後的原子氧)。這裡，各生長參數的設定非常重要。因為薄膜的結晶狀態與生長條件密切相關。首先，Ge襯底需保持在一個合適的溫度，溫度過低薄膜不易結晶，溫度過高會對Ge襯底造成破壞；其次，氧氣壓的控制也非常重要。氧氣壓過低薄膜會缺氧，過高薄膜的生長方式會發生改變。因此，在上述實施方式的過程中，進一步選擇其生長參數為:氧分壓為2X10_7TOrr，Ge襯底生長溫度為3500C，金屬源選擇稀土金屬Er或者Tm，稀土金屬Er的溫度為1100°C，稀土金屬Tm的溫度為 700。。。下面用具體實施例進一步說明本發明的具體實施方式
。實施例1
在上述具體實施方式
的基礎上，在本實施例中，生長時Ge襯底溫度保持為350°C，Er源溫度保持為1100°C，氧分壓為2X10_7Torr。

圖1為Ge襯底上單晶Er2O3薄膜的XRD圖譜。入射波長λ =1.24Α。在XRD譜中，我們只觀察到Er2O3(440)峰，表明Er2O3在Ge (001)面上的擇優生長取向為Er2O3 (110)面。圖2單晶Er2O3薄膜的原子力顯微鏡(AFM)表面形貌圖。薄膜的均方根粗糙度(RMS)為0.3nm，如此平整的表面有利於與金屬電極之間形成一個陡峭的界面。實施例2
在上述具體實施方式
的基礎上，在本發明的另外一個實施例中，生長時Ge襯底溫度保持為350°C，Tm源溫度保持為700°C，氧分壓為2X10_7Torr。圖3為Ge襯底上單晶Tm2O3薄膜的XRD圖譜。入射波長λ =1.24Α。在XRD譜中，我們只觀察到Tm2O3(440)峰，表明Tm2O3在Ge (001)面上的擇優生長取向為Tm2O3 (110)面。圖4單晶Tm2O3薄膜的AFM表面形貌圖。從圖中可以看出，薄膜基本比較平整，RMS為 0.4nm。可以理解，本發明並不限於在所列出的實施例中所公開的具體實施方式
，也即本發明包括在權利要求書中定義的本發明的應用範圍及構思之內的所有修飾及參數調整等。
權利要求
1.一種Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述方法是在MBE系統中，通過控制生長條件，在Ge (OOl)表面製備出單晶氧化物薄膜，其具體方法步驟如下: (1)Ge片的表面預處理 將Ge片依次置於丙酮和甲醇中分別超聲5分鐘，再在去離子水中超聲10分鐘，每2分鐘換一次水；後在1%的HF溶液中刻蝕1-2分鐘，再在去離子水中超聲10分鐘，每2分鐘換一次水； (2)Ge片表面的薄膜生長 將上述步驟(1)清潔的Ge (001)片置入生長室，升溫到650°C，保溫15分鐘，去除Ge襯底表面的氧化物，得到清潔的Ge (001)表面；然後將Ge片溫度調至30(T38(TC，通入氧源，打開金屬源進行生長，生長時，氧氣氣壓為1 3X 10 7Torr,金屬源溫度為700 110CTC,生長一定時間後，獲得一種Ge襯底上生長的單晶氧化物薄膜。
2.如權利要求1所述的Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述氧源是分子氧、或是原子氧。
3.如權利要求1所述的Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述氧分壓進一步為2 X KT7Torr。
4.如權利要求1所述的Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述Ge襯底的生長溫度進一步是350°C。
5.如權利要求 1所述的Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述金屬源是稀土金屬Er或者Tm。
6.如權利要求1所述的Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述稀土金屬Er源的溫度為1100°C。
7.如權利要求1所述的Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法，其所述稀土金屬Tm源的溫度為700°C。
全文摘要
一種Ge襯底上製備單晶氧化物薄膜的方法是將Ge片依次置於丙酮和甲醇中分別超聲，再在去離子水中超聲，後在HF酸溶液中刻蝕，再在去離子水中超聲，完成Ge片的表面預處理；將預處理後的Ge(001)片置入生長室，升溫，去除Ge襯底表面的氧化物，得到清潔的Ge(001)表面；然後調節Ge片溫度，通入氧源，打開金屬源進行生長，生長一定時間後，獲得一種Ge襯底上生長的單晶氧化物薄膜。本發明在Ge襯底上外延生長單晶薄膜，得到理想的界面，從而大大降低界面態密度，解決Ge基MOS器件的界面問題。
文檔編號C30B25/18GK103215643SQ201310106758
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者冀婷, 馮琳, 張葉 申請人:太原理工大學