專利名稱：制作包含與硅的金屬氧化物界面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及制作在硅襯底和金屬氧化物之間含有晶體金屬氧化物界面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，而更詳細(xì)地涉及制作含有籽晶層和高介電常數(shù)氧化物的界面的方法。
對于為許多器件所用的在硅上后續(xù)外延生長的單晶薄膜，例如用于非易失高密度存儲器的鐵電體或高介電常數(shù)氧化物，和下一步的形成器件而言，最希望的是有序而又穩(wěn)定的硅(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后續(xù)生長來說是關(guān)鍵性的。
一些報導(dǎo)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于850℃時在硅(100)上沉積四分之一Ba的單原子層的BaSi2(立方)模板為基礎(chǔ)。例如見R．Mckee等人，應(yīng)用物理通訊(Appl. Phys．Lett．)59(7)，782-784頁(1991．8．12)；R．McKee等人，應(yīng)用物理通訊，63(20)，2818-2820頁(1993，11．15)；R．McKee等人，材料研究協(xié)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，授于名稱“用作在硅襯底上外延沉積氧化物的工藝方法和用這種工藝方法制備的結(jié)構(gòu)”(“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，授于名稱“用作在襯底上外延沉積堿金屬氧化物的工藝方法和用這種工藝方法制備的結(jié)構(gòu)”(“PROCESSFOR DEPOSITING EPITAXIAL ALKALINE EARTH OXIDEONTO A SUBSTRATE AND STRUCTURES PREPARED WITHTHE PROCESS”)。推薦一種具有2C(4X2)結(jié)構(gòu)型式的硅化鍶(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(jié)構(gòu)的原子能級模擬表明在升高溫時多半是不穩(wěn)定的。
采用SrO過渡層在硅(100)上進(jìn)行SrTiO3的生長。例如見B．K．Moon等人，日本應(yīng)用物理雜志(Jpn．J．Appl．Phys．)，37卷(1998)，4454-4459頁。然而，SrO過渡層是厚的(100)，因而限制在薄膜晶體管方面的應(yīng)用，并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)在硅上生長SrTiO3。例如見B．K Moon等人，日本應(yīng)用物理雜志，33卷(1994)，1472-1477頁。這些厚的過渡層會限制在晶體管方面的應(yīng)用。
所以，需要一種用于制作、薄的、穩(wěn)定的與硅的晶體硅酸鹽界面的方法。
用包括提供具有表面的硅襯底的步驟、在硅襯底的表面上形成特點在于硅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(shù)氧化物層的步驟的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法至少部分地解決上述的問題和其他問題而實現(xiàn)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(jù)本發(fā)明形成的許多氧化物層的干凈的半導(dǎo)體襯底的橫截面圖；圖2表示具有根據(jù)本發(fā)明由晶體硅酸鹽層組成的界面籽晶層的半導(dǎo)體襯底的橫截面圖；和圖3表示根據(jù)本發(fā)明在圖2表示的結(jié)構(gòu)上形成的高介電常數(shù)金屬氧化物層的橫截面圖。
最佳實施例的詳細(xì)描述。
上述的公開內(nèi)容揭示了一種制作與硅襯底具有界面的高介電常數(shù)(高-K)金屬氧化物的方法。工藝方法基于像氧化鍶(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(tài)反應(yīng)，以形成對堿土金屬氧化物層的后續(xù)生長必需的穩(wěn)定的硅酸鹽籽晶層。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。
為了形成硅(Si)襯底和一層或多層高介電常數(shù)(高-K)金屬氧化物層之間的新型界面，可以采用各種各樣的方法途徑。將提供關(guān)于開始時在表面上具有二氧化硅(SiO2)的Si襯底的幾個例子?；蚴峭ㄟ^采用熱技術(shù)，或是通過采用化學(xué)方法露出像天然氧化物一樣形成的二氧化硅。SiO2是無定形的而不是單晶體并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(xiàn)在參閱附圖，遍及所有附圖用相同的數(shù)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硅襯底10暴露于空氣(氧)就自然而然地出現(xiàn)SiO2(天然氧化物)層14。另一方面，可以用技術(shù)上眾所周知的控制方法例如用熱技術(shù)通過在高溫時把氧加于表面12或者用化學(xué)方法采用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)蝕刻工藝方法特意形成SiO2層14。形成具有在5-100厚的范圍內(nèi)的厚度而更具體是具有在10-25范圍內(nèi)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(zhǔn)確地說，使硅襯底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(hù)條件下的化學(xué)或物理汽相沉積室中完成。
只要適當(dāng)?shù)厥挂r底10加熱并且使在襯底10上具有SiO2層的襯底10表面12在O2壓力等于或小于1×10-4毫巴的氧氣氛中暴露于像鍶(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(fā)源產(chǎn)生的原子束是Ba或Sr。在具體的例子中，使襯底10和SiO2層14暴露于Sr原子束和氧O2下。SrO加入SiO2并把SiO2層14轉(zhuǎn)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。
這樣的步驟為在硅襯底上穩(wěn)定的硅酸鹽的形成，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(zhǔn)確地說是在5-100的范圍內(nèi)，就最佳厚度來說是在10-25的范圍內(nèi)。硅酸鹽層是晶體而有序的顯示2×1重構(gòu)。
在這樣的具體實施例中，對薄層14的表面16施加Sr和氧而后續(xù)的加熱引起化學(xué)反應(yīng)，生成用作晶粒層20的SrSiO3或SrSiO4或諸如此類的硅酸鹽。在制作期間，采用在技術(shù)上很好記錄并能夠現(xiàn)場，也就是在生長室里進(jìn)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(shù)來監(jiān)控生長。RHEED技術(shù)被用來探測或判斷表面晶體結(jié)構(gòu)并且在正在進(jìn)行的工藝過程中RHEED技術(shù)迅速轉(zhuǎn)成SrSiO4、SrSiO3或諸如此類的少量原子層的形成時的強(qiáng)而清晰的條紋。只要提供明確的制作工藝過程并被采納就可以不必對每一片襯底實施RHEED技術(shù)，這當(dāng)然是不言而喻的。另一方面，采用任一種用現(xiàn)場技術(shù)監(jiān)控表面的像反射差光譜測定技術(shù)、用分光鏡的橢圓偏振光技術(shù)或諸如此類的表面敏感技術(shù)執(zhí)行晶體結(jié)構(gòu)的監(jiān)控。
精通技術(shù)的人應(yīng)該明白，對于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(fā)明不局限于具體的溫度范圍或壓力范圍。正如啟示的那樣，籽晶層20包括在硅襯底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、硅原和氧原子。
參閱圖3，通過在小于或等于800℃時，更詳細(xì)地說溫度在350-650℃的范圍時并在小于或等于1×10-4毫巴的O2分壓下或是同時或是交替向由晶體硅酸鹽組成的籽晶層20的表面21加料，可以完成高介電常數(shù)氧化物層22的結(jié)構(gòu)。
通過在小于或等于800℃時在小于或等于1×10-4毫巴的氧分壓下或是同時或是交替加堿金屬(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(shù)氧化物層22，更詳細(xì)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的厚度并且基本上會與下面的籽晶層20晶格匹配。
因此，如本文所述，公開了用于制作薄的具有硅的晶體籽晶層20的方法。界面，或籽晶層20可以包括單原子層。上述的形成硅酸鹽層的真正意義是在其上后續(xù)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(shù)氧化物層的電耦合作用，并且由于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(wěn)定，所以獲得更好使用的晶體管。
權(quán)利要求
1．制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，特征在于包括步驟提供具有表面(12)的硅襯底(10)；在硅襯底的表面上形成特點在于是一種硅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(shù)氧化物層(22)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中形成籽晶層步驟包括形成2×1結(jié)構(gòu)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中形成籽晶層步驟包括在UHV環(huán)境中形成籽晶層。
4．根據(jù)權(quán)利要求1中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中形成籽晶層步驟包括在化學(xué)汽相沉積系統(tǒng)中形成籽晶層。
5．根據(jù)權(quán)利要求1中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中形成籽晶層步驟包括在物理汽相沉積系統(tǒng)中形成籽晶層。
6．根據(jù)權(quán)利要求1中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中形成籽晶層的步驟包括形成至少一層硅、氧和金屬的單原子層。
7．根據(jù)權(quán)利要求6中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中金屬是從鍶、鋇、鈣、鋯和鉿的組中選擇的。
8．根據(jù)權(quán)利要求1中的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中形成籽晶層的步驟進(jìn)一步包括步驟形成具有表面的氧化硅層(14)；在氧化硅層的表面上沉積金屬氧化物(18)；和對氧化硅層和金屬氧化物加熱而形成硅酸鹽晶體材料籽晶層(20)。
全文摘要
用于制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括提供具有表面(12)的硅襯底(10)的步驟;在硅襯底(10)的表面上形成無定形二氧化硅(14)的步驟;在無定形二氧化硅(14)上形成金屬氧化物(18)的步驟;對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)加熱而形成特點在于鄰接硅襯底(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(shù)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(yōu)先權(quán)日1999年7月15日
發(fā)明者賈馬·蘭達(dá)尼, 拉萬德蘭那斯·德魯帕德, 于致憶 申請人:摩托羅拉公司