具有稀土氧化物的半导体结构制造技术

本发明专利技术提出一种具有稀土氧化物的半导体结构，包括：半导体衬底；和形成在半导体衬底上的交替堆叠的多层绝缘氧化物层和多层单晶半导体层，其中，与半导体衬底接触的绝缘氧化物层的材料为稀土氧化物或者二氧化硅，其余的绝缘氧化物层的材料为单晶稀土氧化物。根据本发明专利技术实施例的半导体结构，通过绝缘氧化物层和单晶半导体层之间的晶格匹配，可以显著降低半导体结构的晶体缺陷，从而有利于在该半导体结构上进一步形成高性能、高密度的三维半导体器件，大幅度提高器件的集成密度，同时也可以实现不同器件的三维集成。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体领域，特别涉及一种具有稀土氧化物的半导体结构。
技术介绍
在半导体领域，为了获得高集成度的芯片，采用三维结构是发展方向之一。例如，具有多层堆叠结构的存储器芯片是目前高密度存储技术的重要技术趋势。为了制备多层堆叠的器件结构，方法之一是首先制备多层绝缘介质层和多层单晶半导体层交替堆叠的半导体结构，再在其中的单晶半导体层制备器件。然而，具有多层绝缘介质层和多层单晶半导体层交替堆叠结构的半导体结构的制备技术多年来一直没有明显进展。这主要是因为常见的单晶半导体材料与常见的绝缘介质材料之间难以形成合适的晶格匹配。形成单晶半导体薄膜的常用方法是外延，为了在绝缘介质材料上通过外延生长高质量的单晶半导体薄膜，绝缘介质材料不但要具有单晶结构，还要与半导体薄膜之间具有良好的晶格匹配。以目前最 常用的单晶硅半导体材料为例，目前熟知的绝缘介质材料大多具有无定形结构或者其晶体的晶格常数与硅差异很大。例如，常见的绝缘介质材料如Si02、Si3N4、Hf02、Zr02、Al203等可以形成为单晶，但与硅单晶的晶格常数相差巨大，在这类单晶介质层上外延生长硅薄膜将会产生非常多的缺陷，甚至无法外延生长出单晶硅薄膜，从而导致在这样的半导体薄膜上制备出来的器件无法使用。另一方面，随着半导体器件的集成密度的提高，散热将会是一个严峻问题，尤其是三维逻辑器件对散热的要求非常高，要求填充在器件之间的隔离介质的热导率越大越好，从而可以改善器件尤其是逻辑器件的性能。但是传统的二氧化硅或者氮氧化硅等绝缘介质的导热性能很差，不能满足高密度半导体逻辑器件的散热要求。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提供一种具有多层绝缘介质层和多层单晶半导体层交替堆叠的半导体材料结构，具有较低的晶体缺陷密度和较大的隔离介质热导率，用于制备高性能、高密度的三维半导体器件，同时充分满足高密度半导体器件的散热要求。为达到上述目的，本专利技术提供一种具有稀土氧化物的半导体结构，包括半导体衬底；和形成在所述半导体衬底上的交替堆叠的多层绝缘氧化物层和多层单晶半导体层，其中，与所述半导体衬底接触的所述绝缘氧化物层的材料为稀土氧化物或者二氧化硅，其余的所述绝缘氧化物层的材料为单晶稀土氧化物。在本专利技术的一个实施例中，所述半导体衬底的材料包括单晶Si、单晶SiGe、单晶Ge。在本专利技术的一个实施例中，每层所述绝缘氧化物层的厚度不小于50nm。在本专利技术的一个实施例中，所述绝缘氧化物层的材料包括(GdhErx) 203、(GdhNdx)2O^ (EivxNdx)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx)2O3' (Er1^xLax) 203 中的一种或多种的组合，其中X的取值范围为0-1。稀土元素中，锕(Ac)系元素大部分具有放射性，因此，常用的稀土氧化物以镧(La)系稀土的氧化物为主。稀土氧化物晶体与常见的半导体材料如Si、Ge、SiGe、GaAs等同为立方晶系，同时,镧(La)系稀土的氧化物晶体如La203、Pr203、Nd203> Er2O3, Gd2O3等的晶格常数相差不大，其晶格常数大约为Si和Ge晶体的两倍，即一个稀土氧化物晶体单胞正好与两个Si和Ge晶体的单胞相匹配，即其晶格常数是基本匹配的，有利于在稀土氧化物上外延形成半导体薄膜，也有利于在半导体薄膜上外延形成稀土氧化物单晶薄膜。在本专利技术的一个实施例中，所述单晶半导体层的材料包括Si、Ge、SiGe、III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体中的任意一种或多种的组合。在本专利技术的一个实施例中，每层所述单晶半导体层包括一层或多层结构。在本专利技术的一个实施例中，每层所述绝缘氧化物层包括一层或多层结构。在本专利技术的一个实施例中，至少一层所述单晶半导体层的材料与其他所述单晶半导体层不同。 在本专利技术的一个实施例中，至少一层所述绝缘氧化物层的材料与其他所述绝缘氧化物层不同。在本专利技术的一个实施例中，所述单晶半导体层具有应变。在本专利技术的一个实施例中，至少一层所述单晶半导体层具有与其他所述单晶半导体层不同的应变度。在本专利技术的一个实施例中，至少一层所述单晶半导体层具有与其他所述单晶半导体层不同的应变类型。在本专利技术的一个实施例中，所述半导体衬底的晶面指数包括(100 )、( 110 )、( 111)。在本专利技术的一个实施例中，所述半导体衬底的晶面指数为(100)，所述单晶半导体层的晶面指数为(110)。在本专利技术的一个实施例中，所述绝缘氧化物层和所述单晶半导体层均通过外延生长形成。根据本专利技术实施例的具有稀土氧化物的半导体结构，至少具有以下优点(I)本专利技术提供一种交替堆叠的多层绝缘氧化物层和多层单晶半导体层结构，可以用于制备高密度的三维器件，大幅度提高器件的集成密度，同时也可以实现不同器件的三维集成；(2)通过半导体薄膜和稀土氧化物交替外延，形成交替堆叠的多层绝缘氧化物层和多层单晶半导体层，由于单晶稀土氧化物与单晶半导体的晶格常数相匹配，故可以显著降低半导体结构中的晶体缺陷，从而有利于在该半导体结构上进一步形成高性能的半导体器件；(3)可通过控制稀土氧化物的组分来控制其晶格常数。例如，La2O3的晶格常数比Ge的两倍略大，而Er203、Gd2O3比Si的两倍略小，Pr203、Nd2O3介于Si和Ge的两倍之间，通过调整稀土氧化物中La、Er等稀土元素的含量，可以使其晶格常数比Si、Ge、SiGe、GaAs等半导体晶体的晶格常数的两倍略大、略小或者相等，从而可以控制在单晶稀土氧化物上外延的单晶半导体薄膜的应变类型和应变度，即可以在稀土氧化物上外延生长形成具有张应变或压应变的，且具有不同应变度的单晶半导体薄膜；(4)单晶稀土氧化物的热导率较之传统的二氧化硅或者氮氧化硅等氧化物高，单晶稀土氧化物的热导率为热生长SiO2介质的3倍以上，从而可以显著地改善器件之间的散热问题，改善器件的性能；(5)尽管稀土氧化物的介电常数比二氧化硅高，单晶稀土氧化物具有良好的绝缘性能，可以作为两层半导体器件之间的绝缘介质。当作为器件层之间的绝缘介质时，可以采用较厚的稀土氧化物层，来消除其高介电常数的影响；(6)该半导体结构的制备工艺可以采用常见的外延工艺，如金属有机化学气相沉积(M0CVD)、固相源外延(SSE)、超高真空化学气相淀积(UHVCVD)、分子束外延(MBE)等，这些制备工艺与传统的半导体制备工艺相兼容，简单易实现，成本低。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。 附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为本专利技术一个实施例的具有稀土氧化物的半导体结构的示意图；图2为本专利技术另一个实施例的具有稀土氧化物的半导体结构的示意图；和图3为本专利技术另一个实施例的具有稀土氧化物的半导体结构的示意图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有稀土氧化物的半导体结构，包括：半导体衬底；和形成在所述半导体衬底上的交替堆叠的多层绝缘氧化物层和多层单晶半导体层,其中，与所述半导体衬底接触的所述绝缘氧化物层的材料为稀土氧化物或者二氧化硅，其余的所述绝缘氧化物层的材料为单晶稀土氧化物。

【技术特征摘要】
1.一种具有稀土氧化物的半导体结构，包括 半导体衬底；和 形成在所述半导体衬底上的交替堆叠的多层绝缘氧化物层和多层单晶半导体层，其中，与所述半导体衬底接触的所述绝缘氧化物层的材料为稀土氧化物或者二氧化硅，其余的所述绝缘氧化物层 的材料为单晶稀土氧化物。2.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体衬底的材料包括单晶Si、单晶SiGe、单晶Ge。3.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，每层所述绝缘氧化物层的厚度不小于 50nmo4.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述绝缘氧化物层的材料包括(GdhErx)2O3' (GdhNdx)2O3' (EivxNdx)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx)2O3'(Er1^xLax)2O3中的一种或多种的组合，其中x的取值范围为0_1。5.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述单晶半导体层的材料包括Si、Ge、SiGe、III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体中的任意一种或多种的组合。6.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，每...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敬，梁仁荣，郭磊，许军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：