其上具有半导体器件的单晶氧化物的生长方法技术

在例如硅晶片的单晶衬底（７２）上生长高品质单晶金属氧化物层（７４）。在足够低以防止硅衬底的有害的并同时存在的氧化的温度下，在硅衬底上生长单晶金属氧化物。在生长一层１－３单原子层的单晶氧化物之后，停止生长并且通过较高温度退火提高该层的结晶品质。退火之后，通过重新开始低温生长可以增加层的厚度。在单晶氧化物的厚度达到几个单原子层之后，可以在单晶金属氧化物层和硅衬底之间的界面处生长非晶氧化硅层（７８）。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及半导体结构和器件以及它们的制造方法，更具体地涉及半导体结构和器件以及含有由半导体材料、化合物半导体材料、和/或例如金属和非金属的其它类型的材料构成的单晶材料层的半导体结构、器件和集成电路的制造和使用，还更具体地涉及用于在单晶衬底上生长单晶氧化物层的方法以及用于制造含有这种氧化物层的半导体结构和器件的方法。
技术介绍
半导体器件常常包括多层导电、绝缘和半导体层。常常用层的可结晶性提供这类层的理想特性。例如，随着层的可结晶性增长，提高了半导体层的电子迁移率和能带隙。类似地，随着这些层的可结晶性增长，提高了导电层的自由电子浓度以及绝缘或电介质模的电子电荷位移和电子能量可复性。多年以来，人们尝试在例如硅(Si)的异质衬底上生长各种单片薄膜。为了取得各种单片层的最佳特性，无论如何，高结晶品质的单晶膜是理想的。例如，已尝试在例如锗、硅的衬底和各种绝缘体上生长各种单晶层。因为，主晶和生长晶体之间的晶格失配以使单晶材料的最终层是低品质的，所以这些尝试一般是不成功的。如果低成本的高品质单晶材料的大面积薄膜是可利用的，那么与用单晶材料的大块晶片开始制造这种器件或在相同材料的大块晶片上的这种材料的外延膜中制造这种器件的成本相比，以低成本在该膜中或使用该膜能有利地制造各种半导体器件。此外，如果能用例如硅晶片的大块晶片开始实现高品质单晶材料的薄膜，可以利用硅和高品质单晶材料两者的最佳特性得到集成器件结构。因此，存在用于在另一单晶材料上提供高品质单晶膜或层的半导体结构以及用于制作这种结构的工艺的需要。而且，存在用于制造在另一单晶材料上方提供高品质单晶膜或层的异质半导体结构的方法的需要。换句话说，存在用于提供适应高品质单晶材料层的单晶衬底的形成的需要，使得能够得到用于高品质半导体结构、器件和集成电路的形成、尤其用于在单晶衬底上面高品质异质外延单晶氧化物层的形成的可靠二维生长，半导体结构、器件和集成电路具有与下层衬底相同的晶体取向。此外，存在用于制造半导体结构的方法的需要，该半导体结构依序具有在堆叠在单晶衬底上的单晶氧化物膜上面的任意的半导体、化合物半导体、绝缘的或金属化的生长单晶膜。为了取得这些需要，还存在一种用于在单晶半导体衬底上生长高结晶品质的单晶氧化物的方法的需要。附图说明本专利技术用例子来举例说明而不局限于附图，其中相同的参考数字指示相同的部件，其中图1-4示意地示例出根据本专利技术的各种实施例的器件结构的截面图；图5用图表示例了最多可得到的膜厚度与主晶和生长晶体覆层之间的晶格失配之间的关系；图6示例了含有单晶调节(accommodating)缓冲层的结构的高清晰度透射电子显微图(TEM)；图7示例了含有单晶调节缓冲层的结构的x-射线衍射频谱；图8示例了含有非晶氧化物层的结构的高清晰度透射电子显微图；图9示例了含有非晶氧化物层的结构的x-射线衍射频谱； 图10-13示意地示例出根据本专利技术的另一个实施例的形成器件结构的截面图；图14示意地示例出根据本专利技术的又一个实施例的形成器件结构的截面图。有经验的技术人员应明白，示例图中的部件为便于简化和清楚而不必按规定比例描绘。例如，可以相对于其它部件夸大图中某些部件的尺寸，以有助于提高本专利技术的实施例的理解。具体实施例方式图1示意地示例出根据本专利技术一个实施例的半导体结构20的一部分的截面图。半导体结构20包括单晶衬底22、由单晶材料构成的调节缓冲层24、以及单晶材料层26。在本文中，术语“单晶”可以具有在半导体产业内通常使用的含义。该术语可以指单晶体或基本为单晶体的材料，并且可以包括具有例如位错和在硅或锗或硅和锗的混合物的衬底中通常发现的之类的相对少量缺陷的那些材料、以及在半导体工业中通常得到的这类材料的外延层。根据本专利技术的一个实施例，结构20还包括位于衬底22和调节缓冲层24之间的非晶中间层28。结构20还可以包括调节缓冲层24和单晶材料层26之间的模板层30。如下面所更加充分说明地，模板层有助于促进调节缓冲层上的单晶材料层的生长。非晶中间层有助于减缓调节缓冲层中的应力，并且这样做时帮助了高结晶品质的调节缓冲层的生长。根据本专利技术的一个实施例，衬底22是优选为大直径的单晶半导体或化合物半导体晶片。例如，晶片可以为元素周期表中IV族的材料。IV族半导体材料的例子包括硅、锗、混合的硅和锗、混合的硅和碳、混合的硅、锗和碳，等等。优选衬底22为含有硅或锗的晶片，最优选为如在半导体工业中所利用的高品质单晶硅晶片。衬底22还可以包括外延层(未示出)以利于制造半导体器件，如下面将更充分说明的。调节缓冲层24优选为在下层衬底上外延生长的单晶氧化物或氮化物材料。根据本专利技术的一个实施例，在层24生长期间通过氧化衬底22，在衬底22和生长的调节缓冲层之间的界面处衬底22上生长非晶中间层28。非晶中间层用于减缓应力，该应力由于在衬底和缓冲层的晶格常数上的差异的结果可另外出现在单晶调节缓冲层中。如此处所用的，晶格常数是指在表面的平面内所测量的晶格的原子之间的距离。如果不用非晶中间层减缓这种应力，应力可以在调节缓冲层的晶体结构中产生缺陷。调节缓冲层的晶体结构中的缺陷将很难在单晶材料层26中得到高品质晶体结构，单晶材料层26可以包括半导体材料、化合物半导体材料、单晶氧化物、或例如金属或非金属的其他类型的材料。优选调节缓冲层24为选择用于与下层衬底和与上层材料层的结晶匹配的单晶氧化物或氮化物材料。例如，该材料可以为具有与衬底和与随后涂敷的单晶材料层极其匹配的晶格结构的氧化物或氮化物。适合于调节缓冲层的材料包括金属氧化物、例如碱土金属/过渡金属氧化物、例如钛酸碱土金属、锆酸碱土金属、铪酸碱土金属、钽酸碱土金属、钌酸碱土金属、铌酸碱土金属、钒酸碱土金属、锡基钙钛矿碱土金属、铝酸镧、氧化镧钪、氧化钆、其它钙钛矿氧化物材料、以及其它单晶金属氧化物。另外，各种氮化物还可以用于调节缓冲层，例如氮化锗、氮化铝和氮化硼。尽管例如钌酸锶为导体，但这些材料中的大部分为绝缘体。通常，这些材料为金属氧化物或金属氮化物，并且更具体地，这些金属氧化物或氮化物一般而非必须而言包括至少两种不同的金属元素。在一些具体的应用中，金属氧化物或氮化物可以包括至少三种不同的金属元素。非晶中间层28优选为通过氧化衬底22的表面形成氧化物，更优选由氧化硅构成。层28的厚度足以减缓由衬底22和调节缓冲层24的晶格常数之间的失配引起的应力。通常，层28具有大约0.5-5纳米(nm)范围内的厚度。如下面将更充分说明的，在特定的应用中，应使非晶层的厚度最少，尤其是在单晶缓冲层生长的最初阶段。如必要的话，为了具体的结构或应用可以选择用于单晶材料层26的材料。例如，层26的单晶材料可以包括化合物半导体，如用于具体的半导体结构所需要的，可以从任何IIIA和VA族元素(III-V半导体化合物)、混合的III-V化合物、II(A或B)和VIA族元素(II-VI半导体化合物)、混合的II-VI化合物、IV和VI族元素(IV-VI半导体化合物)、混合的IV-VI化合物、IV族元素(IV族半导体)、以及混合的IV族化合物中来选择。这些例子包括砷化镓(GaAs)、镓铟砷(GaInAs)、镓铝砷(GaAlAs)、磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)、碲镉汞(CdH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在单晶衬底上生长单晶氧化物层的方法，包括如下步骤：在反应室内放置具有表面的单晶衬底；除去可以出现在衬底表面上的任意氧化物；加热衬底到第一温度；引入氧气到反应室以确立反应室中氧气的第一局部压力，其中所述 第一温度和所述第一局部压力的所选择的组合使得衬底将基本不与氧反应；引入至少一种反应物到反应室并使至少一种反应物与氧气反应以形成第一层氧化物；停止引入所述至少一种反应物到反应室；降低反应室内的氧气的局部压力到小于氧气的 第一局部压力的氧气的第二局部压力；以及加热衬底到大于第一温度的第二温度，其中第二温度足够高以提高第一层的结晶品质，并且第二温度不足以高到引起衬底与第一层反应。

【技术特征摘要】
US 2002-5-3 10/137,3831.一种用于在单晶衬底上生长单晶氧化物层的方法，包括如下步骤在反应室内放置具有表面的单晶衬底；除去可以出现在衬底表面上的任意氧化物；加热衬底到第一温度；引入氧气到反应室以确立反应室中氧气的第一局部压力，其中所述第一温度和所述第一局部压力的所选择的组合使得衬底将基本不与氧反应；引入至少一种反应物到反应室并使至少一种反应物与氧气反应以形成第一层氧化物；停止引入所述至少一种反应物到反应室；降低反应室内的氧气的局部压力到小于氧气的第一局部压力的氧气的第二局部压力；以及加热衬底到大于第一温度的第二温度，其中第二温度足够高以提高第一层的结晶品质，并且第二温度不足以高到引起衬底与第一层反应。2.如权利要求1的方法，进一步包括如下步骤在加热衬底到第二温度的步骤之后，降低衬底的温度到小于第二温度的第三温度；引入氧气到反应室以确立反应室中氧气的第三局部压力，氧气的第三局部压力等于或大于氧气的第二局部压力；再次引入至少一种反应物到反应室中并且使至少一种反应物和氧气反应以在第一层上面形成第二层氧化物；停止再次引入所述至少一种反应物到反应室的步骤；降低反应室中的氧气的局部压力到小于或等于氧气的第三局部压力的氧气的第四局部压力；以及加热衬底到大于第三温度的第四温度，其中第四温度足够高以提高第二层的结晶品质。3.如权利要求2的方法，进一步包括如下步骤在第二层上面形成模板。4.如权利要求3的方法，进一步包括如下步骤在第二层上面形成第三单晶层。5.如权利要求4的方法，其中形成第三单晶层的步骤包括如下步骤形成半导体材料、化合物半导体材料、氧化物材料、金属或非金属材料的单晶层。6.如权利要求2的方法，进一步包括如下步骤在第二层上面形成一层栅电极材料。7.如权利要求1的方法，其中单晶衬底是单晶硅衬底。8.如权利要求7的方法，进一步包括如下步骤在加热衬底到第二温度之后，在氧环境中加热衬底以在单晶硅衬底和第一层之间形成氧化硅的非晶层。9.如权利要求7的方法，其中引入至少一种反应物的步骤包括如下步骤引入钙钛矿氧化物的组成元素。10.如权利要求7的方法，其中引入至少一种反应物的步骤包括如下步骤引入碱土金属和过渡金属到反应室。11.如权利要求10的方法，其中引入至少一种反应物的步骤包括如下步骤引入锶和钛到反应室。12.如权利要求1的方法，其中除去任意氧化物的步骤包括如下步骤在任意氧化物的上面淀积碱土金属并且使碱土金属与任意氧化物反应以减少任意氧化物。13.如权利要求12的方法，进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩，拉温德拉纳特德罗帕德，丹S马歇尔，魏义，小M胡，梁勇，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]