CN1334595A - 与硅具有结晶碱土金属氧化物界面的半导体结构 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构包括硅衬底(10),一层或多层单晶氧化物(26),在硅衬底和一层或多层单晶氧化物之间的界面(14),所说界面利用与硅的晶格常数匹配的结晶材料制造。所说界面包括XSiO2形式的硅、氧和金属原子层,其中X是金属。
Description
本发明一般涉及一种包括硅衬底和其它氧化层间的结晶碱土金属氧化物界面的半导体结构，特别涉及一种包括碱土金属、硅和氧的原子层的界面。
对于许多器件应用来说，就随后在硅上外延生长单晶薄膜而言，例如非易失高密度存储和逻辑器件的铁电或高介电常数氧化物，最希望有序且稳定的硅(Si)表面。尤其是对于随后生长单晶氧化物例如钙钛矿来说，重要的是在Si表面上建立有序的过渡层。
关于例如BaO和BaTiO3等这类氧化物生长的一些报道的基础是通过在高于850℃的温度下，利用反应外延在Si(100)上淀积一第四单层Ba的BaSi2(立方)模型。例如参见：R.Mckee等人在Appl.Phys.Lett.59(7)第782-784页的文章(1991年8月12日)；R.Mckee等人在Appl.Phys.Lett.63(20)第2818-2820页的文章(1993年11月15日)；R.Mckee等人在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.第21卷，第131-135页(1991)的文章；于1993年7月6日授权、题为“在硅衬底上外延淀积氧化物的方法及用该方法制备的结构”的美国专利5225031；1996年1月9日授权、题为“在衬底上淀积外延碱土金属氧化物的方法及利用该方法制备的结构”的美国专利5482003。然而，已提出的这种结构的原子极模拟表明在升高的温度下这种结构不易稳定。
已完成了利用SrO缓冲层在硅(100)上的SrTiO3生长。参见T.Tambo等人在Jpn.J.Appl.Phys.第37卷(1998)第4454页-4459页的文章。然而，SrO缓冲层较厚(100埃)，因而限制了晶体管膜的应用，并且整个生长中不能保持结晶性。
另外，已利用Sr或Ti的厚金属氧化物缓冲层(60-120埃)在硅上生长出了SrTiO3。参见B.K.Moon等人在Jpn.J.Appl.Phys.第33卷(1994)第1472-1477页的文章。这些厚缓冲层会限制晶体管的应用。
因此，需要一种制造薄且稳定结晶界面的方法。
图1-2是根据本发明具有形成于其上的界面的洁净半导体衬底的剖面图；
图3-6是根据本发明具有由二氧化硅层形成的界面的半导体衬底的剖面图；
图7-8是根据本发明形成于图1-6所示结构上的碱土金属氧化层的剖面图；
图9-12是根据本发明形成于图1-8所示结构上的钙钛矿的剖面图；
图13是根据本发明图12所示各层一个实施例的原子结构的侧视图；
图14是所说界面沿图13中的AA线的俯视图；
图15是沿图13的AA线的俯视图，包括所说界面和衬底的相邻原子层。
为了在硅(Si)衬底和一个或多个单晶氧化层间形成新颖界面，可以使用不同方法。下面对于以具有洁净表面的Si衬底和以其表面上具有二氧化硅(SiO2)的Si衬底作为开始给出几个实例。SiO2是非晶而不是单晶，为了在衬底上生长附加的单晶材料，希望提供单晶氧化物作为界面。
现参见各附图，各图中类似的构件用类似的数字表示，图1和2示出了包括具有洁净表面12的Si衬底10的半导体结构。洁净(2×1)表面12可以用任何常规清洗方法得到，例如用在高于或等于850℃的温度下SiO2的热解吸附法，或利用在超高真空中，在高于或等于300℃的温度下，从氢终止的Si(1×1)表面去除氢的方法。氢终止法是一种公知的方法，其中氢松散地键合于表面12处硅原子的悬挂键上，从而完成结晶结构。可以通过在O2分压低于或等于1×10-9毫巴的生长室内，在低于或等于900℃的温度下，同时或先后给表面12供应控制量的金属、Si和O2，形成结晶材料的界面14。施加到表面12上将形成界面14的金属可以是任何金属，但在优选实施例中，是碱土金属，例如钡(Ba)或锶(Sr)。
在用Ba、Si和O2形成BaSiO2作界面14时，利用所属领域公知且可以原位使用的反射高能电子衍射(RHEED)技术监测生长，所谓原位使用是指可以在生长室内同时进行曝光步骤。使用RHEED技术检测或探测在本工艺中通过形成BaSiO2的原子层，快速改变为强且尖的条纹的表面结晶结构。自然，应理解，提供专门的制造工艺后，不必对每个衬底实行RHEED技术。
以下的段落中将介绍界面14的新颖原子结构。
所属领域的技术人员应理解，针对这些工艺所给出的温度和压力适用于所介绍的特定实施例，但本发明不限于特定的温度或压力范围。
参见图3-6，另一方法包括形成具有表面12和其上的SiO2层16的Si衬底10。SiO2层16可以是Si衬底10暴露于空气(氧气)中后自然存在的自然氧化物，或可以用例如在表面12上热施加(箭头)氧气等所属领域公知的受控方式专门形成。至少在两个建议的实施例之一中，可以如下形成新颖的界面14：在超高真空下，在700-900℃下，向SiO2层16的表面18施加碱土金属。更具体说，将Si衬底10和非晶SiO2层16加热到低于SiO2层16的升华温度的温度(一般低于900℃)。这个过程可以在分子束外延室中完成，或可以在分隔室中至少将Si衬底10局部加热，然后，可以将之传递到生长室，并完成加热。Si衬底10被适当加热，且生长室内的压力已适当降低后，将其上具有SiO2层16的Si衬底10的表面12暴露于较好是碱土金属等金属束，如图5所示。在优选实施例中，束是通过电阻加热泻流室或e束蒸发源产生的Ba或Sr。在特定的实例中，Si衬底10和SiO2层16暴露于Ba束中。Ba与SiO2结合，把SiO2层16转化成以结晶形式的BaSiO2为特征的界面14。或者，在超高真空中，在低温下给表面18提供碱土金属，并在700-900℃退火。
界面14形成后，在界面14的表面上可以形成一层或多层单晶氧化物。然而，例如BaO或SrO等任选碱土金属氧化层可以置于界面14和单晶氧化物之间。这种碱土金属氧化物提供低介电常数(对于例如存储单元等某些应用有利)，还可以防止氧从单晶氧化物迁移到Si衬底10中。
参见图7和8，通过在低于或等于700℃的温度下，并在O2分压低于或等于1×10-5毫巴的条件下，向界面14的表面20上同时或交替供应碱土金属和氧，可以形成碱土金属氧化物层22。这种碱土金属氧化物22的厚度例如可以是50-500埃。
参见图9-12，在氧分压低于或等于在低于1×10-5毫巴的条件下，在低于或等于700℃的温度下，同时或交替供应碱土金属氧化物、氧和例如钛等过渡金属，可以在界面14的表面20或在碱土金属氧化层22的表面24上形成例如碱土金属钙钛矿等单晶氧化层26。该单晶氧化层26的厚度例如可以是50-1000埃，并基本上与底下的界面14或碱土金属氧化物22晶格匹配。应理解，在其它实施例中，单晶氧化层26可以是一层或多层。
参见图13，该图示出了Si衬底10、界面14和碱土金属氧化层26的原子结构的侧视图(在<110>方向看)。为了展示的目的，图中以从大到小的相对尺寸示出了该结构包括钡原子30、硅原子32、氧原子34和钛原子36。Si衬底10只包括硅原子32。界面14包括金属原子(在优选实施例中，表示为钡原子30)、硅原子32、和氧原子34。碱土金属氧化物层26包括钡原子30、氧原子34和钛原子36。
参见图14，该图是沿图13的线AA的俯视图，示出了钡、硅和氧原子30、32和34的排列情况。
参见图15，该图是沿图13的线AA的俯视图，示出了界面14和Si衬底10的上原子层11。
在这里的讨论中，单层等于6.8×1014原子/cm2，原子层是一个原子厚度。可以看出，各图中示出的界面14包括单个原子层，但可以是一个以上原子层，而Si衬底10和碱土金属氧化层可以是多个原子层。注意，图13中，只示出了Si衬底10的四个原子层和碱土金属氧化层26的三个原子层。界面14包括半单层碱土金属和半单层硅和单层氧。每个钡原子30基本上与Si衬底10中的四个硅原子32等间隔。界面14中的硅原子32基本上排成一行，且在<110>方向上在碱土金属原子间等间隔排列。Si衬底10中的上原子层中，每个硅原子32键合到界面14中的氧原子34上，界面14中的每个硅原子32键合到界面14的两个氧原子34上。界面14包括在Si衬底10的(001)面上2×1结构、在<110>方向1×结构和在<110>方向2×结构的钡、硅和氧原子30、32和34的各行。
这里介绍了与硅10的薄结晶界面14。界面14可以包括单原子层。利用薄界面14可以实现较好的晶体管应用，因为不包括底层氧化层与Si衬底10的电耦合，并且由于处理过程中，原子更容易保持其结晶性，所以界面14更稳定。
Claims (37)
1.一种半导体结构，其特征在于：
硅衬底；
一层或多层单晶氧化物；
在硅衬底和一层或多层单晶氧化物之间的界面，所说界面以与硅的晶格常数匹配的单原子层结晶材料为特征，所说结晶材料以硅、氧和金属为特征。
2.根据权利要求1的半导体结构，其中一层或多层单晶氧化物包括邻接所说界面形成的氧化层，该氧化层具有与界面中的金属原子相邻且在<001>方向与之对准的第一氧原子，还具有与界面中的硅原子相邻且在<001>方向与之对准的第二氧原子。
3.根据权利要求1的半导体结构，其中所说界面的原子层是按从大到小的相对尺寸包括金属原子、硅原子和氧原子的结构：
4.根据权利要求1的半导体结构，其中所说界面和与所说界面相邻的硅衬底的原子层是按从大到小的相对尺寸包括金属原子、硅原子和氧原子的结构：
5.根据权利要求1的半导体结构，其中所说金属是碱土金属。
6.根据权利要求5的半导体结构，其中碱土金属选自钡和锶。
7.根据权利要求1的半导体结构，其中所说界面的原子层包括：
半单层碱土金属；
半单层硅；及
单层氧。
8.根据权利要求7的半导体结构，其中硅衬底包括与界面相邻的一层硅原子，所说界面的原子层中的每个碱土金属原子基本上与硅衬底中的四个硅原子等间隔。
9.根据权利要求8的半导体结构，其中所说界面包括在硅衬底的(001)面上2×1结构、在<111>方向1×结构和在<110>方向2×结构的各行原子。
10.根据权利要求9的半导体结构，其中界面中的硅原子基本上成一排，并在<110>方向在两碱土金属原子间等间隔排列。
11.根据权利要求1的半导体结构，其中与界面相邻的硅衬底的原子层中的每个硅原子键合到界面中的氧原子上，界面中的每个硅原子键合到界面中的两个氧原子上。
12.根据权利要求1的半导体结构，其中界面具有2×1重构结构。
13.一种半导体结构，其特征在于：
具有表面的硅衬底；
材料；及
以XSiO2为特征的一层，该层在硅衬底表面和所说材料间形成界面，其中X为金属。
14.根据权利要求13的半导体结构，其中所说层是单原子层。
15.根据权利要求13的半导体结构，其中所说金属包括碱土金属。
16.根据权利要求15的半导体结构，其中碱土金属选自钡和锶。
17.根据权利要求13的半导体结构，其中所说材料包括邻接所说界面形成的氧化层，该氧化层具有与界面中的金属原子相邻且在<001>方向与之对准的氧原子，还具有与界面中的硅原子相邻且在<001>方向与之对准的氧原子。
18.根据权利要求13的半导体结构，其中所说界面的原子层是按从大到小的相对尺寸包括金属原子、硅原子和氧原子的结构：
19.根据权利要求13的半导体结构，其中所说界面的原子层和与所说界面相邻的硅衬底的原子层是按从大到小的相对尺寸包括金属原子、硅原子和氧原子的结构：
20.根据权利要求13的半导体结构，其中所说界面的原子层包括：
半单层碱土金属；
半单层硅；及
单层氧。
21.根据权利要求20的半导体结构，其中硅衬底包括与界面相邻的一层硅原子，与所说衬底相邻的原子层中的每个碱土金属原子基本上与硅衬底中的四个硅原子等间隔。
22.根据权利要求21的半导体结构，其中所说界面包括在硅衬底的(001)面上2×1结构、在<111>方向1×结构和在<110>方向2×结构的各行原子。
23.根据权利要求22的半导体结构，其中界面中的硅原子基本上成一排，并在<110>方向在两碱土金属原子间等间隔排列。
24.根据权利要求13的半导体结构，其中与界面相邻的硅衬底的原子层中的每个硅原子键合到界面中的氧原子上，界面中的每个硅原子键合到界面中的两个氧原子上。
25.根据权利要求13的半导体结构，其中界面具有2×1重构结构。
26.一种半导体结构，其特征在于：
具有表面的硅衬底；
一个或多个连续相邻的单晶氧化层；及
硅衬底表面和一个或多个连续相邻的单晶氧化层之一间的界面，其特征在于XSiO2单原子层，其中X为金属，并与一个或多个连续相邻的单晶氧化层之一晶格匹配。
27.根据权利要求26的半导体结构，其中所说金属包括碱土金属。
28.根据权利要求27的半导体结构，其中碱土金属选自钡和锶。
29.根据权利要求26的半导体结构，其中一个或多个连续相邻的单晶氧化层包括邻接所说界面形成的氧化层，该氧化层具有与界面中的金属原子相邻且在<001>方向与之对准的氧原子，还具有与界面中的硅原子相邻且在<001>方向与之对准的氧原子。
30.根据权利要求26的半导体结构，其中所说界面的原子层是按从大到小的相对尺寸包括金属原子、硅原子和氧原子的结构：
31.根据权利要求26的半导体结构，其中所说界面的原子层和与所说界面相邻的硅衬底的原子层是按从大到小的相对尺寸包括金属原子、硅原子和氧原子的结构：
32.根据权利要求26的半导体结构，其中所说界面的原子层包括：
半单层碱土金属；
半单层硅；及
单层氧。
33.根据权利要求32的半导体结构，其中硅衬底包括与界面相邻的一层硅原子，所说界的原子层中的每个碱土金属原子基本上与硅衬底中的四个硅原子等间隔。
34.根据权利要求33的半导体结构，其中所说界面包括在硅衬底的(001)面上2×1结构、在<111>方向1×结构和在<110>方向2×结构的各行原子。
35.根据权利要求34的半导体结构，其中界面中的硅原子基本上成一排，并在<110>方向在两碱土金属原子间等间隔排列。
36.根据权利要求26的半导体结构，其中与界面相邻的硅衬底的原子层中的每个硅原子键合到界面中的氧原子上，界面中的每个硅原子键合到界面中的两个氧原子上。
37.根据权利要求26的半导体结构，其中界面具有2×1重构结构。
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