專(zhuān)利名稱(chēng)：具有結(jié)晶堿土金屬硅氮化物/氧化物與硅界面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及在硅襯底與氧化物或其他氮化物之間有結(jié)晶堿土金屬氮化物基界面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，特別是涉及包括堿土金屬、硅和氮原子層的界面。
對(duì)于在多種器件應(yīng)用的硅上后續(xù)外延生長(zhǎng)單晶薄膜，例如對(duì)于非易失性高密度存儲(chǔ)器和邏輯器件的鐵電或高介電常數(shù)氧化物，大多需要有序且穩(wěn)定的硅(Si)表面。特別是對(duì)于單晶氧化物例如鈣鈦礦的后續(xù)生長(zhǎng)，在Si表面上建立有序過(guò)渡層是關(guān)鍵的。
關(guān)于在Si(100)上生長(zhǎng)這些氧化物例如BaO和BaTiO3的某些報(bào)道是基于BaSi2(立方晶)模型，這是采用在大于850℃的溫度反應(yīng)外延，在Si(100)上淀積四分之一單層Ba。例如可見(jiàn)R.McKee等在Appl.Phys.Lett.59(7),pp 782-784(1991.8.12)；R.McKee等在Appl.Phys.Lett.63(20),pp 2818-2820(1993.11.15)；R.McKee等在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.,Vol.21,PP.131-135(1991)；R.A.McKee,F.J.Walker和M.F.Chisholm，“硅上的結(jié)晶氧化物五分之一單層”，Phys.Rev.Lett.81(14),3014-7(1998.10.5)；1993.7.6授予的美國(guó)專(zhuān)利5225031，名稱(chēng)是“在硅襯底上外延淀積氧化物的工藝和采用這種工藝制備的結(jié)構(gòu)”；1996.1.9授予的美國(guó)專(zhuān)利5482003，名稱(chēng)是“在襯底上淀積外延堿土金屬氧化物的工藝和采用這種工藝制備的結(jié)構(gòu)”。但是，這種結(jié)構(gòu)的原子級(jí)別模擬表明溫度升高時(shí)其不易穩(wěn)定。
已經(jīng)完成采用SrO緩沖層在硅(100)上生長(zhǎng)SrTiO3。參見(jiàn)T.Tambo等在Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.37(1998),pp.4454-4459。但是，SrO緩沖層較厚(100埃)，因而限制了晶體管薄膜的應(yīng)用，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程不能保持結(jié)晶性。
而且，已經(jīng)采用Sr或Ti的厚金屬氧化物緩沖層(60-120埃)在硅上生長(zhǎng)SrTiO3。參見(jiàn)B.K.Moon等在Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.33(1994),pp.1472-1477。這些厚緩沖層會(huì)限制晶體管的應(yīng)用。
因此，需要一種與硅的穩(wěn)定結(jié)晶的薄界面。


圖1-2是其上形成有根據(jù)本發(fā)明界面的潔凈半導(dǎo)體襯底的剖面圖。
圖3-6是具有根據(jù)本發(fā)明由氮化硅形成的界面的半導(dǎo)體襯底的剖面圖。
圖7-8是根據(jù)本發(fā)明在圖1-6所示結(jié)構(gòu)上形成的堿土金屬氮化物層的剖面圖。
圖9-12是根據(jù)本發(fā)明在圖1-8的結(jié)構(gòu)上形成的鈣鈦礦的剖面圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的圖12各層的一個(gè)實(shí)施例的原子結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖14是沿圖13的界面的視線(xiàn)AA的頂視圖。
圖15是包括襯底界面和鄰近原子層的沿圖13視線(xiàn)AA的頂視圖。
為了在硅(Si)襯底與一層或多層單晶氧化物或氮化物之間形成新型界面，可以采用各種方法。對(duì)于以下兩種情況將提供幾個(gè)例子，即初始Si襯底具有潔凈表面，和初始Si襯底表面上具有氮化硅(Si3N4等)。Si3N4是非晶的而不是單晶，為了在襯底上另外生長(zhǎng)單晶材料，設(shè)置單晶氮化物作為界面是必需的。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，其中對(duì)相同元件通篇采用相同的數(shù)字標(biāo)記表示，圖1和2是具有潔凈表面12的Si襯底10的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。采用任何傳統(tǒng)的清潔工藝可以獲得潔凈(2×1)表面12，例如通過(guò)在大于或等于850℃的溫度熱淀積SiO2，或者通過(guò)在大于或等于300℃的溫度，在超高真空中從氫終端的Si(1×1)表面去除氫。氫終端是一個(gè)公知工藝，其中氫在表面12與硅原子的懸掛鍵松散地鍵合，構(gòu)成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在N2分壓小于或等于1×10-6mBar的生長(zhǎng)室內(nèi)，在小于或等于900℃的溫度，通過(guò)向表面12同時(shí)或依次提供可控量的金屬、Si和活性氮，可以形成結(jié)晶材料的界面14。施加于表面12形成界面14的金屬可以是任何金屬，但是在優(yōu)選實(shí)施例中包括堿土金屬，例如鋇(Ba)或鍶(Sr)。
在使用Ba、Si和活性氮形成BaSiN2作為界面14時(shí)，采用反射高能量電子衍射(RHEED)技術(shù)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)，這種技術(shù)在已有技術(shù)中有許多資料并且能夠在原地使用，即在進(jìn)行曝光的同時(shí)在生長(zhǎng)室內(nèi)進(jìn)行。RHEED技術(shù)用于檢測(cè)或檢出表面結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在本工藝中由于形成BaSiN2原子層而快速改變?yōu)閺?qiáng)烈尖銳的條紋。當(dāng)然應(yīng)該知道一旦提供特定的制造工藝，隨之也可以不必對(duì)每一襯底實(shí)施RHEED技術(shù)。
以下將說(shuō)明界面14的新型原子結(jié)構(gòu)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，在所說(shuō)明的具體實(shí)施例中，對(duì)于這些工藝推薦給定的溫度和壓力，但是本發(fā)明并不限于這些特定溫度和壓力范圍。
另外，形成界面14時(shí)，氧可以與金屬、硅和氮一起提供，形成混合物。氮與氧的比例實(shí)質(zhì)上可以變化，但是最好在大約80％。
參見(jiàn)圖3-6，另一種方法包括形成具有表面12的Si襯底10，并在其上形成氮化硅層16?？梢圆捎霉煽胤绞接心康牡匦纬傻鑼?6，例如在表面12上施加(箭頭)活性氮。也可以在超高真空中采用硅和活性氮在Si襯底上形成氮化硅層。例如可見(jiàn)1999.5.25授予R.Droopad等的美國(guó)專(zhuān)利5907792，名稱(chēng)是“形成氮化硅層的方法”。至少在如下建議的兩個(gè)實(shí)施例之一形成新型界面14通過(guò)在超高真空中在700-900℃對(duì)氮化硅層16表面18施加堿土金屬。更具體地，Si襯底10和非晶氮化硅層16加熱到氮化硅層16的升華溫度以下的溫度。這種加熱可以在分子束外延室中完成，或者在制備室中至少部分加熱Si襯底10，之后輸送到生長(zhǎng)室完成加熱。一旦Si襯底被適當(dāng)加熱，而且生長(zhǎng)室壓力適當(dāng)?shù)亟档?，則將其上具有氮化硅層16的Si襯底10的表面12暴露在金屬束、最好是堿土金屬束下，如圖5所示。在優(yōu)選實(shí)施例中，該束是由電阻加熱噴射室產(chǎn)生的或者來(lái)自電子束蒸發(fā)源的Ba或Sr。在特定實(shí)施例中，Si襯底10和氮化硅層16暴露在Ba束中。Ba與氮化硅結(jié)合，把氮化硅層16轉(zhuǎn)變成為特征在于結(jié)晶形式的BaSiN2的界面14。另外，可以在超高真空在較低溫度對(duì)表面18提供堿土金屬，隨后在700-1000℃進(jìn)行退火。在另一實(shí)施例中，可以與氮一起提供氧，形成界面14，結(jié)果是有序的BaSi[N1-xOx]2。
一旦形成了界面14，可以在界面14表面上形成一層或多層的單晶氧化物、氮化物或者他們的結(jié)合。但是，可選擇地在界面14與單晶氧化物之間設(shè)置堿土金屬氧化物層，例如BaO或SrO。這種堿土金屬氧化物提供低的介電常數(shù)(對(duì)一定的用途例如存儲(chǔ)單元是有利的)，還可以防止氧從單晶氧化物遷移到Si襯底10。
參見(jiàn)圖7和8，通過(guò)在小于或等于700℃的溫度，在小于或等于1×10-5mBar的N2分壓下，同時(shí)或交替地向界面14提供堿土金屬和活性氮，由此形成堿土金屬氮化物層22。這種堿土金屬氮化硅層22的厚度例如可以是50-500埃。
參見(jiàn)圖9-12，通過(guò)在小于或等于700℃的溫度，在小于或等于1×10-5mBar的氧分壓下，同時(shí)或交替地提供堿土金屬氧化物、氧和過(guò)渡金屬例如鈦，可以在界面14的表面20或堿土金屬氮化物層22的表面24上形成單晶氧化物層26，例如堿土金屬鈣鈦礦。這種單晶氧化物層26的厚度例如可以是50-1000埃，并且將與底下的界面14或堿土金屬氧化物層22基本晶格匹配。應(yīng)該知道，在其他實(shí)施例中，單晶氧化物層26可以包括一層或多層。
參見(jiàn)圖13，展示了Si襯底、界面14和堿土金屬金屬氧層26的原子構(gòu)成的側(cè)視圖(在<110>方向看)。為了便于觀察，在相對(duì)尺寸上從大到小，所示構(gòu)成包含鍶原子30、硅原子32、氮原子34和鈦原子36。Si襯底10僅包含硅原子32。界面14包含金屬原子(在優(yōu)選實(shí)施例中是鍶原子30)、硅原子2和氮原子34。堿土金屬氮化物層26包含鍶原子30、氮(或者氮與氧的結(jié)合)原子34和鈦原子36。
參見(jiàn)圖14，是沿圖13的視線(xiàn)AA的界面頂視圖，展示了鍶、硅和氮原子30、32、34的配置。
參見(jiàn)圖15，是沿圖13的視線(xiàn)AA的頂視圖，展示了Si襯底10的界面14和頂原子層11。
對(duì)于此詳述，單層等于6.8×1014個(gè)原子/cm2，原子層是一個(gè)原子厚?？梢?jiàn)圖中所示界面14包括單原子層，但是會(huì)比一個(gè)原子層更多，而Si襯底10和堿土金屬金屬氮化物層可能是許多原子層。注意圖13，展示了僅有四個(gè)原子層的Si襯底10和僅有兩個(gè)原子層的堿土金屬金屬氮化物層26。界面14包含一半的堿土金屬單層和一半的硅單層、以及氮單層。在Si襯底10中每個(gè)鍶原子30與四個(gè)硅原子32基本等距相隔。界面14中的硅原子32基本位于一行，并且在堿土金屬原子之間在<110>方向基本等距相隔。在Si襯底10的原子頂層中的每個(gè)硅原子32與界面14中的氮原子34鍵合，界面14中的每個(gè)硅原子32與界面14中的兩個(gè)氮原子34鍵合。界面14的氮原子在此界面結(jié)構(gòu)中滿(mǎn)足三點(diǎn)鍵合配位，這就極大地降低了界面層14的總能量，于是提高了其穩(wěn)定性。界面14包括在Si襯底10表面上按2×1構(gòu)型的、在<110>方向的1x和在<110>方向的2x的鍶、硅和氮原子30、32、34的行。
以上說(shuō)明了具有硅10的結(jié)晶薄界面14。界面14可以包括單原子層。通過(guò)使界面14較薄而實(shí)現(xiàn)了較好的晶體管應(yīng)用，沒(méi)有犧牲覆蓋氧化物層與Si襯底10的電耦合，界面14更加穩(wěn)定，因?yàn)樵谔幚磉^(guò)程中原子更易于保持其結(jié)晶性。這種堿土金屬-Si-氮基界面也可以用做對(duì)氧和其他可能的元素的擴(kuò)散阻擋層。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于包括硅襯底(10)；一層或多層單晶材料(26)；和該硅襯底與該一層或多層單晶材料之間的界面(14)，所述界面的特征在于與硅晶格常數(shù)匹配的結(jié)晶材料的原子層，所述結(jié)晶材料的特征在于硅、氮和金屬。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，該結(jié)晶材料還包括氧。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述一層或多層單晶材料包括與界面相鄰形成的氮化物層，氮化物層(16)具有與界面中的金屬原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的第一氮原子，并且具有與界面中的硅原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的第二氮原子。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述一層或多層單晶材料包括與界面相鄰形成的氧化物層，氧化物層具有與界面中的金屬原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的第一氧原子，并且具有與界面中的硅原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的第二氧原子。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述一層或多層單晶材料包括與界面相鄰形成的氧和氮的混合物，所述混合物具有與界面中的金屬原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的第一氮原子或第一氧原子，并且具有與界面中的硅原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的第二氮原子或第二氧原子。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面的原子層具有的結(jié)構(gòu)包含金屬原子、硅原子和X原子，從大到小的相對(duì)尺寸如圖所示，其中X是氮原子或者氮與氧原子組合中的一種
7．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面以及與界面相鄰的硅襯底的原子層具有的結(jié)構(gòu)包含金屬原子、硅原子和X原子，從大到小的相對(duì)尺寸如圖所示，其中X是氮原子或者氮與氧原子組合中的一種
8．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，金屬是堿土金屬。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，堿土金屬選自鋇和鍶構(gòu)成的組。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面的原子層包括一半的堿土金屬單層；一半的硅單層；和一層氮單層或氮和氧的組合單層。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，硅襯底包括與界面相鄰的硅原子層，界面的原子層中的堿土金屬的每個(gè)原子與硅襯底中的四個(gè)硅原子基本等距相隔。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面包含硅襯底(001)晶面上的2×1構(gòu)型、在<110>方向的1x和在<110>方向的2x的原子行。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面中的硅原子基本位于一行，并且在堿土金屬原子之間在<110>方向基本等距相隔。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，結(jié)晶材料還包括氧，與界面相鄰的硅襯底中的原子層的每個(gè)硅原子，與界面中的氮或氧原子鍵合，界面中的每個(gè)硅原子與界面中的兩個(gè)原子鍵合，所述兩個(gè)原子是兩個(gè)氮原子、兩個(gè)氧原子或一個(gè)氮原子中的一個(gè)原子和一個(gè)氧原子。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面具有2×1的重構(gòu)。
16．一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于包括具有表面的硅襯底(10)；材料(26)；和特征在于MSiN2的層(14)，在硅襯底表面與所述材料之間形成界面，其中M是金屬。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述層是單原子層。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬包括堿土金屬。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述堿土金屬選自鋇和鍶構(gòu)成的組。
20．根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述材料包括與界面相鄰形成的氮化物層(16)，氮化物層具有與界面中的金屬原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的氮原子，并且具有與界面中的硅原子相鄰并且在<001>方向?qū)?zhǔn)的氮原子。
21．根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面的原子層具有的結(jié)構(gòu)包含金屬原子、硅原子和氮原子，相對(duì)尺寸從大到小
22．根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，界面的原子層和與界面相鄰的硅襯底的原子層具有的結(jié)構(gòu)包含金屬原子、硅原子和氮原子，相對(duì)尺寸從大到小
全文摘要
一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括硅襯底(10),一層或多層單晶氧化物或氮化物(26),和硅襯底與一層或多層單晶氧化物或氮化物之間的界面(14),界面由與硅的晶格常數(shù)匹配的結(jié)晶材料制成。界面包括硅、氮和MSiN
文檔編號(hào)H01L21/318GK1306299SQ0013507
公開(kāi)日2001年8月1日 申請(qǐng)日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者俞志毅, 王軍, 拉文德拉納特·德魯帕德, 亞歷山大·德姆多夫, 杰拉爾德·阿蘭·哈爾馬克, 加邁爾·拉姆達(dá)尼 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司