CN103215643B - 一种锗衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种Ge衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法是将Ge片依次置于丙酮和甲醇中分别超声，再在去离子水中超声，后在HF酸溶液中刻蚀，再在去离子水中超声，完成Ge片的表面预处理；将预处理后的Ge(001)片置入生长室，升温，去除Ge衬底表面的氧化物，得到清洁的Ge(001)表面；然后调节Ge片温度，通入氧源，打开金属源进行生长，生长一定时间后，获得一种Ge衬底上生长的单晶氧化物薄膜。本发明在Ge衬底上外延生长单晶薄膜，得到理想的界面，从而大大降低界面态密度，解决Ge基MOS器件的界面问题。

Description

一种锗衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种单晶氧化物薄膜的制备方法，具体涉及一种利用分子束外延（MBE）法，在Ge(001)表面制备单晶氧化物薄膜的方法。
背景技术
随着高K栅介质材料在Si衬底上几近成熟的研究及微电子技术进一步发展的要求，高K栅介质材料在Ge衬底上的生长及特性研究已经成为近期的研究热点之一。
相比于Si，Ge主要有以下几个优势：
一是具有较高的载流子迁移率。Si的空穴、电子迁移率分别为450cm2/V·s、1500 cm2/V·s，而Ge中空穴、电子迁移率分别为1900 cm2/V·s、3900 cm2/V·s，是Si中空穴、电子迁移率的4.2、2.6倍。较高的迁移率可在相同电压下获得更大的驱动电流。
二是具有更低的掺杂激活温度。Si中掺杂物的激活温度为1000-1100℃，Ge中为400-500℃。较低的温度有利于浅结的形成，那些由于热稳定性差在Si工艺中不能应用的高K材料或金属栅电极在Ge中可以获得应用。
三是具有获得更小的等效氧化物厚度(EOT)。由于Ge氧化物不稳定，通过退火可以去除高K材料与Ge衬底之间的氧化锗界面层，因此相比于Si衬底，在Ge衬底上可以获得更小的EOT。
此外，Ge还具有很多劣势：如Ge的氧化物(GeO2、GeO)或溶于水或可挥发，在工艺流程中很容易被水冲掉或挥发掉。再如Ge衬底不容易处理，而且价格昂贵。 还有是Ge的带隙比Si小，因此漏电流可能会更大。
高K材料在Ge衬底上的生长跟在Si衬底上的生长有很大不同。由于高K材料与Ge衬底之间界面的特殊性，在Si衬底上表现优异的材料生长在Ge衬底上不一定表现优异，反之亦然。因此，高K材料与Ge衬底之间界面的稳定性是一个关键。为了获得一个稳定的高K材料/Ge界面，材料的生长方式以及界面的处理至关重要。Ge表面的钝化是当前Ge基高K材料研究的热点。通过合适的钝化，可降低界面态密度从而提高器件的电学性质。另外，如果能找到一种材料与Ge衬底的晶格匹配，这样就可以通过异质外延技术得到理想的界面，大大降低界面态密度，解决Ge基MOS器件的界面问题。但到目前为止，还没有单晶高K氧化物在Ge衬底上生长的报道。
稀土金属氧化物Er2O3、Tm2O3具有Mn2O3立方结构，晶格常数和锗晶格常数的两倍比较接近，具有较低的失配度，因此容易制成高度择优取向的薄膜甚至单晶膜，是一种比较理想的锗基外延生长候选介质材料。另外质量好的单晶薄膜还可以用作铁电材料、高温超导材料甚至锗本身的缓冲层，也可以用在SOI（Silicon On Insulator）器件上。
在本发明中，利用MBE系统对各生长参数精确的控制，得到了在Ge衬底上外延生长的高K氧化物薄膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ge衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法。
根据本发明的目的，这种Ge衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法是在MBE系统中，通过控制生长条件，在Ge(001)表面制备出单晶氧化物薄膜，其具体方法步骤如下：
（1）Ge片的表面预处理
将Ge片依次置于丙酮和甲醇中分别超声5分钟，再在去离子水中超声10分钟，每2分钟换一次水；后在1% 的HF酸溶液中刻蚀1-2分钟，再在去离子水中超声10分钟，每2分钟换一次水；
（2）Ge片表面的薄膜生长
将上述步骤（1）清洁的Ge(001)片置入生长室，升温到650℃，保温15分钟，去除Ge衬底表面的氧化物，得到清洁的Ge(001)表面；然后将Ge片温度调至300~380℃，通入氧源，打开金属源进行生长，生长时，氧气气压为1~3×10-7Torr，金属源温度700～1100℃，生长一定时间后，获得一种Ge衬底上生长的单晶氧化物薄膜。
在上述技术方案中，进一步地，附加技术特征在于：
所述氧源是分子氧、或是原子氧。
所述氧分压为2×10-7Torr。
所述Ge衬底的生长温度进一步是350℃。
所述金属源是稀土金属Er或者Tm。
所述稀土金属Er源的温度为1100℃。
所述稀土金属Tm源的温度为700℃。
实现本发明上述所提供的一种Ge衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法，与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果在于通过MBE系统对各生长参数的精确控制，找到了Ge衬底上外延生长氧化物薄膜的条件：Ge衬底温度、氧分压及金属源温度三者之间合适的比例，因为薄膜的生长方式对生长条件（各生长参数）非常敏感，任何一个参数控制不精确就会导致外延生长失败。本发明通过在Ge衬底上外延生长单晶薄膜，得到理想的界面，从而大大降低界面态密度，解决Ge基MOS器件的界面问题。
附图说明
图1是本发明实施例1中单晶Er2O3薄膜的XRD图谱。
图2是本发明实施例1中单晶Er2O3薄膜的AFM表面形貌图(RMS=0.3 nm，4μm×4μm)。
图3是本发明实施例2中单晶Tm2O3的XRD图谱。
图4是本发明实施例2中单晶Tm2O3薄膜的AFM表面形貌图(RMS=0.4 nm，4μm×4μm)。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施本发明所提供的一种锗衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法，这种制备方法在MBE系统中进行，通过控制生长条件，可在Ge(001)表面制备出单晶氧化物薄膜。其具体方法步骤如下：
步骤一、Ge片的表面预处理
将Ge片依次置于丙酮和甲醇中分别超声5分钟，再在去离子水中超声10分钟，每2分钟换一次水；后在1% 的HF酸溶液中刻蚀1-2分钟，再在去离子水中超声10分钟，每2分钟换一次水；
步骤二、Ge片表面的薄膜生长
将上述步骤（1）清洁的Ge(001)片置入生长室，升温到650℃，保温15分钟，去除Ge衬底表面的氧化物，得到清洁的Ge(001)表面；然后将Ge片温度调至300~380℃，通入氧源，打开金属源进行生长，生长时，氧气气压为1~3×10-7Torr，金属源温度700～1100℃，生长一定时间后，获得一种Ge衬底上生长的单晶氧化物薄膜。
生长时，金属坩埚的温度根据不同的金属种类而调节，保证金属可以被蒸发出来，氧源可以是分子氧（高纯氧气）也可以是原子氧（经射频源裂解后的原子氧）。这里，各生长参数的设定非常重要。因为薄膜的结晶状态与生长条件密切相关。首先，Ge衬底需保持在一个合适的温度，温度过低薄膜不易结晶，温度过高会对Ge衬底造成破坏；其次，氧气压的控制也非常重要。氧气压过低薄膜会缺氧，过高薄膜的生长方式会发生改变。因此，在上述实施方式的过程中，进一步选择其生长参数为：氧分压为2×10-7Torr，Ge衬底生长温度为350℃，金属源选择稀土金属Er或者Tm，稀土金属Er的温度为1100℃，稀土金属Tm的温度为700℃。
下面用具体实施例进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
在上述具体实施方式的基础上，在本实施例中，生长时Ge衬底温度保持为350℃，Er源温度保持为1100℃，氧分压为2×10-7Torr。
图1为Ge衬底上单晶Er2O3薄膜的XRD图谱。入射波长λ=1.24Å。在XRD谱中，我们只观察到Er2O3(440)峰，表明Er2O3在Ge(001)面上的择优生长取向为Er2O3(110)面。
图2单晶Er2O3薄膜的原子力显微镜（AFM）表面形貌图。薄膜的均方根粗糙度(RMS)为0.3nm，如此平整的表面有利于与金属电极之间形成一个陡峭的界面。
实施例2
在上述具体实施方式的基础上，在本发明的另外一个实施例中，生长时Ge衬底温度保持为350℃，Tm源温度保持为700℃，氧分压为2×10-7Torr。
图3为Ge衬底上单晶Tm2O3薄膜的XRD图谱。入射波长λ=1.24Å。在XRD谱中，我们只观察到Tm2O3(440)峰，表明Tm2O3在Ge(001)面上的择优生长取向为Tm2O3(110)面。
图4单晶Tm2O3薄膜的AFM表面形貌图。从图中可以看出，薄膜基本比较平整， RMS为0.4nm。
可以理解，本发明并不限于在所列出的实施例中所公开的具体实施方式，也即本发明包括在权利要求书中定义的本发明的应用范围及构思之内的所有修饰及参数调整等。

Claims (1)

1.一种Ge衬底上制备单晶氧化物薄膜的方法，其所述方法是在MBE系统中，通过控制生长条件，在Ge(001)表面制备出单晶氧化物薄膜，其具体方法步骤如下：
（1）Ge片的表面预处理
将Ge片依次置于丙酮和甲醇中分别超声5分钟，再在去离子水中超声10分钟，每2分钟换一次水；后在1% 的HF 溶液中刻蚀1-2分钟，再在去离子水中超声10分钟，每2分钟换一次水；
（2）Ge片表面的薄膜生长
将上述步骤（1）清洁的Ge(001)片置入生长室，升温到650℃，保温15分钟，去除Ge衬底表面的氧化物，得到清洁的Ge(001)表面；然后将Ge片温度调至350℃，通入氧源为分子氧、或是原子氧，打开金属源为稀土金属Er或者Tm进行生长，生长时，氧气气压为2×10-7Torr，金属源为稀土金属Er时，温度为1100℃，金属源为稀土金属Tm时，温度为700℃，生长一定时间后，获得一种Ge衬底上生长的单晶氧化物薄膜。
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硅、锗衬底上稀土金属氧化物薄膜的分子束外延生长、结构及其物理特性;冀婷;《中国博士学位论文全文数据库基础科学辑》;20120815(第8期);参见对比文件1第二章第2.1.4小节 锗衬底片的清洗，第五章第5.2节 氧化铒薄膜的生长 *

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