CN101431014A - Ge/Si量子环电荷存储器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,首先应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,在600℃高温下引入Ar作为缓冲气体,快速退火,激光沉积得到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜,最后在量子环上面脉冲激光溅射10nm厚SiO2保护层并进行热氧化,对Ge量子环进行钝化,然后对衬底进行切割减薄后,上、下蒸电极,形成欧姆接触,得到MOS结构的电荷存储器。本发明具有工艺简单,生长速率高、生产成本低,适用大批量生产和工业化使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法。
背景技术
半导体纳电子和光电子集成将是21世纪新一代半导体器件的核心,也是现代信息技术的硬件基础。锗、硅材料发光一直是光电子集成研究的重要内容,人们期望通过这方面的研究实现硅光电子集成电路,以现有成熟的超大规模集成电路工艺制造廉价光电子集成器件。但由于Ge与Si的晶格失配高达4.1%,外延生长比较困难,采用分子束外延(MBE)金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺生长,工艺复杂,一般生长速率低、成本昂贵,不适用大批量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,本发明具有工艺简单,生长速率高、生产成本低,适用大批量生产和工业化使用。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是:
脉冲激光沉积技术(PLD)是将准分子激光器产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材表面,使靶材表面产生熔融及汽化,产生高温、高压、高速定向脉冲离子体(T≥104K)。这些等离子体射向基片后迅速冷却,从而形成纳米薄膜。它产生248nm波长的脉冲,作用时间为25ns,激光功率在300mJ/cm2-1.2J/cm2连续可调。该套沉积装置的主要优点是在薄膜沉积过程中,激光能量、重复频率、基片温度、真空等可采用配套的控制和监控设备进行控制。膜层厚度可通过激光能量和脉冲数控制。
一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,首先应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,在600℃高温下引入Ar作为缓冲气体,快速退火,激光沉积得到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜,最后在量子环上面脉冲激光溅射10nm厚SiO2保护层并进行热氧化,对Ge量子环进行钝化,然后对衬底进行切割减薄后,上、下蒸电极,形成欧姆接触,得到MOS结构的电荷存储器。
所述的p-硅衬底是指采用3~5Ω·cm的低阻抛光p-Si(100)硅片做衬底(100指衬底晶面方向),经常规清洗后,在稀释后浓度<5%的HF中浸2~3分钟,去离子水漂洗后、高纯氮气吹干后放入预处理室,再进行真空脱附处理。
所述的真空脱附处理后,将p-Si衬底送入主沉积室,在室温下应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-Si衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,再激光沉积10nm厚的Ge量子环结构的薄膜;最后在量子环上面激光覆盖10nm厚SiO2保护层,通过调节激光沉积Ge量子薄膜时的生长时间、激光能量、衬底温度、工作气压等控制薄膜的表面形貌。
所述的生长时间为5分钟,激光能量为1.1J/cm2,衬底温度300℃,工作气压10-6Pa。
所述的二维的Ge量子环结构为:直径1.2-1.4μm,环宽155-158nm;具有均匀环宽、光滑表面的完美纳米环;环内只含有1.33% Ge原子,环中达到了63.21% Ge原子。
本发明的有益效果为:本发明创新性地应用脉冲激光沉积的微液滴(Droplets)技术成功制备了Ge量子环。一般地,脉冲激光方法的Droplets技术只能制备纳米晶体、微球和量子环的混合薄膜,要制备只含单一的量子环的薄膜是很困难的。通过优化沉积工艺,引入Ar作为缓冲气体和快速退火方法,成功制备了不含纳米晶体的Ge量子环薄膜,Ge量子环尺寸均匀、单分散,较好地解决了量子环尺寸的控制和应变的问题。在此基础上,研究和改进了nc-Si量子点的表面钝化和异质界面特性,制备了Ge量子点/量子环MOS结构的电荷存储器,其MOS结构的电荷存储特性的电荷转移特性达到0.85~2.5eV。对发展纳米电荷存储器件是极其重要的。此制备方法工艺简单,生长速率高、生产成本低,适用大批量生产和工业化使用。
附图说明
图1是本发明脉冲激光沉积原理图;
图2是本发明量子环电镜照片示意图;
图3是本发明Ge量子点的原子含量测定图;
图4是本发明量子环电镜照片放大图;
图5是本发明电压双向扫描条件下C-V特征曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例所指的一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,首先应用准分子激光器产生的KeF(气体)脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,在600℃高温下退火,激光沉积得到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜,最后在量子环上面脉冲激光溅射10nm厚SiO2保护层并进行热氧化,对Ge量子环进行钝化,然后对衬底进行切割减薄后,上、下蒸电极,形成欧姆接触,得到MOS结构(即半导体金属氧化物结构)的电荷存储器。
如图1所示,图1为脉冲激光沉积原理框图;其中p-硅衬底是指采用3~5Ω·cm的低阻抛光P-Si(100)硅片做衬底,经常规清洗后,在稀释后浓度<5%的HF中浸2~3分钟,去离子水漂洗后、高纯氮气吹干后放入预处理室,进行真空脱附处理。预处理室为进样和取样通道(一般处于10-4Pa真空状态)。真空脱附处理后的p-硅衬底被送入主沉积室,主沉积室是样品制备室,在机械泵、分子泵作用下可达到10-7Pa超高真空,质谱仪用于精确控制、分析主沉积室内工作气体成分,温度控制系统用于控制沉积温度和衬底温度);在室温下应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,再激光沉积10nm厚的Ge量子环结构的薄膜;最后在量子环上面激光覆盖10nm厚SiO2保护层,控制脉冲激光的能量及脉冲频率激光能量1.1J/cm2,靶与衬底的距离为8.0cm,沉积时间5分钟。生长衬底温度300℃、工作气压10-6Pa使激光作用于Ge靶时,其处于熔融状态。则从靶材发射的等离子体中包含许多Ge微液滴(droplet)。当这些Ge微液滴沉积于Si表面受到冲击力、Ge/Si应变力形成岛状分布,在600℃高温下引入Ar作为缓冲气体,快速退火,得到二维的Ge量子环结构,如图2至3所示,图片上均匀分布了许多直径、环宽、厚度几乎相等的Ge纳米环,二维Ge量子环结构为:直径1.2-1.4μm,环宽155-158nm,环的密度大约为2.3×107cm2.;具有均匀环宽、光滑表面的完美纳米环,显然,Ge纳米环呈二维平面结构,其厚度远小于其直径,进行原子含量测定,见图4所示,环内只含有1.33% Ge原子,环中达到了63.21% Ge原子。图3为放大的量子环的电镜照片,具有近乎完美的圆形形状,环表面非常均匀、平整,没有任何缺陷和破裂,更没有杂散粒子。在强激光作用下首先形成Ge微液滴,这些微液滴在硅衬底上形成半球形岛,由于Ge/Si间存在很大的应力,以及热的横向扩散力作用下,半球岛发生了质量的重新分布,形成了如图3所示的量子环。
Ge量子环电荷存储器件的电压双向扫描条件下C-V特征曲线图,见图5所示。电压扫描方式:从5V到-8V,再从-8V到5V,顺时针旋转,擦除电压-5V。在电压双向扫描作用下,电压阈值偏移(电荷存储窗口)达到2.5V,表明该存储器具有显著的电荷存贮效应。在逻辑设计上足够可以定义为1或0。大电压偏移量与二氧化硅中的陷阱态、库仑阻塞效应有关,最重要的是,与Ge/Si复合势垒有关。与传统的浮动栅(FG)存储器相比,Ge量子环的阻塞效应使纳米环存储器件较低的电容耦合,在保证书写和擦除时间不变的情况下,表现出更长的电荷保持特性。该存储器完全达到非易失性满足电荷存储器件或逻辑电路的要求,为新一代的纳米环电荷存储器件。
Claims (5)
1、一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,其特征在于:首先应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,在600℃高温下引入Ar作为缓冲气体,快速退火,激光沉积得到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜,最后在量子环上面脉冲激光溅射10nm厚SiO2保护层并进行热氧化,对Ge量子环进行钝化,然后对衬底进行切割减薄后,上、下蒸电极,形成欧姆接触,得到MOS结构的电荷存储器。
2、如权利要求1所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,其特征在于:所述的p-硅衬底是指采用3~5Ω·cm的低阻抛光P-Si(100)硅片做衬底,经常规清洗后,在稀释后浓度<5%的HF中浸2~3分钟,去离子水漂洗后、高纯氮气吹干后放入预处理室,再进行真空脱附处理。
3、如权利要求1或2所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,其特征在于:所述的真空脱附处理后的p-硅衬底被送入主沉积室,在室温下应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层,再激光沉积10nm厚的Ge量子环结构的薄膜;最后在量子环上面激光覆盖10nm厚SiO2保护层,通过调节激光沉积Ge量子薄膜时的生长时间、激光能量、衬底温度、工作气压等控制薄膜的表面形貌。
4、如权利要求3所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,其特征在于:所述的生长时间为5分钟,激光能量为1.1J/cm2,衬底温度300℃,工作气压10-6Pa。
5、如权利要求1所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法,其特征在于:所述的二维的Ge量子环结构为:直径1.2-1.4μm,环宽155-158nm;具有均匀环宽、光滑表面的完美纳米环;环内只含有1.33% Ge原子,环中达到了63.21%Ge原子。
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