制作包含与硅的金属氧化物界面的半导体结构的方法
专利汇可以提供制作包含与硅的金属氧化物界面的半导体结构的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于制作 半导体 结构的方法包括提供具有上表面(12)的 硅 衬底(10)的步骤；在硅衬底(10)的上表面上形成无定形 二 氧 化硅 (14)的步骤；在无定形 二氧化硅 (14)上形成金属氧化物(18)的步骤；对半导体结构加热而形成特点在于邻接硅衬底(10)的上表面(12)的籽晶层(20)界面的步骤；和在籽晶层(20)上形成一层或多层高 介电常数 氧化物层(22)的步骤。，下面是制作包含与硅的金属氧化物界面的半导体结构的方法专利的具体信息内容。
1.制作半导体结构的方法，特征在于包括下列步骤：
提供具有上表面(12)的硅衬底(10)；
在硅衬底的所述上表面上形成一种包括硅酸盐晶体材料的籽晶 层(20)；和
在籽晶层上形成一层或多层高介电常数氧化物层(22)。
2.根据权利要求1的制作半导体结构的方法，其中形成籽晶层 步骤包括形成2×1重构，在<110>方向为1X，在<110>的正交方向为 2X。
3.根据权利要求1的制作半导体结构的方法，其中形成籽晶层 步骤包括在超高真空环境中形成籽晶层。
4.根据权利要求1的制作半导体结构的方法，其中形成籽晶层 步骤包括在化学汽相沉积系统中形成籽晶层。
5.根据权利要求1的制作半导体结构的方法，其中形成籽晶层 步骤包括在物理汽相沉积系统中形成籽晶层。
6.根据权利要求1的制作半导体结构的方法，其中形成籽晶层 的步骤包括形成至少一层硅、氧和金属的单层。
7.根据权利要求6的制作半导体结构的方法，其中所述金属是 从锶、钡、钙、锆和铪的组中选择的。
8.根据权利要求1的制作半导体结构的方法，其中形成籽晶层 的步骤进一步包括下列步骤：
形成具有上表面的氧化硅层(14)；
在氧化硅层的上表面上沉积金属氧化物(18)；和
对氧化硅层和金属氧化物加热而形成硅酸盐晶体材料籽晶层 (20)。
本发明一般地涉及制作在硅衬底和金属氧化物之间含有晶体金 属氧化物界面的半导体结构的方法，而更详细地涉及制作含有籽晶层 和高介电常数氧化物的界面的方法。
对于为许多器件所用的在硅上后续外延生长的单晶薄膜，例如用 于非易失高密度存储器的铁电体或高介电常数氧化物，和下一步的形 成器件而言，最希望的是有序而又稳定的硅(Si)表面。在Si表面上 形成有序的过渡层，尤其对单晶氧化物例如钙钛矿的后续生长来说是 关键性的。
一些报导的像BaO和BaTiO3之类这些氧化物在Si(100)上的 生长是以用分子束外延在温度大于850℃时在硅(100)上沉积四分之 一Ba的单原子层的BaSi2(立方)模板为基础。例如见：R.Mckee 等人，应用物理通讯(Appl.Phys.Lett.)59(7)，782-784页(1991. 8.12)；R.McKee等人，应用物理通讯，63(20)，2818-2820页(1993， 11.15)；R.McKee等人，材料研究协会专题会议论文集(Mat.Res.Soc. Symp.Proc.)，21卷，131-135页(1991)；美国专利No.5,225,031， 1993，7，6颁布，授于名称“用作在硅衬底上外延沉积氧化物的工艺 方法和用这种工艺方法制备的结构”(“PROCESS FOR DEPOSITING AN OXIDE EPITAXIALLY ONTO A SILICON SUBSTRATE AND STRUCTURES PREPARED WITH THE PROCESS”)；以及美国专利 No.5,482,003，1996.1.9颁布，授于名称“用作在衬底上外延沉积碱 金属氧化物的工艺方法和用这种工艺方法制备的结构”(“PROCESS FOR DEPOSITING EPITAXIAL ALKALINE EARTH OXIDE ONTO A SUBSTRATE AND STRUCTURES PREPARED WITH THE PROCESS”)。推荐一种具有2C(4X2)结构型式的硅化锶(SrSi2) 界面。例如见：R.McKee等人，物理评论通讯(Plys.Rev.Lett.)，81 (14)，3014页(1998.10.5)。然而，这种推荐的结构的原子能级模 拟表明在升高温时多半是不稳定的。
采用SrO过渡层在硅(100)上进行SrTiO3的生长。例如见： B.K.Moon等人，日本应用物理杂志(Jpn.J.Appl.Phys.)，37卷 (1998)，4454-4459页。然而，SrO过渡层是厚的(100)，因而限 制在薄膜晶体管方面的应用，并且在整个生长过程没有保持晶体性。
此外，利用厚的SrO或TiOx氧化物层(60-120)在硅上生长 SrTiO3。例如见：B.K.Moon等人，日本应用物理杂志，33卷(1994)， 1472-1477页。这些厚的过渡层会限制在晶体管方面的应用。
所以，需要一种用于制作、薄的、稳定的与硅的晶体硅酸盐界面 的方法。
用包括提供具有上表面的硅衬底的步骤、在硅衬底的上表面上形 成包括硅酸盐晶体材料的籽晶层的步骤和在籽晶层上形成一层或多层 的高介电常数氧化物层的步骤的制作半导体结构的方法至少部分地解 决上述的问题和其他问题而实现上述的目的和其他的目的。
附图的简略描述：
图1表示在其上具有根据本发明形成的许多氧化物层的干净的半 导体衬底的横截面图；
图2表示具有根据本发明由晶体硅酸盐层组成的界面籽晶层的半 导体衬底的横截面图；和
图3表示根据本发明在图2表示的结构上形成的高介电常数金属 氧化物层的横截面图。
最佳实施例的详细描述。
上述的公开内容揭示了一种制作与硅衬底具有界面的高介电常 数(高-K)金属氧化物的方法。工艺方法基于像氧化锶(SrO)、氧 化钡(BaO)、氧化钙(CaO)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO2)或 诸如此类的金属氧化物与SiO2的固态反应，以形成对碱土金属氧化物 层的后续生长必需的稳定的硅酸盐籽晶层。因此，公开了一种生长像 SrTiO3、BaTiO3、SrBaTiO3、CaTiO3或诸如此类的钙钛矿氧化物的 新方法。
为了形成硅(Si)衬底和一层或多层高介电常数(高-K)金属 氧化物层之间的新型界面，可以采用各种各样的方法途径。将提供关 于开始时在表面上具有二氧化硅(SiO2)的Si衬底的几个例子。或是 通过采用热技术，或是通过采用化学方法露出像天然氧化物一样形成 的二氧化硅。SiO2是无定形的而不是单晶体并且为了在衬底上生长另 外的单晶材料希望提供单晶氧化物层作为界面。
现在参阅附图，遍及所有附图用相同的数词表示一样的元件，图 1表示具有表面12的Si衬底10和在表面12上的SiO2层14。在上述 的具体实施例中一旦硅衬底10暴露于空气(氧)就自然而然地出现 SiO2(天然氧化物)层14。另一方面，可以用技术上众所周知的控制 方法例如用热技术通过在高温时把氧加于表面12或者用化学方法采 用标准的化学蚀刻工艺方法特意形成SiO2层14。形成具有在5-100 厚的范围内的厚度而更具体是具有在10-25范围内的厚度的薄层 14。
通过在0-900℃时把像SrO、BaO或诸如此类的无定形金属氧 化物18沉积到SiO2层14的表面16，形成新型的籽晶层。更准确地说， 使硅衬底10和无定形SiO2层14加热到SiO2层14的升华温度以下的 温度(一般在900℃以下)。这能够在分子束外延室中或者在隋性气体 保护条件下的化学或物理汽相沉积室中完成。
只要适当地使衬底10加热并且使在衬底10上具有SiO2层的衬底 10表面12在O2压力等于或小于1×10-4毫巴的氧气氛中暴露于像锶 (Sr)、钡(Ba)、钙(Ca)、锆(Zr)、铪(Hf)或诸如此类金属18 的原子束之下就如图1所示那样在SiO2氧化物上形成无定形氧化物。 在最佳实施例中，由耐热喷射室或从电子束蒸发源产生的原子束是Ba或Sr。在具体的例子中，使衬底10和SiO2层14暴露于Sr原子束和 氧O2下。SrO加入SiO2并把SiO2层14转变成如图2所示的由SrSiO4或SrSiO3或者诸如此类组成的成晶体形式的籽晶层20。
这样的步骤为在硅衬底上稳定的硅酸盐的形成，尤其是为籽晶层 的形成提供保证。金属氧化物层20的厚度与SiO2氧化物层14的厚度 大致相同，更准确地说是在5-100的范围内，就最佳厚度来说是在 10-25的范围内。硅酸盐层是晶体而有序的显示2×1重构。
在这样的具体实施例中，对薄层14的表面16施加Sr和氧而后 续的加热引起化学反应，生成用作晶粒层20的SrSiO3或SrSiO4或诸 如此类的硅酸盐。在制作期间，采用在技术上很好记录并能够现场， 也就是在生长室里进行受粒子束作用的步骤时使用的反射高能电子衍 射(RHEED)技术来监控生长。RHEED技术被用来探测或判断表面 晶体结构并且在正在进行的工艺过程中RHEED技术迅速转成 SrSiO4、SrSiO3或诸如此类的少量原子层的形成时的强而清晰的条纹。 只要提供明确的制作工艺过程并被采纳就可以不必对每一片衬底实施 RHEED技术，这当然是不言而喻的。另一方面，采用任一种用现场 技术监控表面的像反射差光谱测定技术、用分光镜的椭圆偏振光技术 或诸如此类的表面敏感技术执行晶体结构的监控。
精通技术的人应该明白，对于所描述的具体实施例而言，推荐了 对这些工艺过程指定的温度和压力，然而本发明不局限于具体的温度 范围或压力范围。正如启示的那样，籽晶层20包括在硅衬底10的(001) 晶面上成2×1排列、在<110>晶向上成1×排列和在与<110>晶向垂直 的方向上成2×排列的成行的锶原子、硅原和氧原子。
参阅图3，通过在小于或等于800℃时，更详细地说温度在350 -650℃的范围时并在小于或等于1×10-4毫巴的O2分压下或是同时或 是交替向由晶体硅酸盐组成的籽晶层20的表面21加料，可以完成高 介电常数氧化物层22的结构。
通过在小于或等于800℃时在小于或等于1×10-4毫巴的氧分压下 或是同时或是交替加碱金属(Sr、Ba等)、氧和像钛之类的过渡金属， 在籽晶层20的表面21上形成单晶体高介电常数氧化物层22，更详细 地说是钙钛矿层。这样的单晶体氧化物层22例如可以有50-1000 的厚度并且基本上会与下面的籽晶层20晶格匹配。
因此，如本文所述，公开了用于制作薄的具有硅的晶体籽晶层20 的方法。界面，或籽晶层20可以包括单原子层。上述的形成硅酸盐层 的真正意义是在其上后续生长钙钛矿薄膜所必需的。通过减薄界面， 因为不损害在上面的高介电常数氧化物层的电耦合作用，并且由于在 工艺处理中原子将更可能保持其晶体性因此籽晶层20更稳定，所以获 得更好使用的晶体管。
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