CN101064258B - 高取向性硅薄膜形成方法、三维半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了高取向性硅薄膜和三维半导体器件的形成方法以及三维半导体器件。形成高取向性硅薄膜的方法包含：在衬底上形成沿预定方向取向的高取向性AlN薄膜，通过氧化该高取向性AlN薄膜而在AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层，以及在该高取向性Al2O3层上生长硅薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及高取向性硅薄膜形成方法、三维半导体器件制造方法及三维半导体器件，特别涉及适用于制造具有多层结构的三维半导体器件的高取向性硅薄膜形成方法、使用该高取向性硅薄膜制造三维半导体器件的方法以及使用上述方法制造的三维半导体器件。
背景技术
随着对半导体器件高集成度需求的增加，具有多个晶体管或存储器层的三维半导体器件不断得到发展。图1为传统三维半导体器件10的截面视图。参考图1，三维半导体器件10具有如下结构，即，绝缘层12、14和16以及硅薄膜层13和15交替地堆叠在硅衬底11上。在硅衬底11和硅薄膜层13及15的上表面上形成诸如CMOS或存储器的多个薄膜晶体管TR。硅层11、13及15通过导电插塞(plug)17而相互电连接。
为了制造该三维半导体器件，堆叠在绝缘层12及14上的硅薄膜层13及15需要具有高的电荷迁移率。因此，需要将硅薄膜层13及15制造成为几乎接近单晶的高取向性硅薄膜。然而，仍未发展出在绝缘层上外延生长高取向性硅薄膜的技术。
在现有技术中，为了在绝缘层上制造具有高的电荷迁移率的硅薄膜，已经采用了下述方法：在绝缘层12及14上形成非晶硅或多晶硅之后通过激光退火技术将该硅薄膜重结晶形成单晶硅、从导电插塞17沿横向方向生长硅薄膜、或将单独生长的单晶硅薄膜结合到绝缘层12及14。然而，这些传统方法在过高的温度下进行，需要较长的加工时间，且制造成本高。另外，无法完全控制取向并产生晶界。
使用外延方法在γ(伽马)-Al2O3层上生长沿<100>方向取向的硅层的技术已经在Japan Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.831-835中被公开。图2为用于形成高取向性硅薄膜的传统结构的截面视图。根据上述文献并参考图2，当在沿<100>方向取向的硅衬底21上形成Al2O3层22时，Al2O3层22变为沿<100>方向的γ-Al2O3。当在γ-Al2O3层22上进一步外延生长硅层23时，硅层23沿<100>方向取向。如图2所示，可重复地堆叠γ-Al2O3层22和24以及(100)硅层23和25。这之所以可能，因为γ-Al2O3晶体和(100)硅晶体之间的晶格失配仅为2.4至3.5％。
然而，在现有技术中，要求硅衬底21已经沿<100>方向取向。因此，在图1所示三维半导体器件中难以使用该传统技术在绝缘层上形成硅薄膜。
发明内容
本发明提供了形成高取向性硅薄膜的方法，该方法可以在低温下进行，与传统半导体制造工艺兼容，并可有效地控制硅薄膜的取向。
本发明还提供了使用高取向性硅薄膜制造三维半导体器件的方法以及使用上述方法制造的三维半导体器件。
根据本发明的一个方面，提供了形成高取向性硅薄膜的方法，该方法包含：在衬底上形成沿某一方向取向的高取向性AlN薄膜；通过氧化该高取向性AlN薄膜而在该AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；以及在该高取向性Al2O3层上生长硅薄膜。
该衬底可以由选自Si、SiO2、Si3N4、Al2O3以及绝缘材料构成的组的至少一种材料制成。
该高取向性AlN薄膜可以在衬底上沿c轴取向，且优选地，该高取向性AlN薄膜可以沿<002>方向取向。
可以使用溅射方法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法、物理气相沉积(PVD)方法、或化学气相沉积(CVD)方法形成该高取向性AlN薄膜。
可通过在氧气或臭氧气体气氛中热氧化该高取向性AlN薄膜而形成该高取向性Al2O3层。
该高取向性Al2O3层可以具有γ-Al2O3结构、α-Al2O3结构或包含γ-Al2O3结构与α-Al2O3结构的混合结构中的一种。
可以在500至1000℃的温度下执行该热氧化。
该高取向性Al2O3层可以沿<001>方向取向。
该方法可以进一步包含在形成该高取向性Al2O3层之后清洗高取向性Al2O3层表面。使用稀释HF溶液清洗该高取向性Al2O3层表面。
生长该高取向性硅薄膜可以使用超高真空化学气相沉积(UHV CVD)方法、低压化学气相沉积(LPCVD)方法或分子束外延(MBE)方法。
该高取向性硅薄膜可以沿<001>方向取向。
根据本发明另一个方面，提供了半导体器件制造方法，包含：在衬底上形成沿某一方向取向的高取向性AlN薄膜；通过氧化该高取向性AlN薄膜而在AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；在该高取向性Al2O3层上生长硅薄膜；以及在该硅薄膜上形成电子器件。
根据本发明的再一个方面，提供了三维半导体器件制造方法，包含：在形成了第一电子器件的硅衬底上形成层间绝缘层；在该层间绝缘层上形成沿预定方向取向的高取向性AlN薄膜；通过氧化该高取向性AlN薄膜而在AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；在该高取向性Al2O3层上生长高取向性硅薄膜；以及在该高取向性硅薄膜上形成第二电子器件。
该层间绝缘层可以由选自SiO2、Si3N4和Al2O3构成的组的至少一种材料制成。
该制造三维半导体器件的方法的特征在于，重复执行下述步骤：在形成了第二电子器件的高取向性硅薄膜上形成层间绝缘层；在该层间绝缘层上形成沿某一方向取向的高取向性AlN薄膜；通过氧化该高取向性AlN薄膜而在AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；在该高取向性Al2O3层上生长高取向性硅薄膜；以及在该高取向性硅薄膜上形成第三电子器件。
使用上述方法制造根据本发明的三维半导体器件。
附图说明
通过参考附图而详细地描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加清楚。
图1为传统三维半导体器件的截面视图；
图2为用于形成高取向性硅薄膜的传统结构的截面视图；
图3A至3C为阐述本发明实施例的高取向性硅薄膜形成方法的截面视图；
图4为示出了沿<200>方向取向的AlN薄膜的X射线衍射(XRD)的结果的图示；以及
图5为阐述了本发明实施例的多个高取向性硅薄膜的截面视图。
具体实施方式
现在参考附图更加全面地描述本发明，其中在附图中示出了本发明的示例实施例。
在已经沿预定方向取向的硅层上形成高取向性Al2O3层之后，在该高取向性γ-Al2O3层上通过外延生长硅而形成高取向性硅薄膜的技术在本领域中是公知的。然而，仍未发展出在绝缘层上外延生长高取向性硅薄膜的技术。本发明提供了通过在绝缘层上形成由氮化铝(AlN)制成的缓冲层而形成高取向性硅薄膜的方法。
图3A至3C为阐述本发明实施例的高取向性硅薄膜形成方法的截面视图。
参考图3A，在硅衬底31上形成用作绝缘层的SiO2层32，在该SiO2层32上形成沿预定方向取向的高取向性AlN薄膜33。硅衬底31及SiO2层32在此被描述成可对应于图1的三维半导体器件的硅衬底11和绝缘层12。然而，仅在形成AlN薄膜33时，没有硅衬底31的SiO2层32才能用作衬底。另外，除了SiO2之外还可以使用Si3N4或Al2O3作为绝缘层32，或者上述这些材料中的至少一种可以用作绝缘层32。即使衬底31是由除硅之外的另外的半导体材料或者绝缘材料制成，这并不影响AlN薄膜33的形成。
根据本发明实施例，可使用例如溅射方法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法、物理气相沉积(PVD)方法或化学气相沉积(CVD)方法形成AlN薄膜33。已经确认，使用上述方法在SiO2或Si3N4上形成的AlN薄膜33非常均匀地沿垂直于衬底31上表面的方向取向，即沿c轴取向。
图4为示出了使用上述方法形成的AlN薄膜的X射线衍射(XRD)的结果的图示。图4的AlN薄膜是在下述条件下形成的：在室温下使用溅射方法，分别以39sccm和6sccm的流速提供氮气和氩气，电源约为7000W交流电源。如图4所示，由于AlN薄膜33沿c轴取向，因此显示出沿<002>和<004>方向的峰。具体地，沿<002>方向出现强峰。这表明几乎所有AlN薄膜33是沿<002>方向取向。
AlN薄膜33的厚度没有具体限制，该薄膜尽可能薄从而有助于制造三维半导体器件。然而，考虑到当AlN薄膜33厚度增加时，AlN薄膜33的取向变得更加均匀，因此AlN薄膜33的厚度可以为30至500nm。
参考图3B，通过氧化高取向性AlN薄膜33而在AlN薄膜33表面上形成高取向性γ-Al2O3层或α-Al2O3层34。例如，在500至1000℃的温度下氧气或臭氧气体气氛中通过热氧化该高取向性AlN薄膜33，可以简单地形成高取向性γ-Al2O3层或α-Al2O3层34。在此该加热温度优选地为该温度范围的高温端。在该工艺中，从AlN薄膜33的表面除去氮气，通过组合氧和铝而形成Al2O3。根据所使用的加热时间和温度，可以形成α-Al2O3层或γ-Al2O3层或包含α-Al2O3与γ-Al2O3的混合层。然而，无论形成何种前述层，都不会影响形成硅薄膜35的形成后续处理。按照这个方式形成的Al2O3为具有短程有序的晶体，并和AlN薄膜33相似地沿几乎垂直于衬底31上表面的c轴方向取向。例如，这种情形下的Al2O3为沿<001>方向取向的γ-Al2O3或α-Al2O3。
根据上述方法在高取向性AlN薄膜33上形成高取向性γ-Al2O3层或α-Al2O3层34之后，使用例如稀释HF溶液清洗该高取向性γ-Al2O3层或α-Al2O3层34的表面以除去表面上的残余杂质。
参考图3C，在高取向性γ-Al2O3层或α-Al2O3层34上形成硅薄膜35。如前所述，通过外延生长硅在高取向性γ-Al2O3层上形成高取向性硅薄膜的技术在本领域中是公知的。当在高取向性γ-Al2O3层上外延生长硅时可以形成高取向性(100)硅薄膜，因为γ-Al2O3晶体和高取向性(100)硅晶体之间的晶格失配仅为2.4至3.5％。高取向性α-Al2O3层的结晶结构比高取向性γ-Al2O3层的更稳定，并且可以实现高取向性γ-Al2O3层的功能。可以使用例如超高真空化学气相沉积(UHV CVD)方法、低压化学气相沉积(LPCVD)方法或分子束外延(MBE)方法在高取向性γ-Al2O3层或α-Al2O3层34上生长硅薄膜35。例如，在本实施例中，在550至800℃的温度、压力约为10-3torr的SiH4气体气氛中使用UHV CVD方法生长硅薄膜35。
如前所述，根据本发明实施例，通过使用AlN形成缓冲层可以在绝缘层上形成硅薄膜。因此，如果使用本发明堆叠该高取向性硅薄膜，和传统方法相比可以简单且廉价地制造三维半导体器件，其中在该三维半导体器件内堆叠了诸如薄膜晶体管或存储器的电子器件。
图5为图示了根据本发明实施例的多个高取向性硅薄膜的堆叠结构的截面视图。参考图5，在硅衬底100上形成用作层间介电(ILD)薄膜的SiO2层111，并在该SiO2层111上依次堆叠高取向性AlN薄膜112、高取向性γ-Al2O3层113和高取向性硅薄膜114。这里，SiO2层111、高取向性AlN薄膜112、高取向性γ-Al2O3层113以及高取向性硅薄膜114组成了第一多层110。可以使用Si3N4或Al2O3而非SiO2形成该ILD薄膜。另外，根据本发明，第二多层120包含SiO2层121、高取向性AlN薄膜122、高取向性γ-Al2O3层123以及高取向性硅薄膜124。第二多层120可形成于高取向性硅薄膜114上。尽管未示出，但可以在硅薄膜124上连续堆叠更多的多层。
通过在图5所示结构中硅衬底100和高取向性硅薄膜114及124的上表面上形成诸如CMOS器件的薄膜晶体管或诸如存储器器件的电子器件，可以制造出功能与图1所示器件等效的三维半导体器件。更为具体地，使用本领域中公知的方法，在硅衬底100的特定区域上掺杂n型掺杂剂和p型掺杂剂可以形成两个掺杂区域，通过在这两个掺杂区域之间形成栅绝缘层(未示出)和栅电极(未示出)，可以在硅衬底100上形成诸如薄膜晶体管或存储器的电子器件。之后，在硅衬底100上依次形成SiO2层111、高取向性AlN薄膜112、高取向性γ-Al2O3层113和高取向性硅薄膜114。此外，使用和前述相同的方法，在高取向性硅薄膜114的上表面上形成诸如薄膜晶体管或存储器的电子器件。通过重复这个过程，可以制造出三维半导体器件。
到目前为止已经描述了在γ-Al2O3层上外延生长硅薄膜。然而，在该γ-Al2O3层上不仅可以形成硅薄膜，还可以形成诸如GaN、Fe3O4等的其它半导体薄膜。因此，根据本发明，如果需要可以形成不仅由硅薄膜还由能够成膜的其它材料制成的多层。
如前所述，根据本发明，通过使用AlN形成缓冲层可以在绝缘层上形成高取向性硅薄膜。另外，可以使用低温工艺以及使用与传统制造工艺兼容的工艺制造本发明的高取向性硅薄膜。因此，使用本发明可以实现使用比传统工艺简单的工艺、低成本地制造三维半导体器件。
尽管参照本发明的示例实施例对本发明进行了上述具体图示和描述，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的各种修改。
Claims (34)
1.一种形成高取向性硅薄膜的方法，包含：
在衬底上形成沿特定方向取向的高取向性AlN薄膜；
通过氧化所述高取向性AlN薄膜而在所述AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；以及
在所述高取向性Al2O3层上生长高取向性硅薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底是由选自Si、SiO2、Si3N4以及Al2O3构成的组的至少一种材料制成。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底是由绝缘材料制成。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述高取向性AlN薄膜在衬底上沿c轴取向。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述高取向性AlN薄膜沿<002>方向取向。
6.如权利要求4所述的方法，其中使用溅射方法、物理气相沉积方法或化学气相沉积方法形成所述高取向性AlN薄膜。
7.如权利要求4所述的方法，其中使用溅射方法、金属有机物化学气相沉积方法或物理气相沉积方法形成所述高取向性AlN薄膜。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过在氧气或臭氧气体气氛中热氧化所述高取向性AlN薄膜而形成所述高取向性Al2O3层。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述高取向性Al2O3层具有γ-Al2O3结构、α-Al2O3结构或包含γ-Al2O3结构与α-Al2O3结构的混合结构中的一种。
10.如权利要求8所述的方法，其中在500至1000℃的温度下进行所述热氧化。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述高取向性Al2O3层沿<001>方向取向。
12.如权利要求8所述的方法，进一步包含在形成所述高取向性Al2O3层之后清洗所述高取向性Al2O3层表面。
13.如权利要求12所述的方法，其中清洗所述高取向性Al2O3层表面使用稀释HF溶液。
14.如权利要求1所述的方法，其中生长所述高取向性硅薄膜使用超高真空化学气相沉积方法、低压化学气相沉积方法或分子束外延方法。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述高取向性硅薄膜沿<001>方向取向。
16.一种半导体器件的制造方法，包含：
在衬底上形成沿预定方向取向的高取向性AlN薄膜；
通过氧化所述高取向性AlN薄膜而在所述AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；
在所述高取向性Al2O3层上生长高取向性硅薄膜；以及
在所述高取向性硅薄膜上形成电子器件。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述衬底是由选自Si、SiO2、Si3N4以及Al2O3构成的组的至少一种材料制成。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述衬底是由绝缘材料制成。
19.一种三维半导体器件的制造方法，包含：
在形成了第一电子器件的硅衬底上形成层间绝缘层；
在所述层间绝缘层上形成沿预定方向取向的高取向性AlN薄膜；
通过氧化所述高取向性AlN薄膜而在所述AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；
在所述高取向性Al2O3层上生长高取向性硅薄膜；以及
在所述高取向性硅薄膜上形成第二电子器件。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述层间绝缘层是由选自SiO2、Si3N4和Al2O3构成的组的至少一种材料制成。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述高取向性AlN薄膜在衬底上沿c轴取向。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述高取向性AlN薄膜沿<002>方向取向。
23.如权利要求21所述的方法，其中使用溅射方法、物理气相沉积方法、或化学气相沉积方法形成所述高取向性AlN薄膜。
24.如权利要求21所述的方法，其中使用溅射方法、金属有机物化学气相沉积方法或物理气相沉积方法形成所述高取向性AlN薄膜。
25.如权利要求19所述的方法，其中通过在氧气或臭氧气体气氛中热氧化所述高取向性AlN薄膜而形成所述高取向性Al2O3层。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述高取向性Al2O3层具有γ-Al2O3结构、α-Al2O3结构或包含γ-Al2O3结构与α-Al2O3结构的混合结构中的一种。
27.如权利要求25所述的方法，其中在500至1000℃的温度下进行所述热氧化。
28.如权利要求25所述的方法，其中所述高取向性Al2O3层沿<001>方向取向。
29.如权利要求25所述的方法，进一步包含在形成所述高取向性Al2O3层之后清洗所述高取向性Al2O3层表面。
30.如权利要求29所述的方法，其中清洗所述高取向性Al2O3层表面使用稀释HF溶液。
31.如权利要求19所述的方法，其中生长所述高取向性硅薄膜使用超高真空化学气相沉积方法、低压化学气相沉积方法或分子束外延方法。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述高取向性硅薄膜沿<001>方向取向。
33.如权利要求19所述的方法，其中重复执行下述步骤：
在形成了第二电子器件的高取向性硅薄膜上形成层间绝缘层；
在所述层间绝缘层上形成沿一方向取向的高取向性AlN薄膜；
通过氧化所述高取向性AlN薄膜而在所述AlN薄膜表面上形成高取向性Al2O3层；
在所述高取向性Al2O3层上生长高取向性硅薄膜；以及
在所述高取向性硅薄膜上形成第三电子器件。
34.一种使用权利要求19所述方法制造的三维半导体器件。
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| CN105977136A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-09-28 | 清华大学 | 半导体结构以及制备半导体结构的方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1355931A (zh) * | 1999-07-07 | 2002-06-26 | 松下电器产业株式会社 | 叠层体、叠层体的制备方法及半导体元件 |
| JP2004152814A (ja) * | 2002-10-29 | 2004-05-27 | Toyota Motor Corp | 半導体素子用基板とその製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4511816A (en) * | 1982-03-11 | 1985-04-16 | Nobuo Mikoshiba | Surface acoustic wave device using an elastic substrate and an aluminum nitride piezoelectric film |
| JP2721258B2 (ja) * | 1990-02-05 | 1998-03-04 | 日立金属株式会社 | セラミック基板の製造方法 |
| JPH0480945A (ja) * | 1990-07-24 | 1992-03-13 | Toshiba Corp | 半導体装置の製造方法 |
| JP2828152B2 (ja) * | 1991-08-13 | 1998-11-25 | 富士通 株式会社 | 薄膜形成方法、多層構造膜及びシリコン薄膜トランジスタの形成方法 |
| CN1052568C (zh) * | 1992-07-06 | 2000-05-17 | 株式会社半导体能源研究所 | 形成半导体器件的方法 |
| JPH082998A (ja) * | 1994-06-15 | 1996-01-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 酸化物誘電体薄膜及びその製造方法 |
| JP3688802B2 (ja) * | 1996-04-30 | 2005-08-31 | 誠 石田 | Ｓｏｉ構造体の製造方法 |
| JPH11233440A (ja) * | 1998-02-13 | 1999-08-27 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
| JP2001196896A (ja) | 2000-01-11 | 2001-07-19 | Seiko Epson Corp | 表面弾性波素子 |
| US6562644B2 (en) * | 2000-08-08 | 2003-05-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor substrate, method of manufacturing the semiconductor substrate, semiconductor device and pattern forming method |
| JP3856300B2 (ja) * | 2002-03-11 | 2006-12-13 | ソニー株式会社 | 半導体レーザ素子 |
| JP2004051446A (ja) * | 2002-07-22 | 2004-02-19 | Asahi Kasei Corp | 酸化物単結晶薄膜形成方法および半導体薄膜形成方法 |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2004152814A (ja) * | 2002-10-29 | 2004-05-27 | Toyota Motor Corp | 半導体素子用基板とその製造方法 |
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