TW200522146A - Rare earth-oxides, rare earth-nitrides, rare earth-phosphides and ternary alloys with silicon - Google Patents

Description

200522146 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般而言係有關於一種用於絕緣層上覆矽 (SOI)組成物、裝置、及應用的組成物、結構、和裝置， 更特別的是有關於一種用於S0][組成物、裝置、及應用之 運用貫質上為單晶的組成物、結構、和裝置。 【先前技術】 相關先前技術的敘述： 眾所週知，純晶體、或單晶稀土氧化物（RE〇x)、稀 土氮化物（REN)、以及稀土磷化物（REP)其本質上並不 ^自行存在，而且也無法藉由習知技藝的成長技術來進行 成長。因此’可與極大型規模積體電路（ultra lar# scale integrated，ULSI )矽電子儀器處理相容、並且與其一起使 用而作用的單結晶質氧化物、氮化物、以及磷化物，至今 仍讓矽電子學工業相當困擾。相形之下，非結晶質氧化物 就相對的很容易實現。現代矽電子學應將此極大成就歸功 於天然矽的氧化物，也就是化學計量之二氧化矽（si〇2 )。 忒結晶質Si與非結晶質Si〇2介面可以被製備成一個幾乎 完美的無缺陷介面。該Si/Si〇2介面的高品質，實際上是 报難在任何一種其他材料系統當中加以複製的。 如此無法創造單晶氧化物，會影響到以下所敘述之三個 主要的應用領域。 未來的ULSI技術節點，規格深入至次微米系統，其 需要Si〇2之極薄的閘極氧化物（gate oxides)，以用於場 .200522146 效應電晶體（FETs)之中，變成厚度為卜⑺I米的狀態。 不幸的是，在如此小的si〇2厚度下，基本的實際問題顯示 出·· （ i )大量的機械坑道閘極流動；（Η )電介質崩潰；以 及（iii )可靠度降低。這些問題都需要另外一種閘極材料（諸 如較高介電常數之氧化物）、以及經改性之Si基板，諸如 絕緣層上覆矽（s〇I)，以導入至ULSI技術節點中。 要與Si電子學工業互補就是需要半導體材料，半導體 材料具有光學活性，並且可相容於矽處理技術。到目前為 止，就光電材料而言，對於這種Si工業相容性問題尚未獲 付一個明確的答案。在纖維通訊波長下操作，有效且經濟 之電力驅動的平面光子（以si為基）裝置，就是解決與主 μ Si電子裝置之光電集成的驅使原理。要通往此目標的路 徑，就是要創造出一種材料，可以相對容易的進行製造， 並且可輕易地與以Si為基之ULSI電子儀器製造互相集 成。對於降低光電系統製造成本來說，這種原理係為一種 可能的解決辦法。再者，於丨.5微米波長下操作之光電發 射器與吸收器（可輕易地與矽電子儀器集成），提供了功 月匕上爆炸性的增加，並且降低了成本/功能比（“Μ/ function)。使用本發明，可以將主動及被動光子元件光子， 沿著平面互補金屬氧化物半導體（CM〇s )電子儀器的側 面、上部、或者是下方進行集成。舉例而言，美國專利案 第6,734,453號，即敘述了如何將—單晶光子層埋在—個主 動式CMOS層的了方。此種方法可以將該光子與電子層分 別進行最佳化。其還更進一步地揭示了含有多層之以矽為 .200522146 基的稀土元素。 之，可最:使=較高密度及功能的磁性儲存材料。簡而言 效益的H 具來進行加工的磁性介質都是屬於高 可允咛以單曰沾 I，、、疋，又有-個明確的答案。本發明 磁性單日二㈣高密度的磁性稀土離子。運用該 磁/ 生早曰日，例如單晶稀土氧化 -種可與石夕相容之薄膜；以及(1)將其沉積成 、 （11)使用矽的微電子裝置（用 於貝枓錯存之電讀取/寫 限之磁性離子的本質特性。)的^生，其係使用受 在uLSI FET閉極氧化物和絕緣層 :用本:要有兩種關鍵的主…子裝置問題。對： 2明而言’有兩個領域分別在過去屬於重要的領域 夢=相關。本發明分別解決了此二領域的問題及/或 ㈣ΓΓ獨特的優點來進行—種集成的方法，也就是本 日日，（11)尚k值的介電材料；（出）盥 :=量並且可以利用單晶⑽晶的方式加以沉積:、 化物進行沉積。 肩夕層早晶科單晶稀土氧 一解決該ULSI閘極氧化物問題的一種可能方法，係以 一種具有較高介電常數 k值的介電材料」。-錄叮I2’亦即所謂的「高 種可旎的紐期介電材料係將氮氣併入 的長期L之中以^成乳氮化石夕（sioxNy)。有可能之候選 值溶液，係為氧化雜)、五氧蝴Ta205 )、 氣化給（Hf〇2 )、氧化牡广7 、 、口（Zr02)、以及氧化鋁Α]2〇3的氧 200522146 化物。上述材料之合金及/或結合，亦可證明每一個高^ 值二元氧化物（諸# HfZr〇4)之有利特點係為有效的：相 似地，與Si02或Si相結合之高k值二元氧化物，諸如锆 英石（zircon)、HfSi〇4或脆办，同樣可以被證明為有= 的閘極氧化物。 然而，目前所有這種替代的閘極氧化物候選物，如以上 所提及，卻無法提供-個或更多個領域之所需要的裝置性 能。 這些領域包括了（ i )塊材閘極材料品質；（^ )矽/閘 極氧化物介面品質；（出）關於塊材Si (bulk Si)之閘極 材料傳導帶與價能帶偏位；（iv)崩潰強度；（v)閘極氧 化物能帶間隙；以及（vi)成長技術。再者，實際上所有在 技術上可能研究之相關的氧化物，到目前為止不是非結晶 貝、頂多就是多晶的。值得注意的是類似鈣鈦礦的結晶體， 鈦馱釔，SrTi〇3 ( STO )。可以將此種特別的化合物進行 成長而具有限定的厚度，作為在si(〇〇1) 一定向之晶圓上 的單晶。然而’在此例子中的結晶性對於FET閘極氧化物 適合度而言’並非為足夠的標準。不幸的是，該矽/ ST〇異 貝結合偏位（heterojucti〇n 0ffset)幾乎是全部位在該價能 f之中’因此’對於以Si為基之ULSI FET裝置而言係為 不適合的。 目前用於精確極薄氧化物層沉積的成長技術，係為經良 建立之化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD ) 技術的一種變化。閘極氧化物層厚度為1 一丨〇奈米（nm )， .200522146 其需要以複合脈衝之反應性氫化物和氯化物前趨物氣體為 基礎的沉積/洗淨循環CVD製程，其係基於美國專利案第 4,058,430號一目前叫做原子層沉積（at〇mic layer deposition，ALD)。最近該ALD製程用於展示如以上所 長:及之極薄氧化物的成就，不幸地忽略掉相關於實際Ulsi 裝置的具體問題。 對於不適合作為可實行之極薄閘極氧化物的Si〇2而 言，重要的是雜質的出現，主要是那些與氫相關的雜質， 其係為造成過早失敗、以及在ULSI裝置中的低崩潰電壓 的原因。因此，對於以氫化物和氯化物為基之前趨物ald 來說，要如何解決此問題，答案也還是不是很明確。 介面品質的問題很典型地並沒有被提出來，也就是該塊 材Si/高k值之氧化物的介面品質。該介面品質及/或缺 陷密度典㈣比該Sl/Si〇2 f'㈣要來得差，因此使得妥 協了 FET溝槽以及底限電壓性能。 在找尋高k值之閘極介電物質過程中，已有對於電子限 制（electron confinement)之重要問題進行初步的敘述。最 重要的就是介於二個不相同之半導體之間的介面上，對電 子與電洞所呈現的能障（energy barrie〇，其中該二個不相 同之半導體，也就是閘極氧化物和塊材Si，以下均稱之為 異質結合。介於“值氧化物與塊材^之間的異質結合傳 導帶偏位’典型地少於該Si〇2/Si系統。因此，橫跨該位 能障（poten㈤harder)之電子的熱電子發射（__心 大於該^高k值之異質結合中的熱電子發射。 200522146 無淪是否將高k值之閘極氧化物（s )完成最終的耵乙§1， 對於高性能的ULSI而言，絕緣層上覆矽（s〇I)基板才是 主要的技術。到目前為止，S0I基板實務上的實施可以分類 成以下幾種形式·· （1)藉由非結晶質Sl〇2層，從該石夕塊 材基板上分離出來之薄的單結晶質矽層，其係用於形成該 絕緣體，以及（ii) 一薄層，將矽再結晶或沉積至一玻璃或 一寬廣的能帶間隙基板上，諸如藍寶石。這兩種形式都會 被需要，以展現：（i )高品質單晶si表面活性層；) 高均勻度和低缺陷密度活性之Si層，以及（Hi)高均勻度 和低浪漏的絕緣體。 S 01的第種形式在概念上是由一層薄的石夕活性層所 構成，該薄矽活性層係位於一層si02之埋層氧化層（埋層 氧化層’ BOX)絕緣層上，而該絕緣層實質上的位置係橫 跨塊材Si基板。該Β〇χ層典型地係藉由使用：種製造方 法所形成。-種方法主要係將高能量的氧氣注入至該矽表 面，到達一適當的深度和剖面，之後再進行一種侵略性的 熱退火處理，此係為了將該表面受損之活性⑴層再結晶成 單晶以。此技術對於作為利用氧氣注入製程（separation by lantatlon of oxygen，slM〇x)的製備而言係為 白决的另種方法貫質上則係使用由兩個分開之經氧化 的石夕晶圓表面所結合的晶》，將其緊密接觸並進行退火， 以形成- BOX層。一旦該二基板互相接合時，該矽基板之 就S彳文名外σ卩的矽表面之一表面朝向該層的方向 上貝上減少其厚度。此係藉由化學機械拋光（chemical 200522146 meChaniCal polishing ’ CMP )、或姓刻、或者是透過物理磨 耗’研磨至該活性Sl層所需之厚度而完成。將晶圓接合之 方法的另一種變化，就是使用原子層解理（价_ —g)，其係藉由將氫氣注入至一層嵌埋缺陷之層。在 進行退火時’肖氫會形成一個優先的解理平自，而可移除 一大部分的犧牲性矽基板。 示 然而，要形成一個均勻平坦的活性矽層表面，仍然是需 要大量的CMP。然而，兩種形式的s〇I都擁有著令人心 冀的特性，也就是Sl/埋藏氧化層介面有非常多的缺陷、 並且不適合作為用於㈣裝置之較低的開極介電物質層。 第二’要製造此二種形式的S0I，目前來說都很昂貴，因此 也造成在目前與未來的ULSI製程當中，s〇i技術無法產 生更為廣泛接受度的障礙。第三，傳統的s〇i製造技術非 常耗時’並且實際上會需要很多的製程和清潔步驟。第四， 對於要完全耗盡則，所需要的活性Si層厚度，典型地係 :、於或者是等於500 g(A) ’要達到根本是極度困難的。 最後，該BOX厚度需要相對的薄。 到目前為止’已經使用了普遍所使用之的沉積技術來探 九在Si基板上的RE_氧化物薄膜。在其中—種方法當中， 係使用了輕的稀土金屬，也就是出現在化學元素週期田表中 之稀土元素系列的開端。輕金屬稀土氧化物，係一 化學計量之RE—氧化物靶材的電 电卞來泰發（electron beam ::ap°ratl°n，EBE)來加以展示。這種技術的缺點在於㈣ 材的化學計量並無法確保該最終沉積之薄膜氧化物的化學 11 .200522146 計量。使用咖中，最值得注意的先前技藝就是y2〇3、 Pr2〇3 、以及Gd2〇3薄膜。 Υ2〇3與ΡΓ2〇3已經被沉積在矽基板上，而當沉積在 S】（001)定向之基板上時，其本f上絕大多數為多晶、及 /或者是非結晶質。單晶薄膜並未顯示在Si (_)—定向 之基板上。 ° 此技術的另—個缺點就是，延長使用該單-來源的EBE 稀土氧化物的時間’會使得稀土元素對氧之比例產生不希 虞的變化。此技術的又-個缺點就是’缺乏藉由該EBE製 程來控制蒸發物炫劑（flux)。此技術的另一個缺點就是進 料種類/缺陷的導入，豆合 …以不希處的方式影響到捕獲的 氧化物進料。後者對於FET I置的性能而言是报重要的。 種方法之中’該輕稀土金屬氧化物的沉積是藉由 …、空環境沉積、未受激分子氧氣、以及輕稀土元 ’、之EBE而達成。此方法的實施例可以在美國專利案第 Μ丨〇,548號中找到，其係敘述一種使用鈽稀土原料、二及 ^受激分子氧氣之真空ΕΒΕ的二來源沉積技術。所揭示是 <300 “的成長溫度範圍下，成長在以基 板上的二氧化鈽Ce〇2稀土氧化物層。 眾所週知已超滿+ # . —— 年的日守間，Si與Ge之乾淨的（001) 疋σ I面曰展現2 x 1的重構（reconstructions)。在一 適當的環境當中使用典型 電子繞射，也就是._二 具（諸如反射高能 天然的叫氧化物移=及高度真空條件），當該 移除日守，典型地會針對二個以9〇。旋轉 12 „200522146 之重構進行觀察。鑽石晶格結構之理想的si表 著非末端Si (001) —定向表面。每一面的Si原子將具 有二個懸空鍵。該2 X 1重構是因為表面能量的最小化所 導致’並且有一對原子在鄰近的排列出現，也就是二聚作 用（dimerization )。典型地觀察二個正交定向域， 可以了解如同梯形（由單原子層階梯所分開）上的二聚物， 遠階梯高度等於該塊材Si晶格常數的四分之一。廉今要在 之後進行觀察樣本，其中只有顯示一個2 χ丄域的rheed

繞射圖案，該樣本顯示⑴無階梯狀、或者是〇i)雙層階 梯’其高度等於塊材Si晶格常數的二分之一。 單一域的Si ( 001 )表面可以輕易地藉由製備一層故音 與該理想Si(001) _定向相錯位的Si表面而獲得：典； 地’為了達到此目的’可以使用與π 1〇]大約1至6度 錯位的誤切（miscut)基板。

美國專利案第6,610,548號揭示利用一個混合2χ 和1 X 2所製備的表面，在Si (〇〇1) _定向基板上之_ 氧：鈽的非結晶質成長、及/或多晶成長。接下來的^ _積係為種用於將輕的稀土氧化物進行再結晶化合 二退火’以使得可以改良該結晶的品質。初始非結晶^ 氧化矽及/或非結晶質氧化鈽初始層，在朝向最終多晶韋 ^曰的成長順序中的出現，相較於使用技冑4 (將於心 下進仃：論）之本發明所觀察到的行為完全不同。 先則所提及之技術其最主要的缺點，如同美國專利案第 ’ ’458號中所討論，就是可以使用之稀土氧化物的種類 13 200522146 限制。一般而言，分子或 于式RE〇2之稀土氧化物的立方結 晶化只有對較輕的稀土全屬 a 、、、σ 挪土金屬而吕疋可打的。本發明教示， 在C e之後，隨著；^ μ μ ’、 者原子數的增加，最令人希冀的結晶就曰八 子式RE2〇3。事實上，古古接丄从Β人 日就疋分 筆貝上立方稀土結晶會因為多重的稀土 物氧化狀態’而具有顯著之最終的進料缺陷—因此= 種氧化物無法運㈣高性能之FET裝置上。將這種結2 订退火’將會導致混合的結晶相，也就是多晶性。

在第三種方法之中’係運用-種化學氣相沉積的形式， 其係使用分子金屬-前趨物。藉由使用高溫分解：、去 (pyr〇lysiS method)來將RE—氧化物之薄膜沉積在Si基 板上。在此方法t中，有機薄膜可以藉由使用點附在 丙明I旨複合物上的稀土金屬，來進行沉積，也就是奸

(CH3COCHCOCH3) 3H2〇，並且在在鎢掛禍之中，適中的 真空條件（>1G-6托耳）下進行蒸發。最終的薄膜以相似的 方式受到非結晶質及/或多晶RE—氧化物相所苦。在此論 文之引言中所概述的論點，相關前趨物ALD製程，同樣 支持此金屬一有機沉積技術。 藉由使用單一 Ει·2〇3靶材之適中真空程度的電子束蒸 發、以及使用三（2,4—戊二酮）（u〇〇_菲咯咐）铒（111) [Er ( pd ) 3.Phen]之前趨物的高壓金屬有機化學氣相沉積 (M〇CVD)，已經將氧化铒沉積在&基板之上。在以上 兩種成長方法中，也就是EBE和M〇CVD，該經沉積之薄 膜材料品質，展現了氧化铒之非結晶質相、以及最多為多 晶不足的材料。在習知技藝當中，並未展示及/或請求單 14 •200522146 以及 曰曰铒-氧化物薄膜作為。相似地’單晶稀土氧化物 石夕多層也並未被展示。 〜括‘之，一般而言，使用化學計量之稀土氧化物單一 革巴材、或者是稀土有機前趨物的EBE，並無法確保正綠纪 沉積薄膜化學計量。此會導致產生非結晶質及/或多晶_ 土氧化物薄膜。違背在薄膜沉積結構中的化學計量，一期 而言就會導致極度混亂的結構。 里 s 、因此，吾人需要一種經改良之絕緣層上覆矽（s〇I)紐

成物、裝置、及應用。更進一步需要實質上為單晶之s⑺细 成物、裝置、及應用。 ' 【發明内容】 本發明概要 本發明之一目的，在於提供經改良之絕緣層上覆矽 (SOI )組成物、裝置、及應用。 本發明之另一個目的，在於提供實質上為單晶之s⑴ 組成物、裝置、及應用。

本發明之更進一步的目的，在於提供實質上為單晶之稀 土氧化物、稀土氮化物、以及稀土磷化物。 本發明之又另一個目的，在於提供實質上為單晶之稀土 氧化物、稀土氮化物、以及稀土磷化物，其係形成於矽、 鍺、或者是矽一鍺（SiGe)晶圓。 本發明之另一個目的，在於在實質上為單晶之稀土氧化 物、稀土氮化物、以及稀土磷化物結構之上提供高品質、 早晶梦。 15 • 200522146 本發明之又另一個目的，在於以磊晶的方式，成長高品 質的矽於絕緣體晶圓上，並使其具有超過目前可獲得之結 晶品質。 本發明之更進一步的目的，在於創造用於製造積體電路 中之基板材料，其包含多功能的電路元件，這是在傳統美 板上成長所無法獲得的。 本發明之又另一個目的，在於在低尺寸限制、高電子或 電洞移動性電晶體中，提供結晶性且寬廣能帶間隙之稀土 氧化物、或氮化物、或磷化物材料。 ； 本發明之又另一個目的，在於提供多層結晶性Si於單 晶氧化铒之厚和薄的膜上。 乂本發明之又另一個目的，在於提供多層之厚和薄的膜 其係由結晶性Si 、以及單晶氧化铒所構成。 、本發明之又另-揭示，係提供稀土氮化物之蟲晶沉積 以及由磊晶沉積所形成之稀土磷化物二元半導體。 本發明之又另一個目的，在於在單晶 稀土氮化物及/或稀土磷化物之厚和薄 之結晶性Si。 稀土氧化物及/或 的膜上，提供多層 本發明之又另一個目的，在 其係由社曰性切… 厚和溥的膜結構 及/1^ 稀土氧化物及/或稀土氮化4 及/或稀土磷化物所構成。 本务明之另一個目的，在 [RE]x[0]y — 乂下分子式的組成物 其中X和y為正的實數，RE#為至少一種形式的禾 16 200522146 ，而相關的SOI’s 土金屬原子，而該組成物大部分為單曰 以及其他結構包含此組成物。 一種以下分子式之 本發明之更進一步的目的，在於提供 一元單晶稀土氮化物組成物·· REX N y 其中X和y為正的實數，么 係為至少一種形式的稀 土金屬原子，而該組成物大部公盔 、 人〜八口丨刀為早晶，而相關的S0I，s 、 以及其他結構包含此組成物。 本發明之另一個目的，在於提供一種以下分子式之二元 單晶稀土氮化物組成物： REX Py 其中X和y為正的實數，re係為至少一種形式的稀 土金屬原子，而該組成物大部分為單晶，而相關的s〇rs 、 以及其他結構包含此組成物。 本發明之又更進一步的目的，在於提供一種以下分子式 之稀土氧一氮化物三元組成物 [RE]X [〇!-ζ Nz]y 其中x 、y和z為正的實數，RE係為至少一種形式的 稀土金屬原子，而該組成物大部分為單晶，而相關的 S〇I’s 、以及其他結構包含此組成物。 本發明之又更進一步的目的’在於提供一種以下分孑式 之稀土氧一氮化物三元組成物 [RE]x [〇卜 z Nz]y， 其中X 、y和z為正的實數，RE係為至少一種形式的 17 .200522146 稀土金屬原子，而该組成物大部分曰 ，早日日、多晶、或非結 晶質，而該組成物大部分為單日、夕 丄日 夕日日、或非結晶質，而 相關的SQI，s、以及其他結構包含此組成物。 本發明之另-個目的，在於提供一種 土氧化物、氮化物、磷化物三元 Λ 7稀 , 兀及/或四元合金組成物： =則為至少-種形式的稀土金屬，其中 和z為正的貫數，而該組成物大 而達成： 糟由k供以下分子式 以下分子式的稀土氧化物·· [RE1 少-種形式的稀土金屬原子，而二]::，RE係為至 廿日, 而°亥組成物大部分為單晶、 並且X和y為3或者是更小的正實數。 在本發明之另一個具體態樣當中，_ 組成物，係藉由以下分子式所提供：…日曰稀土氮化物 REX Ny

-中X和y為2或者是更小的正實數，R 一種形式的稀土全屬痔早 糸為至少 為單晶。原子而该二元稀土氮化物的大部分 在本發明之另一個具體態樣當中，二 組成物’係藉由以下分子式所提供： 曰曰稀土磷化物 REX py /、中义和y為2或者是更小的正 ， ^ 一種形式的蘇4·人Η Ε係為至少 裡〜式的稀土金屬原子，而該 勹芏少 稀土磷化物的大部分 18 .200522146 為單

在本發明之另一個具體態樣當中，二元單晶稀土氧化物 組成物，係藉由以下分子式所提供·· REX 〇y 其中x和y為2或者是更小的正實數，RE係為至少 一種形式的稀土金屬原子，而該二元稀土氧化物的大部分 為單晶。

在本發明之另一個具體態樣當中，二元單晶稀土氧化物 組成物，係藉由以、下分子式所提供： REX 〇, 其中X為2.0而y為3·0，re係為至少_種妒式 稀土金屬原子，而該二元稀土氧化物的大部分為單曰。 在本發明之另一個具體態樣當中，二元單晶稀土氮化 組成物，係藉由以下分子式所提供： REX Ny 係為至少一種形式的 的大部分為單晶。 一元單晶稀土鱗化物

其中x為1.0而y為1.0，re 稀土金屬原子，而該二元稀土氮化物 在本發明之另一個具體態樣當中， 組成物，係藉由以下分子式所提供： REX py 係為至少一種形式的 的大部分為單晶。 稀土氣-氮化物三元 其中X為1.0而y為1·0，RE 稀土金屬原子，而該二元稀土鱗化物 在本發明之另一個具體態樣當中， 組成物’係藉由以下分子式所提供·· 19 200522146 [RE]X [〇! - z Nz]v i j y 5 其中“”為正的實數，2為 1·。，係、為至少_種：且】、於或專於 大部分為單晶； 冑金屬原子’而該組成物 在本發明之另_個 物、……一 當中，矽稀土氧化物、氮化 物 W化物二兀或四元人么总—丄 π口金係猎由以下分子式 [(RE) χ(0 及/哎 w ί > 及/或P) y] [Si及/或Ge及/

或 SiGe]z， X 其中RE係為至少一插形— 少種形式的稀土金屬，其中x、y和 z為小於或等於5的正音赵 貫數而该組成物大部分為單晶。 具體態樣之敘述 在各種不同的具體態樣之中，本發明提供了⑴成長 技術；（11)蟲晶製程步驟；（叫實質上為單晶之稀土氧 化物組成物、及結構；（iv)具有…或以之三元及/ 或四元稀土氧化物化合物；（V)未受激分子氧氣、受激之 介穩定分子氧氣、原子氧、，同位素純氧或者是這些氧氣形 式的組合；（Vi)經活化之氮氣種，分子形式的及/或原子 形式的，（VII )稀土氧氮化物；（viii )實質上為單晶之多 晶及/或非結晶質稀土氮化物、以及磷化物，·（ ix)具有 Si及/或Ge之三元及^/或四元稀土氮化物、以及磷化物（X ) 可調諧之電子和光學的能帶間隙稀土化合物；（幻）多層 結構之稀土化合物，諸如稀土氧化物、稀土氮化物、稀土 氧氮化物、稀土磷化物、或者是其混合物，具有Si、Ge 、 和SiGe、以及Si、Ge 、或矽—鍺合金；（χΗ)使用先前 20 200522146 所敘述之許多裝置的材料系、统，其 體電子裝置，被動光子裝置 w限於）積 里 ^ 九表置、電致一光學裝 置、電致-電子裝置，及其相似者。 予居 長：一個具體態樣中’稀土金屬氧化物之單晶成 = 夕數都可需要個別控制相對的氧氣和元素金屬熔 劑，以達成最理想的沉積。對於元素金屬而言，富含= 的條件對於單晶氧化辑沉積是报有利的。更進一步而言， 重稀土元素，特別是諸如斜、和鏡，可以藉由使用分子束 源（effusioncells)、以及陶㈣禍，以元素的形式輕易地 將其蒸發。單-RE-氧化物EBE㈣、或稀土前趨物形 式的MOCVD，可需要供應額外的氧，具有未受激分子氧 氣、受激之分子氧氣、原子氧’以提供富含氧氣的成長條 件或者是缺乏金屬的條件，如同以下的完整敘述。 在本發明之一個具體態樣中，係藉由使用一種多層沉積 循環，而創造出平面雙閘極（planardualgate)場效應電晶 體結構，該一種多層沉積循環多層包括矽和RE—氧化物、 或者是RE—氮化物、或RE—磷化物（或者是具有以或 Ge的三元化物）。基本的循環單位為：將實質上為單晶或 多晶之矽，磊晶沉積至先前已經沉積之高k值介電單晶re —氧化物、RE—氮化物、以及RE_磷化物 '或者是相關具 有Si或Ge的三元化物之上，這些實質上是在以基板之 在本發明之另一個具體態樣當中，提供了 一種平面雙閘 極％效應電晶體結構，並且可藉由使用石夕和RE —氧化物、 21 .200522146 或者是RE—氮化物、或RE—磷化物、或者是具有&或 Ge的三元化物的多層沉積循環’來加以創造。基本的循二 單位為：將實質上為單晶或多晶之石夕，蟲晶沉積至先前二 經沉積之高k值介電單晶RE—氧化物、RE—氮化物、以及 RE-罐化物、或者是相關具有Si 4 ^的三元化物之上， 這些實質上是在Si基板之上，該基板之後具有金屬石夕化物 閘極接觸（其可以作為一種說明而不是限制條件）、塊材 矽化斜、SiErx、多層的石夕/SiErx、及其相似者，其中X為 一個小於2的正實數。 — 在本發明之一個具體態樣中，係提供了光學活性結構， 其，藉由使用一層或多層沉積循環的石夕和RE-氧化物、或 疋E氮化物、或RE—磷化物、或者是具有Si或^ 、元化物來達成。基本的循環單位可為··將實質上為單 曰曰曰或夕曰日之矽，磊晶沉積至先前已經沉積之高^值介電單 日曰RE-乳化物、RE—氮化物、以及re—鱗化物、或者是 相關具有Sl $ Ge的三元化物之上，這些實質上是在Si基 板之上。 在本發明之-個具體態樣中，係提供了光學活性結構， ^其可以電子方式受激’已發射出光學輻射及/或使其被 一；f ^于車田射轉換成電子及/或電洞。此結構可以運用 層❹層沉積循環之石夕和RE-氧化物、或者是RE-氮化 5 H化物、或者是具有Si或Ge的三元化物。基 單位可為：將實質上為單晶或多晶之石夕，蟲晶沉 、 别已經沉積之高k值介電單晶RE—氧化物、RE一氮 22 200522146 化物、以及RE —磷化物、或者是相關具有Si或Ge的三元 化物之上，這些實質上是在Si基板之上。 在本發明之另一個具體態樣當中，係提供了磁性活性妙 構，其係藉由使用一層或多層沉積循環之矽和RE —氧化 物、或者是RE —氮化物、或RE —磷化物、或者是具有8丨戋 Ge的三元化物。基本的循環單位可為：將實質上為單曰或 多晶之矽，磊晶沉積至先前已經沉積之高k值介電單晶re —氧化物、RE —氮化物、以及RE—磷化物、或者是相關具 有Si或Ge的三元化物之上，這些實質上是在以基板之 上。 在本發明之一個具體態樣中，係提供了—種高效率之光 學抽運及/或電-光裝置。在此具體態樣之中，係使用一 種^金屬來作為光學活性元素，而且該稀土原子係處於 二知離子化（RE”狀態。當該RE被導入至—化… 有達到這種條件時，該RE對於第 性。這是歸…—殼層之稀土元素的獨特電子 …因此，在先前所提及之化合物的氧化 磷化物、或者是Si三元化物中的稀 結配位必需脾-如+ 屬其最理想的鍵 該稀土元素係處於三價離子化狀[金屬上移除，例如 稀土氧化物可具有多重的相。較輕的土 成具有氧化狀態的化合物，尤其是㈣⑽/^可以形 及RE“。惟獨該RE3+狀態是最理相 E 、以 re+4〇i 心的，因此該分子式 2之化合物（舉例而言），在 π予上疋不明顯的。 23 200522146 本卷月之各種不同的具體態 $ # » # e1 係稭由使用說明書中 所敘述之成長技術，在多重的s 且壬八η * &板上，以磊晶的方式成 長重金屬稀土氧化物（使用氧化 七斗、、各 料早日日材枓作為貫施例的 )。在本發明的一個具體態樣中，最底層之4f—㈣ 躍遷，其非常強烈的光學活性 > 曰

At 、衣考絶大多數之re3+氧化 狀態。

在本發明之一個具體態樣中，在適當的條件之下，氮, 形成強mE-n鍵。該稀土氮化物系統具有很強的離子裝 性。相較於該稀土氧化物，稀土氮化物與稀土填化物的介 合物可展現R#氧化狀態之實質上較高的可能性。在本潑 明之-個具體態樣中，當氮原子㈣原子形成处化合物纪 時候，係具有非常高的親和力，以接受三個電子。具有N '和P3-狀態的陰離子可形成分子式Re3+n3_ *RE3+p3 之稀土氮化物、和稀土磷化物的化合物。相形之下，浐重 的稀土氧化物會優先形成RE3 + 2〇2- 3化合物。

在本發明之另一個具體態樣當中，係提供了一種稀土氧 —氮化物（RE—0-N)、或者是稀土氧—碟化物（re_〇 〜P )組成物，其可被用來控制稀土元素的氧化狀熊，並且 藉此控制該材料的電子和光學的特性。以說明性質的方式 (而非用於限定本發明），提供了一種單晶及/或多晶L 化辑（ErN )材料、ErP組成物、及其相似者。 在本發明之一個具體態樣中’係提供了一種稀土氮化物 ΕγΝ、稀土一磷化物、ErP二元化合物、及其相似者，並且 具有較高的沉積效果，以於實質上為立方及/或纖辞礦型 24 .200522146 進仃、、、口日日化。該晶體對稱 石之結晶社槿卜* 冉矢群係後適合於在類似鑽 。日日、、口構上，諸如Si (〇〇1) _ 買 的錯位表面，來$ A 表面、或者是相關 為叫㈣晶成長。相形之下，實質上 , >^、、、°晶結構的稀土氧化物，對於在Si(lu) 〇 Φ之實質上為六方對稱上進行 咼的沉積效果。 將具有較 物化2發明之一個具體態樣中’可使用實質上為稀土氧化 物化合物之選擇性的氮化作用（也就 ：化 氮的種類）、哎去曰## % m / 详性地導入一 心… 作用（也就U擇性地導入- 磷的種類)，以键茹人 守八 气㈣, 心始化5物之陰離子與陽離子的電 ♦ 4。相反的例子，將實質上為純稀土氮化物 磷化物的化合物進行選擇性的氧化作用，也一樣適用。在 ί:Γ樣之中’藉由逐漸取代稀土氧化物（氮化物）化 e物中之氧（氮），也可產生 產生“（較低）陰離子電荷的 。對於稀土金屬而'r ’就有相關的電荷補償需 求2陰離子電荷補償可有效地藉由添加另一種種類來加 以補員’其包括（但不褐限於）Si、Ge及其相似者。以說 明性質的方式（而非用於限定本發明），在稀土氧化物例 子當中的稀土三元化物，可以將2N3-冑人來取代3〇2_。 舉例而言，從RE2〇3轉變成REN的氮化作用，需要將平均 1.5個氧原子移除’以將每個氮原子插人，來達到預守怪之 電荷中性。 在本發明之一個具體態樣中，以上所敘述之陰離子取代 過程可以改變電子能帶間隙、導電性種類（也就是電洞p_ 25 .200522146 =式或者是電子η·型式過量（特性））、以及光學特性， Γ吸收和發射特性。此方法之過量的電荷特性，對於在 建構高電子或電洞遷移率的電晶體及/或該材料之準費穷 能階（quasifermi_level)的操作是很有利的。 … 在本發明之另—個具體態樣當中，係提供了-種高效率 =譜之能帶間隙電子及，或電、光裝置。在此具體態樣 中，係提供了一種量子限制結構，其係藉由使用週期性、 和非週期性之多層里_ έ士椹r ，、、、口冓（h ro_structure)，以及該稀 土兀素種類的選擇性離子化狀態來達成。其係提供了在個 二：口物§中’三價離子化之稀土離子的能帶間隙操作化 口物及/或4f-殼層電子躍遷。 在本發明之-個具體態樣中，係提供—種高效率可調譜 之光學增益材料，其係基於稀土 4f—殼層電子躍遷。相較 於由ιπ—ν族及/或m族-氮化物半導體所構成之光學增 显材料，該發射與吸收特徵係相對地與溫度獨立的。 在本發明之另一個具體態樣當中，係提供一種高效率可 調諧之光學增益材料。這些可基㈣量子井電位（q_tum Γ!! rientlals)所操作之中間次能帶（intersubband)與内 部次能帶（intrasubband)的電子躍遷，該量子井電位係由 寬廣能帶間隙之稀土氧化物、稀土氣化物、稀土磷化物、 以及更小能帶間隙石夕及，或鍺、及其相似者的週期性或非 週期性結構所產生。此外，還提供了一種高效率可調諧之 斤射率的光予及/或電一光裝置，並且可以具有覆蓋層、 光子核〜層、以及旋光（0Pticallyactive)層，以用於被動 26 .200522146 及/或主動波導或空穴。折射率的控制對於引導光學輻射 至貫質上為平面的方向上及/或垂直於成長方向之層的方 向上是很重要的。 在本發明之一個具體態樣中，係提供了 一種稀土氧化 物、稀土氮化物、稀土鱗化物、以及石夕的多層結構，係用 於創造多種裝置。這種裝置包括了有（但是不侷限於）電 子場效應電晶體、雙極電晶體、雙重或者甚至是多重閘極 FET電晶體、多層FET電路的垂直集成、及其相似者。在 本發明之一個具體態樣中，係提供了 一種由高效率之電致 —光學、電磁、以及壓電驅動的裝置。舉例而言，提供一 種順磁及/或鐵磁及/或亞鐵磁裝置，其係基於三價離子 化之稀土離子的磁性’該三價離子化之稀土離子形成了基 質稀土一氧化物、或稀土氮化物、或稀土磷化物活性層或 夕層’並且可藉由使用電子及/或及/或壓電及/或光學 激發或者是去〜激發來進一部加以控制。 在本發明之一個具體態樣中，係為稀土量子態的集成， 其係藉由使用4f —殼層電子能量能階群（electr〇nic manifold )所製備，可以如預料地加以控制，或/及光學方 式及/或電子方式及/或磁性方式，以及更進一步控制名 每一個嵌埋於光子能帶間隙結構中之該經包裝的量子楚 中—〇構係可以抑制或允許該稀土量子態之光學耦合。 士同乂上所敘述之功能性量子態係為量子機械計算引擎^ 基本要素或紀錄器。許多這種紀錄器可以是使用傳統石夕驾 程技術的。這樣解決了量子計算（quantum computing) & 27 ‘200522146 領域當中一個長期存在的問題。 在本發明之一個具體態樣中，係提供了一種實質上為單 晶之稀土氧化物（c_Er0x)。在此具體態樣之中，铒離子係 適當地在三價離子化狀態中活化，而4f一殼層岐管的光學 吸收和發射是有可能的。铒會在經適當活化之/氮、介= 疋分子氧氣/氮、及/或氧氮化物的環境之中輕易地進行 氧化和氮化。本發明包括了可以單晶型式磊晶形成在 基板上的新型式c-ErOx和c-ErN。

【圖式簡單說明】 【實施方式】 實施例1 〜 ^仏苍早晶組成

Erx〇y，其係顯示於圖i，其中,和y為正實數。在圖】 中，該c-Er〇X結構細微一種具有週期邊界條件之超紹 (supercen)的結構，並且一般係以1〇代表。該稀土肩

是以深色球體12做為代表，而較為淺色的球體則係代表 原子丨4。一層接—層的成長方向16係與該晶體成長方 相符合。-個完整二維空間之以氧為末端的層， 係以1 8來顯示。 使用密度泛函理論（density funetiQnai加⑽） 波假位能（psuedopotential )方沬 。 〆友、以及自恰最小 (self-consistent minimization)，來執—处旦 ’、 算。圖2⑴係說明能量五（其 二量 '動量的. , 、係以1 1 〇代表）分 係為本發明之單晶稀土氧化物E 欣，： 的結晶動量灸（ 28 .200522146 代表）的函數。 為了進行比較，而進行了塊材Si五—灸曲線的計算並 且顯示於圖夕rb 处册 、J之中。^ErOx具有與塊材Si不同數量 之月匕贡結構，其主要係歸因於原子對稱和鍵結的形式。 0x的月b ▼間隙係大約為6eV，並且具有低於Si很多的 折射率，且可為大約1.7。 ^在本發明之一個具體態樣中，係提供了實質上為單晶之 7斜、、且成物、其形成方法和裝置、以及併入該組成物之 裝置，將進一步於以下進行敘述。 _ 實施 在本發明之一個具體態樣中，係提供一種組成物，盆中 當形成RE化合物時’氮原子具有非常高的親和力，以接受 二個電子。也就是說’具有N3-電子狀態的陰離子，可形 成刀子式RE N之單晶、多晶、以及非結晶質稀土氮化物 的化°物。適合用於製備RE— N化合物的條件，係為使用 、HV % k (適合用於沉積在一基板上）、元素re來源、 以及原子氮（N)來源、及/或介穩定受激之分子氮氣（〇 · 及/或未受激分子氮氣（N2 )的實施例。 稀土氮化物ErN二元化合物，可具有較高的沉積效 果’，於實質上為立方及/或纖鋅礦型結構十進行結晶 化5亥晶體對稱族群係很適合於在類似鑽石之結晶結構 上，諸如以（〇〇1)-定向表面、或者是相關的錯位表面， 來進行優先的屋晶成長。在本發明之一具體態樣中，係提 供-種RE-N化合物’其係與其他元素性的原子進行合 29 200522146 金。以實施例的方 與石夕及/或錯進行而非用於限定本發明）nN RExNyGez之三元化入=會形成分子式RExNySiz及/或 數以及電子能帶間隙、。:亥三元化合物具有可變的晶格常 的函數。 乍為&與Ge之相對莫耳分率（z) 實施例j 在一個具體態樣之中， .. , L T &供了一種實質上為單晶之鞴+ 碗化物組成物。在適當 之稀土 RE-P Μ 〇 〕條件之下，磷會形成強的離子 =二“亥嶙原子或分子形成犯化 ^有非常㈣親和力，轉受三個電子。也 二: Ρ電子狀態的险齙；if』 兒具有 幻u離子可形成分子式re3+p3-之單曰夕 晶。:二=0質稀土璘化物的化合物。適合用於製:、二 A二的 為為（舉例而言）：使用適合用於沉積在 :基板=膽環境、一種元素性的处來源、原子麟 “ ：％ ( P2及/或P4 ) #來源、磷化物化合物的昇 举，及其相似者。 :稀土氮化# ErP二元化合物可具有較高的沉積效 果’以於貫質上為立方及/或纖鋅擴型結構中進行結晶化 及/或纖辞礦型結構。此種晶體對稱族群非常適合用於在 類似鑽石之結晶結構上進行優先的蟲晶成長，諸如叫_ ) 一疋向表面、或者是相關的錯位表面。 RE—P化合物可與其他元素性的原子進行合金。以規 明性質的方式（而非用於限定本發明），RE—p可與石夕及 /或鍺進行合金，以形成以下化學式之三元化合物· 30 .200522146 Z係為正 RExPySiz及/或犯為％，其中χ、y以及 實數。 該三元化合物具有可變的晶格常數以及電子能帶間 隙，作為Si與Ge之相對莫耳分率（z)的函數。 實施例4 在此實施例之中，係提供了一種多重稀土氧化物、氮化 物、獅之二元化物。多重稀土金屬可以被併入至以氧 化物、氮化物及/或磷化物為基之化合物。以說明性質的 方式（而非用於限定本發明），REi = Er與KB:=几可 以被共同沉積，以形成以下化學式之化合物： [Ei*zYb】-z]x [0或N或p]y，其中z係為玢和刊 的相對分率。此技術可以延伸到數個RE上，以形成 =E】、RE2、·.·紅‘…或N或p]y ，其^ χ和^ 為正實數。該空間和化學組成可以作為成長方向的函數而 變化。 實施例5 在此實施例之中，稀土氧氮化物化合物在沉積過程期 間，可以藉由將氧及/或氮及/或氧化氮（ΝΑ或n〇) 種類導入而形成。展現以下化學式之化學分子式的化合物： [RE]X [Ch-Z Nz]y可以形成獨特的單晶、或多晶、 結晶質結構。 / 實施例6 在此實施例之中，稀土氧化物、氮化物及/或磷化物可 以和其他元素進行合金化，該其他元素包括（但不侷限於' 31 .200522146 其係提供了一種 第ιν族非金屬元素，諸如Si及/或& 展現以下化學式之組成物： [(RE) X ( 〇 或 N 或 P) y ] [Si 或 Ge 或 SiGe]z 其係藉由使用以上所敘述之用於RE — [0, N，P]沉積 的技術、以及更進一步#用Ώ i ' 便用Sl及/或Ge元素來源進行丘

電子能帶結構、磁性和光學特性。具體而言，該組成物之 晶格常數及/或電子性質可以進行有利的變化，以使得低 缺挽度之單晶可沉積&不相似的材料上。該組成物之電 子特性可以藉由將較多數量之Si和Ge導人，而進行有利 :變化，從實質上為絕緣變成半導體。該組成物之電子性 質可以更進一步加以操作，以展現導體的行為，也就是藉 由將較多數量之稀土離子及/或使用如以上所敘述之電^ 補償方法。 同沉積而達成。舉例而言，導入元素si和&可以被用： 操作該化合物之電子和結構特性。另—個實施例係在沉積 過程期間’藉由使用矽⑬（SiH2)或者是適當的（GeH2) 氣態前趨物來進行共同沉積。又另-種實施例則係將Si及 /或Ge後成長（post gr〇wth)至該RE氧化物、氮化物、 或η化物之上’之後再將其進行退火以形成三元化物。在 本發明之-個具體態樣之中，該空間和化學組成可以作為 成長方向的函數而變化。藉由改變該組成物之成分的相對 化干比例1以達到特定的具體的結晶結構、類質同形體、

實施例7 此貫施例係說明在本發明之一個具體態樣中，當使用了 32 200522146 所謂的「樣板成長（tempiategrowth)」方法時，成長了本 發明最高品質之實f上為單結晶f的結構。在此^法之 中，係使用一層下列種類之至少一種的材料層來作為—種 樣板：稀土（RE)、稀土氧化物（REx〇y)、稀土氮化物 (RExNy)、稀土鱗化物（RExPy);利用與 ,)、稀土氧氮化物(一)y)、或者是稀土氧(:ς) (〇xyPh〇sphide) ( REx ( 0，p) y)進行合金化之石夕（或錯、 或SiG〇合金，所形成的石夕化物；氮化石夕UixNy);氧化 石夕（S】Oy );氧化鍺（Ge〇y );氮化錯〜為，·鱗化錯（以); 元素Si及/或Ge;並在該樣板上成長本發明之组成物。y舉 例而言，在成長e-EK)x之中，藉由使用成長在單結晶質氧 化石夕層c-Si〇x218上之純·晶體的辑樣板22〇，可以達到最 理想的成長效果，其中x係小於！，如顯示於圖3 (心 之中。 圖3(a)係說明本發明之絕緣層上覆矽結構2ι〇的一 個具體態樣。其係將-層單結晶質石夕I 212以蠢晶的方 式，沉積在一層單晶（Erx〇y)層214之上。層212和層川 係成長在一個矽（111) _定向的基板上，其係以元件符號 =6作為代表。對於本發明之一個具體態樣而言，係將實 質上為純—晶體樣板層218和層22〇 1 結晶質㈣緩衝層⑵之上。正常來說，係使用入射^ 射的光學輻射226來監測作為沉積時間之函數的多層堆 疊0 圖 (b)係說明本發明之絕緣層上覆矽結構31〇的另 33 200522146 一個具體態樣。在此具體態樣之中，係將一層實質上為單 結晶質之石夕層312以磊晶的方式沉積在一層單晶（Erx〇y) 層3 14上。對於本發明之一個具體態樣而言，係將層3 12和 層314成長在一個矽（ι〇〇)—定向的基板316上。純〜 晶體樣板層318和層320係成長在一層單結晶質之矽 緩衝層322之上。 應該要了解到的是，可以使用一些樣板，其包括（但不 侷限於）成長在稀土矽化物（SiErv，其中v係為一個小於 2的正實數）之上的Si] —z(Erx〇y)z (其中x、y以及z係 為正實數），如同顯示於圖3 ( b )之中。 圖4係說明揭示於圖3 (b)中之絕緣層上覆矽結構的 雙晶X —光繞射曲線。該標記為412的峰值係代表著單晶 矽004反射，而該經良好定義之狹窄峰值4ι〇係代表著 高品質單晶氧化铒002反射。缺少了任何一種其他的氧化 铒相關峰值係指示該氧化铒層係為類質同形體並且

(a)係說明對於單晶氧化铒層而言，作為沉積時 間之函數的原位光反射率曲線。在圖3(a)所揭示的結構 中’係使用一種單色的光源。該震盪則係敘述—個成長的 表面，其具有作為沉積時間之函數而增加的厚度。峰值代 表的建設性干涉、而峰股則代表著破壞性干涉。 毒的又晶X —光繞射曲線。曲線51〇和曲線Μ]係 —層高品質之單晶氧㈣層，以蟲晶的方式被沉積在 34 200522146 基板之上。曲線5 10代表著一種絕緣層上覆矽結構，其具 有於頂部單晶石夕層下方之較曲線512為厚的單晶氧化鲜 層。該單晶矽峰值係以514顯示。 圖5 ( c )係說明揭示於圖3 ( a )中之結構的傾斜入射 X —光繞射圖案。作為角度之函數的漣漪，係意指一種原 子級平坦結構。 藉由使用此種樣板成長技術，可以成長出複雜的結構並 加以月顯強化，諸如超晶格。圖6係說明本發明之絕緣層 上覆矽結構610的一個具體態樣，其係使用超晶格。結構 610包括了一個多層、超晶格結構612，其係由結晶氧化 鲜6 14和鍺層616結構所構成。 氧化铒614和鍺616之晶格常數係相當不同的。單晶 無缺陷之多層係藉由平衡經磊晶的方式所沉積之薄膜的四 方文开y ( tetragonal distortion )而形成。選定該超晶格層厚 度，使得在每一層當中之相同和相反的應變力實質上抵 銷，造成應變減少或者是產生無應變的超晶格612。'如此 會使得總厚度大於純Ge之臨界層厚度的單晶超晶格結構， 直接沉積在Si之上。 在本發明之一個具體態樣中，該超晶袼結構612係成 長在一層石夕氧化斜樣板層618以及一層石夕化铒樣板層 620之上。一層|晶石夕覆蓋| 622被沉積在該肖晶格結構 612之上。該多重層係成長在一矽緩衝層624之上，而該 矽緩衝層624則係沉積在一矽（1〇〇)〜定向基板上。 在各種不同之具體態樣中，本發明之超晶袼可具有一基 35 200522146 板，以及複數個重覆的 分係為以下至少一種：亥重覆7°件當中至少有-部 1 · 一種以下分+ + + μ , ^ ,土 式之稀土氧化物··（REx〇y)，並中χ 和y為小於或等於3的正實數； /、中 2· -種以下分子式之稀土氮化物 和y為小於或等於2的正實數；（机Ny)，其中x (RExPy)，其中 X (RExSiy)，其中 X ·· ( REx[OzN卜 z]y， 實數，而z係為小 3 · 一種以下分子式之稀土磷化物： 和y為小於或等於2的正實數； 4. 一種以下分子式之稀土矽化物·· 和y為小於或等於2的正實數； 5· —種以下分子式之稀土氧氮化物 其中x和y分別為小於或等於3的正 於或專於1的正實數； 6· —種以下分子式之稀土氧磷化物：（REx[〇zPn]y)， 其中x和y為individually小於或等於3的正實數，而z係 為小於或等於1的正實數； 7· —種以下分子式之稀土鍺合金：（RExGey)，其中 x和y為小於或等於3的正實數； 8 · —種以下分子式之稀土一鍺一氧化物一氮化物一石粦 化物：（REX [〇或n或P]yGez)，其中X、y以及z係 為小於或等於3的正實數； 9· 一種以下分子式之氮化鍺：（GexNy)，其中X和y 為小於或等於5的正實數； 10. —種以下分子式之氧化鍺：（GexOy) ’其中X和 36 200522146 y為小於或等於3的正實數；以及 11 · 一種以下分子式之稀土〜矽—氧化物一氮化物— 攝化物：（REx[〇或N或P]ySiz)，其中x、y以及2係 為小於或等於3的正實數。 、12·—種以下分子式之氮切：⑶xNy).，其中X和 y為小於或等於5的正實數。 13· 一種以下分子式之氧化矽：（s“〇y)，其中X和 y為小於或等於2的正實數。 將此種樣板成長方法’同樣運用來成長一種材料，其具 有經控制且具有高度明確之結晶對多晶結構的比例。此實 施例7之樣板成長方法，可以被運用來創造—種介於純單 結晶質結構之間的連續躍遷，從多晶到最終的非結晶質结 構，都是在單-成長的運轉中進行。圖7係顯示此種樣板 成長方法，就本發明之另一種絕緣層上覆矽結構71〇而 言，如同運用到具有Sil_z(Erx〇y)z樣板的氮化斜成長中， 其中：、y職z係為正實數。在圖7之中，係提供實質 上為早晶之結構712 、以及多晶氮化铒（ΕγΝ)714。將該 氮化铒層沉積至一層單晶氧化铒緩衝層716上。將該氧化 餌缓衝層716沉積至由單晶魏化斜718、以切化辑 720所構成之樣板層上。將頂部之矽層722用來完成多重 層的順序。將該多層結構沉積在一矽緩衝層724之上，而 該矽緩衝層724係沉積在矽（1〇〇) 一定向基板7%之上而 該單晶ErN 具有不同於該單晶氧化鲜緩衝層 716之晶格常數。當該肺^ 712的厚度增加到超過該^ 37 200522146 界層厚度（CLT )時，就會產生不適當的差排，並且產生多 晶ErN ( pc-ErN) 714。敘述了從單晶躍遷至多晶ErN的成 長，其係發生在介於716和712之間的區域間。更進一步 而言’該多晶矽覆蓋層722可以被沉積在該多晶ErN層 714之上。應該要注意的是，對於單晶氧化铒上之ErN成 長而言，如果該CLT並沒有被超過，則就會獲得單晶的

ErN。因此，對於要將單晶矽沉積在該單晶ΕγΝ層712之

上是可能的。該單晶矽層可以有利地在緊繃及/或壓縮的 狀態中進行成長。也就是說，可以形成經應變的層矽，藉 此包括一經應變的s〇I結構。在本發明之一 9 可以將一單晶一晶的方式直接沉積在s;、= 向表面的頂部上，並具有和不具有六度的誤切定向一_ oriented )表面。 實施例8 此實施例係討論各種不同之成县 長工具，其可利用本發 之組成物和裝置來加以運用。

使用該RHEED圖案以利於這此^ ^ 一啊材枓和結構的 長’並且證明所有的這些新材料均確實為高品質且低缺 密度的純單晶。圖8 (a)與8⑴係為圖3⑴中之 214的原位正交方位角rheed 口系衫像。長创尘觀 rheed 條紋 810、812、與 814 大、兄 了思扣絕佳品質之單晶 化铒、以及二維空間中之一層接一声 、

θ勺成長。該RHEED 紋812至814已清楚定義，長且 N 相形之下，姐撼 知技藝成長之稀土氧化物的RHEED，

货、”、員不不是無RHEE 38 200522146 圖案（非結晶質）、n ^ 、 就疋向度擴散之斑點狀、及/或光環 RHEED的圖案（ 少曰 、夕日日）〇介於該RHEED圖案以及之後的 多晶及/或非社曰所 、。日日貝、、Ό構之間的對比是很明顯的。本案發 月人之方法已經清#制、皮山> 〇 ^ 咸衣k出咼品質單晶結構，然而習知技

Li二^ ^ A自然中能夠尋獲的材#，例如高度多晶、 或非V、口日日質的材料。 Θ ( 係為成長在圖3 ( a)中之單晶氧化铒層214 上的單晶石夕層212的咖ED圖案影像。圖3 (a)中之層

犯的咖ED影像δ16至咖，係顯示用於％度增加 之凝轉的方位角日如 田 用曰曰軸，用於一個固定之入射電子束。該影 像816至838係意指高品質單晶以212係以磊晶的方式 被沉積在寬廣之能帶間隙單晶氧化铒絕緣層214上。

圖8 (d)與8 (e)係與圖8 (a)與8 (b)相同，除 了其係代表圖3 (b)中具有正交方位角的層314，其係用 於個固疋之入射電子束。該影像係顯示長且尖銳的條紋 840、842、以及844 ’其係意指單晶氧化_被沉積在一個 2 X 1重構之中。 皁晶矽可有效地成長在寬廣能帶間隙之絕緣薄膜上，該 薄膜係由單晶稀土氧化物所構成。該s〇i結構可以在石夕其 板上完成，其具有實質上為（〇01)—定向表面、 一定向表面、從（001) —、（m)_ 、或（011) 一定 向表面脫離出來之定向的誤切表面。 藉由使用即時的RHEED與鄰近法線之入射反射率於 原位監控磊晶層成長。該UHV系統之典型的基本麼力為大 39 200522146 約1 3x10 托耳。將分子束源用於4N+—純度Er以及 6NH Ge#蒸發。使用極低光束愿力電漿源來製造原 子和介穩定之氧和氮的種類。藉由使用殘餘氣體分析儀或 光學發射感測器來監控氣體種類和Si助嫁劑。藉由使用高 穩定性之經棒料進送㈤_fed)、或㈣電子束蒸發器^ 將Si加以蒸發。 ’ 將單晶稀土氧化物成長在經RCA清潔之Si ( lu)基 板上乾，尹的&表面係以一層濕式成長之保護性Si〇2層 口束或者疋使用一個最終HF浸泡（finai HF dip )而產 生Η末知（H_terminated)。拿出基板於UHV中進行氣 體f理，然後再將其裝載至該成長腔室之中。在沉積處理 之岫將基板加熱至900°C，直到藉由rHEED觀察到清楚 的7x7表面重構。在該成長腔室中之基本壓力於氧化物移 除期間，絕對不會超過2x 1 (Γ1。托耳。在丽退火進行 1 5刀釦之後，將該基板快速地冷卻至用於大約1 〇〇〇埃 之本貝Sl，之緩衝層沉積的成長溫度。RHEED展現了非常 尖銳 '非常I、且狹窄的條紋，其係代表著原子級平坦、 且經良好疋義之Si表面。圖3 (a)與3 (b)分別以圖表 式的方式顯示沉積在Sl(ln)—和si(〇〇i) _定向基板 之八里的層順序。敛述於圖3 ( b )中之方法順序係於攝 矛700度之下進行成長。敘述於圖3(b)中之方法 順序：：攝氏50"口 7〇〇度之下進行成長。成長了 一層熱 力子％疋之順序的層，以於_層假形# ( pwudc)m()rphic ) r〇x層成長以月·」，建立一個原子樣板，該d〇x層代 40 200522146 表者6亥卓晶組成物£ x y’其中X和y為正實數。如果沒 _可夕曰曰或非結晶質成長的證據，RHEED條紋不會 一失”亥單曰曰稀土氧化物與氮化物薄膜可以在攝氏300至 1000度的溫度範圍 _ ㈤之間進仃成長。該單晶矽化物層可以在 攝氏300至8〇〇度之下邊 又 < 卜進仃成長。很明顯地，該方法之沉 積溫度可與標準CMOS製程相容。

在本^月之個具體態樣中，係提供-種使用RHEED 圖案的方法’以提供對該成長方法的反饋。由於這些材料

過去從未以單晶形或& γ + E 仃成長’使得這些技術在以前從來 都沒有運用到此方法上。 本發明之—個具體態樣中，係使用光致發光（PL ) 二=半導體晶圓，其係藉由改變PL卫具的激發波長， =色變成藍色（ 488nm)、或者是紅外線 (8 _)、或紫外線（355_)。由於這些稀土氧化物、 乂 物 以及鱗化物之純_ Β L J. » 日日體特性，在與這些新的波長 a 守’該晶圓在先前無法從矽獲得之波長下，甚至 是在室溫下’展現了強的光致發光（pL)。舉例而言，备 所使用之稀土元素為餌時’這些新的材料就會在用於電： 之〗4〇〇至168〇 nm能帶中強烈地發射。圖9 ' 栗激下的光致發光發射，加註明㈣^ ……其係將三價離子化之稀… 躍遷加以標記。在一種非結晶質的材料當中，諸白特疋 雜的磁祕、士 17田甲，诸如以铒摻 …’每-種分裂是無法觀察到的。就本發明的一個 200522146 具體態樣而言，係將此特徵用來作為量測最終結構之結晶 性的精確工具。可以將P…作為一種非侵入性探針以 用於稀土材料的光學識別（signature identificat㈣。 在本發明之-個具體態樣中，係使用快速退火（RTA) 技術來緩和稀土薄膜之晶體品質及/或活化電的換雜物。 在本發明之另—個具體態樣當中，係使用了短波長激發 ㈣曼散射（R麵n se動ing) ^於分析以屋晶的方式 >儿積之薄膜的晶體品f。以說明性f的方式（而非用於限 定本發明），將沉積在單晶稀土氧化物、氣化物、或麟化 物上之超薄Si薄膜’進行非侵入性探測的品質評估。在 中之非常高的光學吸收係數’於短波長（<4〇〇nm)下可 =猎由使用本發明所創造之s〇I結構的最頂部蟲晶層，而 獲得拉曼光譜。 在本發明之另一個具體態樣當中，係運用了原子層蟲晶 E 。該C_Er〇x、c-ErN (代表單晶化合物Erx〇y和 —A)、成長參數可加以操作’使得該成長在二維空間之 =接-層（2_dimensi〇.nal _吻妨…2〇—叫的 —Ά里進仃’並主要藉由金屬沉積速率來加以控制。該π 二模式對於單晶薄膜（具有實質上高度均句且橫 \二，厚度）的沉積和成長而言是最有益的。本發明人 IDT是藉由使用一個UHV腔室、-個經加熱的基板 放置在元素性原子及/或分子沉積來源之前）、 猎由成長薄膜而調整源通率（s。⑽e如）的方法、以 種以原位缚膜品質為特徵之裝置。該C-Er〇x表面同樣 42 200522146 γ以在—個分子氧氣及/或氮氣過量的環境中自行產 鳊。觀察一個氧末端之c_Er〇x表 成导、、w 表面，以於超過700〇C的 欣長/皿度下、以及腔室壓力<1〇—9紅 小時的穩定。 托耳下’料高達2個 宜施例 在本發明之另-個具體態樣當中，其可建構出一種多戶 結構’包括交替順序之寬廣能帶間隙（wbg) &量材料、 ^失窄能帶間$ (臟）能量材料。藉由實施例的方式解 况’圖1G係說明—種多重層狀順序，其係由本發明之單晶 氧化斜1〇1〇所構成，該多重層狀順序係構成了 wbg層日，日 :單晶石夕HH2則構成了腦層。該垂直軸代表了電^能 量1〇14,而該水平軸則係代表著層成長方向ι〇ΐ6。氧化铒 1〇1〇之電子能帶間隙能量較矽1〇18之能帶間隙大得多， 因此該矽位能有效地限制住NBG層中之電子及/或電 洞。對於足夠薄的層（具有德布羅意波長（心玢％… wavelength )次序）而言，在該位能井區域中將會產生量子 化能3：鬲度。該電子量子化能量高度2 〇2〇和丨〇22係由於 電子限制位能1024和1026而顯示。在量子化能量高度能 量之間係顯示了光學躍遷1〇28。本發明之其他組成物可以 有利地加以塗佈，以達到所希冀之電子、光學及〆或磁的 特性。該光學躍遷1〇28可以同樣地可以藉由來自於該傳 導帶與價能帶之間的能量高度的電子復合，來達成。 在本發明之各種不同的具體態樣中，提供了以下分子式 的組成物： 43 200522146 (1) —種以下分子式 中X為1而v仫也 稀土乳化物：[RE]x[0]y，盆 …，而y係為1·5 ’ RE係為 二 金屬原子，而該組成物大部分為單晶料式的稀土 (2) 一種以下分子式之——。ο 甘士 ^ 之一兀早晶稀土氮化物：re Ν y其中X為1，而y係為卜 x RE係為至少—γ-> . 土金屬原子，而該二元稀土 種形式的稀 鼠化物的大部分為單晶 (3) —種以下分子式-抑 JL t X Λ 1 ^也去一兀早日日稀土磷化物·· ΚΕχΡ :: 為1,RE係、為至少-種稀土金屬;; 而一70稀土磷化物的大部分為單晶. ⑷-種分子式[RE]x[0】、Nz]y 元化物，其中x 為少 氧减物二 或等於零、以及小於等於卜：二、，而'係為大於 金屬原子，而該組成物大部分為單晶/㈣式的稀土 (5 ) —種以下分子式 ^ Λ 式之矽稀土氧化物、氮化物、磷化

物的三元四元合金： M

[(RE) x ( 0 或 n 或 ]「c· 4 飞 P) y] [Si 或 Ge 或 siGel， 其中係為至少一種稀土 ^ 〇e]z 屬X、y、以及z係為小於 5的正貝數，而。亥、、且成物大部分為單晶· (6) —種具有以下形式 '之稀土氧化物、稀土氮化物、 或稀土磷化物的非稀土金屬原子的三元合金： [(RE) x (〇 或 N 或 w τ rAyn )y] [M]z，其中re係為至 少-種形式的稀土金屬，以係為種非—稀土元素，X、” 和z係為小於5的正實數，而該組成物大部分為單晶； 這些組成物可以（i)具有原子的排列，其係具有實質 44 200522146 ㈣的結構；（ι〇是非—多晶的·㈤)是非一 :曰，iv)從單晶變化呈多晶，及其相似者。 母一個化合物之特定的分子式結構，可以有利地加以使 :二達到-希冀的晶格常數、能帶間隙能量、介電常數、 射率、異質結合偏位及其相似者。 母個化口物之特定的分子式結構，可以有利地加以使 ，以達到-希冀的晶格常數、能帶間隙能量、介電常數、 折射率、異質結合偏位及其相似者。 就組成物（1 )而士， 而5 x的值可採用範圍從1至2， 而Υ的值可採用丨·5和3，也就是說，1·0<=χ<=2·〇以及 J曰3.0 if擇值的範圍來代表可能是單結晶質形式之 化學計量及/或非一化墨士+旦斤 予4里的稀土氣化物。其晶體結構 的型式可包括單斜型、六方型、纖鋅礦型、體心立方型、 以及其他。 舉例而。，多形性單晶結構係以下列為代表： REx = 1〇y=1 . REx=1〇y=2 . REx=2〇y=3 . REx = 〇y ^ t 1<= y <= 3及/或REx=1〇2_k其中〇<=k<=2，這些均為可能的。 藉由實施例的方式，同樣可以了解到中間稀土氧化物， 諸如REA ,，同樣可以由以上之多形性如RE2〇3。4(咖2) 的組合來代表。 就組成物（1 )之更進一步的實施例而言，由 版=吻吐5 + d所代表之該結晶結構，其中d係為一個正 貫數，係意指-個非—化學計量之結晶結構，其富含氧。 相反地’由REx=10y吐5 —d所代表之該結晶結構，其中 45 200522146 d係為一個正實數，係代表一個非一化學計量之結晶結構， 其係缺乏氧。 對於組成物（2 )而言，χ加y係等於一。再者，X加 y的值可以採取大於或等於丨、以及小於或等於2，其係代 ，著化學計量之及/或非—化學計量之稀土氮化物，其可 能為結晶形式。其晶體結構的型式可包括單斜、六方型、 纖辞礦型、體心立方型、以及其他。 就組成物（2 )之更進一步的實施例而言，由 ‘REx=1Ny=1+d所代表之該結晶結構，其中d係為一個正 實數’係代表—個非-化學計量之結晶結構，其係富含氮。 相反地，由REx=1Ny=1 —d所代表之讓結晶結構，其中 d係為一個正實數’係代表一個非—化學計量之結晶結構， 其係缺乏氮。 組成物（2)之更進一步的實施例係為以REx=iNy=i 和REx=1Ny代表之多形性單晶結構，其中 對於組成物⑶而言’ χ力”係等於一。再者，X 加y的值可以採取大於或等於卜以及小於或等於2，其 係代表著化學計量之及/或非—化學計量之稀土氮化物: 其可能為結晶形式。其晶體結構的型式可包括單斜、六方 型、纖鋅礦型、體心立方型、以及其他。 就組成物（3 )之更進一步、的實施例而言，由 1 Py 1 +d所代表之該結晶結構，其中d係為一個正實 數係代表一個非一化學計量之結晶結構，其係富含鱗。 相反地，由REx=lPy=l — d所代表之該結晶結構，其中 200522146 d 構 係為一個正實數，係代表一個非_ ，其係缺乏磷。 <匕學計量之結晶結 組成物（3)之更進一步的實施例，係為以REx爿卜=ι 和REx=lPy為代表之多形性單晶結構，其中 對於組成物（4)而言，x可且有介私 J，、淘"於1和2之間的 值（l<=x<=2)，y可具有介於1和5的值（丨<=y <= 5) 而Z 可從〇<= z <= 1之中選擇出。

組成物（4)之更進-步的實施例，係為用於一種以下 形式之混合氮化物稀土三元結晶結構的經驗公式： CRE203) a(RE1N1) b ，其中a和/為正整數或 實數，並且可以寫成RE (2a+b) 〇 (3a) n (b)。化學計 量和非一化學計量之結晶結構也都是有可能的。其晶體結 構的型式可包括單斜、立方體型、六方型、纖鋅礦型、體

心立方、以及其他。可以將N有利地併入至該稀土氧化物 結構之中，以緩和氧擴散通過該晶體晶袼。已經發現到只 有幾個百分比或者是更少的N併入至Er ( 〇χΝ 1 — X ) 1 5 化合物之中，其中χ〉0·9可以實質上降低氧的擴散。 對於組成物（5 )而言，χ可具有介於1和2之間範圍 的值，，y可具有介於1.5和3的值，而ζ可以從0<== y <=2 之中選擇出。其晶體結構的型式可包括單斜、立方體型、 六方型、纖鋅礦型、體心立方型、以及其他。 更進一步的實施例’包括了使用以下形式之氧化矽的組 成物：二氧化矽Si〇2、單氧化矽SiO 、以及次化學計量之 SiOv，其中v係為一個小於1的正數。 47 200522146 組成物（5)的一個實施例係為（si〇2) χ. (Εγ2〇3) t —X，其中x為一個小於或等於i的正實數，並且同樣可 以敘述成分子式SixEr2 (1 — x)〇(3—χ)。 組成物（5 )之另一個實施例係為（si〇 ) χ. ( Er2〇3 ) i -x，其巾x為-個小於或等於丨的正實數，並且同樣可 以敘述成分子式分子式SixEr2 (1〜χ)〇(3 — 2χ)。 組成物（5 )之另一個實施例係為（Si〇 ) χ· ( Er〇 )工 -X’其+ X K固小於或等於i的正實數，並且同樣可 以敘述成分子式分子式SixErl — x0。 相似地，還可以使用氮化矽組成物，諸如si3N4、 SilNl、或SiNv，其中v係為—個小於或等於的正數2.5。 組成物（5)之另一個實施例係為（SiN) χ. (ErN)」 —x，其中x為一個小於或等於1的正實數，並且同樣可 以敘述成分子式分子式SixErl ~ XN。 對於組成物⑷而言，則交佳係選自於銓、鍅、或鋁 中之一個或更多個。藉由實施例的方式（而非用於限定本 發明），係揭示了作為使㈣（Hf)之單晶氧化物的組成 物⑷例子。選定該分子式參數z為小於或等於一，而

選定該RE冑類為Er。此種合金實f上為單晶，並且W 使付給的特性以#晶的形式加以有利的運用。 就組成物（6 )之爭、隹 ^ ^ y )之更進一步的貫施例而言，該組成物

X 與χ·、（Εγ2〇3)卜x，其中χ為—個小於或等於五 的正貫數，並且同#可以敘述成分子式分子式HfxEr2 ( 1 48 200522146 組成物（6)之又一個實施例，係為組成物（Hf〇2) x. (ErlN1 ) 1 ~ x，其中x為一個小於或等於1的正實數， 並且同樣可以敘述成分子式分子式HfxEr(丨―χ) 〇2χΝι〜 χ ° 組成物（6 )之另一個實施例，係為組成物（HfN) χ. (ErlNl) 1 — χ，其中χ為一個小於或等於^的正實數， 並且同樣可以敘述成分子式分子式HfxEr ( j —χ) n。 在週期表當中，稀土元素可以是週期表#中最接近前面 的給，來將電子添加到内告p 4f-殼層中。由於不會有泰加 外部電子來補償經增加的核電荷，因而使得原子尺寸會產 生反縮。這就是習知的「鑭系反縮（如心 contraction)」。 在本發明之另—個具體態樣當中，係提供了-種單晶稀 土氧，物（以及稀土氮化物），使其可以有效地穩定氧化 給（氮化銓）之立方體（螢石）結構。 在各種不同之具體態樣中，該組成物中的每—個可為 (1)至少90%的單晶；（ii)至少95%的單晶，·（出）至少 99%的單晶，及其相似者。 該稀土元素可以是任何-種稀土元素，其包括（但不褐 限於）铒、和镱，其中每一個元素均具有在三價離子化（3+) 狀態下鍵結的原子。

在-個具體態樣之中，該組成物係成長在一結構或基板 上，該結構或基板係由石夕、錄、和石夕錯、GaAs、“pH 以及AI2〇3中之至少一種所製成。在另一個具體態樣中，該 49 200522146 組成物係成長在一非結晶質基板上，其包括（但不侷限於： Sl°2或者疋貫裊上為非結晶質陶瓷、及其相似者。 在該組成物之頂部上可形成一層。用於該層之適當的材 料包括（但不偈限於）矽、鍺、矽—鍺合金、及其相似者。 在各種不同之具體態樣中，至少（i)該層之9〇%為單晶； S亥層之95%為單晶；（出）該層之99%為單晶，及其相 似者。 在本發明之其他具體態樣中，可以使用以上所述之該組 成物（1)到（6)，以及其所有不同之具體態樣，於圖3 (a)、圖3(b)、圖6、以及圖7的結構中。在這些具體 恶樣之中，實質上為單晶之活性層絕緣層上覆矽材料，對 於運用在ULSI技術上的S0I而言係為最低的需求。更進 一步改良目前的SOI技術，就是導入並且使用在先前所提 及之矽活性層下的單晶絕緣層。本發明之更進一步的特 欲’係為單晶稀土氧化物及/或稀土氮化物及/或稀土填 化物之原位蟲晶成長。使用本發明之成長技術，可以將一 單晶稀土絕緣體沉積成一極薄的薄膜或者是塊材層，而最 終的表面將會是具有經良好定義之晶體對稱的原子級平 坦。再者，可以將一層單晶矽及/或鍺及/或化合物砂一 錯活性層’以蠢晶的方式成長在此單晶絕緣層的頂部。介 於該單晶Si活性層和該結晶絕緣體之間的介面品質，n既 、丁潛 在地具有非常低的缺陷密度。在正確的條件之下， 此匕種結 晶氧化物/ S i層順序可以成長在S i基板之上。 圖3(a)、圖3(b)、圖6、與圖7之結構，可具有 50 200522146 另外-種沉積在頂部原位上之稀土氧化物、氮化物、或磷 ㈣層，以形成一種S01及/或高k值之閘極氧化物的堆 豐。此種結構可保護該活性Si ^與閘極氧化物的介面品 質。另外，還可以使用-種非結晶質及/或多晶閉極氧化 物，諸如SiOxNy。無論如何，都可以輕易地完成一種雙重 閘極FET結構。 用來作為FET閘極氧化物替代物的單晶稀土氧化物 氮化物、或鱗化物，其更進一步的功效就是在於閑_

摻雜物擴散的領域中。典型地，傳統FET方法流程係使月 一個經摻雜之多晶Si閑極接觸層（沉積在該si〇2閑極摩 化物之上）。不幸地’為了要活化多晶Si接觸層中的摻杂 物’就需要非常高的溫度。在退火或者是活化期間，該泰 雜物種類，例如實施例硼原子，就會有害地移入至該閘相 氧化物之中。對於極薄的Si02閘極氧化物而t，這是極屬 苛的限制條件。本發明潛在地解決了此問題。如果將翠曰 稀土氧化物用來作A FET Μ極介電物質層（s)，則可:

將隨即之經適#經摻雜的單晶Si用來料間極接觸層。此

方法流程的優點在於單晶Si中的摻雜物種_散率比P 晶質、或者是多晶Si中的擴散率還低。因此，就可以減緩 或者是解決摻雜物從該間極堆疊滲透至該間極介 中的問題。 1 隹不贫明之其他具 y π y、和稀土氧化 物及/或氮化物所展現之大的異質結合價電、以及傳導俄 偏位’會產生電荷載子之量子限制。以說明性質的方式（： 51 200522146 非用於限疋本杂日月），其係提供一種多層順序，諸如圖1 〇 中所敘述，其包括至少一個c_Er〇Wc_Er〇x的週期。 對於》亥電子“布羅意波長（)之順 的S!層厚度大約為i〇〇埃而言，該狭窄的能帶間隙 能井已將傳導帶與價能帶中的能量高度量子化。這就 砷化鎵（GaAs) /石申化鎵銘（以她）量子井。然而，該 C-Er〇We_ElOx量子井有效地提供數個電子伏特之辨 增加的電子與電動限制能量。 、、二 ^夕週期之以及小於大 =個別層厚度的延伸例子而言，該量子井變絲合的， /亥傳導帶與價能帶則形成了電子的迷你價帶。本發明 之里子井類似物得以使得 電子材料。相似的條件適二首次完成複合量子 及如以上所敘述之三元化物…稀土氮化物、構化物以 絕緣ΓΓΓ更進一步的方面，在於該活性si層與經埋層 可以個別地進行沉積，並且具有範圍從數埃 ==厚度。因此，結構可具有經最佳化的活性 全^盡之^層厚度。此方面對於本發明而言，當運用在完 俜為:種I右層上覆石夕基板上時’係為獨特的。該b〇x層 =度數之絕緣體，因此只需要數個奈米 本务明運用SOI基板上r枯

層）之更進-步的優點方面，係土金屬氧化物B0X 導熱率大約小於單曰 、…政逸的領域。SX02之 早曰曰—百倍。眾所周知，次微米電晶體之 52 200522146 自動加熱效應對於在傳統s〇I基板上實施的ulsi ρΕτ§而 言是有問題的。本發明潛在地減緩了此自動加熱的問題， 因^該稀土金屬氧化物、氮化物及/或碌化物展現了實質 上高於Si〇2的導熱率。 本發明之更進—步的方面，在於稀土氧化物及/或稀土 氮化物及/或稀土鱗化物及/或石夕及/或石夕—錯之蟲晶成 長的多層循環、或不循環順序或排列。 在本么月之其他具體悲樣中，係揭示一種用於積體電路 的電子電晶體閘極介電物質結構。圖u係說明本發明之電 子電晶體閘極介電物質έ士;盖1Λ . 貝、°構1110的一個具體態樣。將一 層第一絕緣體及/或介電声1ns + 电層1118成長在一層樣板層及/ 或緩衝層⑽上。該介電層⑴8係為—層包含包含單晶 稀土之層’其係根據如以上所述之組成物⑴至（6)。 將第-半導體層⑴6沉積在該第一介電層"18之上。根 據本發明，該半導體層1116較佳為—層^晶的方式沉積 :該第一介電層1118之上的單晶半導體。將多層沉積在」 土板H22上。將-層第二介電層ni2沉積在該第一半導 體層⑴6之上。此基礎層順序形成了一層單晶半導體層 "?，其夾在二層介電層之間。將此基礎結構用於形成： 個场效應電晶體’其係沉積在—絕緣基板上。二者擇一地 該結構還可形成一雙重閉極場效應電晶體。該介電層-⑴； 與1118中之至少-層係由上所述之組成物⑴至⑷ 以及其各種不同的具體態樣所製成。在較佳 孫 選擇該半導體層1110作為單曰1 y ” 早曰曰夕及/或鍺層。該介電層 200522146 1112及/或1118中的每一層均可由上述之組成物（1)至 (6 )、以及其各種不同的具體態樣所製成。 A #結構1110可具有重複的元件。藉由說明的方式，沉積 該第三介電層1117與第二半導體層1114。如果該第二 電層1⑴是由上述之單晶組成物⑴i (6)組成物所製 成，則該第二半導體層於結構當中可為單晶的。將該半導 -曰114分別放置在該第二與第三介電層1117和1112 之間。 應該要瞭解到的是，可以提供四層或者是更多層的介電 層。該第三介電層可以是由上述之組成物⑴至（6)所 製成。因此，很清楚地，使用上述之組成物（1)至（6)， 可以付以建構出單晶多層半導體和絕緣體順序，藉此使得 整個結構成為單晶。 ★在較佳的情形下，係從單晶石夕中選擇出該基板1122。 將第-半導體層從單晶％及/或錯中選擇出。將該第一介 電層1118從上述實質上為單晶之組成物（ 擇出。 在本發明之其他具體態樣中’其係提供了一種用於積體 電路之高k值介電物質結構’ 一般而言係以i2i〇做為代 表’並且說明於圖12之中。圖12係說明本發明之高，值 介電物質結構1210的-個具體態樣。將-層實質上為單晶 之絕緣層1218成長在一層樣板及/或緩衝層122〇之上。 將該多層沉積在-基板1222之上。將一層第一單晶半導體 1216以猫日日的方式沉積在該第一介電層els之上。將 54 200522146 弟一 1212與第三1214介電層沉積在該第一半導體層1216 之上。再者，將可選擇之第二半導體層1213沉積在介電層 1212與1214之上。 ▲該介電層1218、1214及/或1212中之至少—層係為 同k值之介電層’其係由上述之組成物（1)至（6)、以 及其各種不同的具體態樣所製成。 在一具體態樣之中，該基板1222係為單晶⑪。該介 電層1218係為—個本發明之單晶絕緣體，其係由上述之組 成物⑴i (6)所製成。半導體層1216係為-層單晶石夕 及/或鍺活性層。該介電層1212# i2i4中之至少一層係 為本發明之〶k值單晶絕緣層，其係由上述之組成物⑴ 至⑷所製成。半導體層1213係為由經摻雜之—矽及/ 或石夕化物所構成的單晶閘極接觸層。本發明之其他具體態 樣係為使用傳統的介電層，諸如氧氮切_吻及/ = 氧氮化給腿叫’如同該第二及/或第三介電層。使用 傳、’·先的"電層作為该第三介電層1214，會必然會限制該第 二半導體層！213成為除了單晶半導體以外。 、、’°構1210可具有重複的元件’並且應該要瞭解的是還 可提供四個或者是更多的介電和半導體層。 在本發明之其他具體態樣中，係提供一種si微—電子 和奈米一電子裝置’其係相似於結構⑴〇與1210。這種 裝置可包括（但並非偏限於）雙重間極場效應電晶體 (FETs);垂直閘極FETs (諸如FinFETs)、電子記憶、 磁性感應器與儲存、半導體光放大器、半導體測光器^半 55 200522146 導體：：、及其相似者。 說明述之本發明各種不同的具體態樣，已經呈現了 刻板开”的。並不應該將本發明侷限在先前所揭示的 及顯地，對於熟習該項記憶者均可進行修改 申請專利指本發明之㈣應該要定義在以下所附的 甲。月專利關及其等同物。 【圖式簡單說明】 原子=說明本發明之單晶稀土氧…E—其三維 /、排列的一個具體態樣。 圖2 (a)係說明本發明之單晶稀 個具體態樣，其中能旦F 11Λ乳物Erx〇y,的 函數。 里110为政作為結晶動量灸120的 圖2(Μ係說明單晶塊材石夕半導體Μ分散。 圖3 ( a)係說明本發明 ^ a ^ Ab ’月之'、、邑、、表層上覆矽結構210的一 個具體態樣。 圖3 ( b )係說明本發明 月邑緣層上覆矽結構310的一 個具體態樣。 圖4係說明圖3 ( b ) ψ所据一 被曰 T所揭不之絕緣層上覆矽結構的 雙晶X ~光繞射曲線。 圖5(a)係說明圖3(a)纟士播 ^ ^丄 、^、、w構中，該原位光反射率曲 線作為單晶氧化铒層之沉積時間的函數。 圖5 ( b)係說明圖3 ()由 中所揭示之絕緣層上覆矽結 構的雙晶X —光繞射曲線。 圖5 (c)係說明圖3 ()中 、d」T所揭示之結構的傾斜入射 56 200522146 X —光繞射圖案。 圖6係說明本發明之絕緣層上覆矽結構使用超晶格的 一個具體態樣。 圖7係說明本發明之另一個具體態樣，其係使用一種 樣板成長方法（template growth method )，如同運用到單 晶7 12、和多晶7 14氮化铒（ErN )的成長上。 圖8(a)與8(b)圖3(a)中之層214的原位正交 方位角RHEED圖案影像。 圖8(c)係為生長在圖3(a)中之單晶氧化斜層214上 之單晶矽層212的RHEED圖案影像。 圖8 (d)和8 (e)與圖8 (a)和8 (b)相同，除了 其係代表圖3(b)中對於固定入射電子束具有正交方位角 的層 3 14 〇 圖9係說明在980 nm之光泵激（optical pumping)下， 於圖4 ( b )中所揭示之結構的室溫光致發光發射。 圖1 〇係說明由本發明之單晶氧化铒所構成之多層順 序，其構成了一寬廣能帶間隙（WBG)層1〇1〇，而一層單 曰曰石夕層構成了狹窄的能帶間隙（Nbg )層1 〇丨2。 圖11係說明本發明之電晶體閘極介電物質結構ιιι〇 的一個具體態樣。 圖12係說明本發明之電晶體閘極介電物質結構ΐ2ι〇 的一個具體態樣。 【主要元件符號說明】 12.稀土原子 57 .200522146 14.氧原子 1 6 ·成長方向 1 8.二維空間之以氧為末端的層 210.絕緣層上覆矽結構 212.單結晶質矽層 214.單晶（ErxOy)層 216·矽（111 )—定向的基板 218.晶體樣板層 220.晶體樣板層 222.矽緩衝層 226.光學輻射 3 10.絕緣層上覆矽結構 312.單結晶質之矽層 314·單晶（ErxOy)層 316.碎（100)—定向的基板 3 1 8.純一晶體樣板層 320.純一晶體樣板層 322.矽緩衝層 410.高品質單晶氧化铒002反射 412.單晶矽004反射 510.曲線 512.曲線 514.單晶矽峰值 610.絕緣層上覆矽結構 58 .200522146 6 12.超晶格結構 614.結晶氧化铒 616.鍺層 618.矽氧化铒樣板層 620.矽化铒樣板層 622.單晶矽覆蓋層 624.矽緩衝層

714·多晶氮化铒（ErN) 716.單晶氧化铒缓衝層 718.單晶矽氧化铒 720.矽化铒 722.矽層 724.矽緩衝層 726. ^ (100)—定向基板 810. RHEED 條紋

812. RHEED 條紋 814. RHEED 條紋 8 1 6-838.影像 840.條紋 842.條紋 844.條紋 910-926. 1010.單晶氧化铒 1012.單晶矽 59 .200522146 1014.電子能量 1016.層成長方向 1018.矽能帶間隙 1020.電子量子化能量高度 1022.電子量子化能量高度 1024.電子限制位能 1026.電子限制位能 1028.光學躍遷 1110.電子電晶體閘極介電物質結構 1112.介電層 1114.半導體層 1116·單晶半導體層 1 1 18.介電層 1120.樣板層及/或緩衝層 1122.基板 1210.高k值介電物質結構 1212. 第二介電層 1213. 第二半導體層 1214. 第三介電層 1216.第一半導體層 1218.第一介電層 1220.層樣板及/或緩衝層 1222.基板

Claims (1)

1. .200522146 十、申請專利範圍： 1 · 一種組成物，其包括： 以下分子式的稀土氧化物：[RE]X [〇] y，，其中RE係 為一種稀土原子，X和y為小於或等於3的正實數，而該 組成物大部分為單晶。 2_根據申請專利範圍第丨項之組成物，其中該組成物 具有原子的排列，其係具有實質上為單一順序的結構。 是非一非結晶性；（iv )從單晶變化呈多晶，及其相似 者。 ^ 3·根據申請專利範圍第1項之組成物，其中該組成物 係為非一多晶。 …4·根據申請專利範圍第1項之組成物，其中該組成物 係為非一非結晶性。 5·根據申請專利範圍第丨項之組成物，其中x係為 1 ·0，而y係為1 · 5。 6·根據申請專利範圍帛i項之組成物，其中該組成物 之至少90%為單晶。 7·根據申請專利範圍第丨項之組成物，其中該組成物 之至少95%為單晶。 8·根據中請專利範圍第i項之組成物，其中該組成物 之至少99%為單晶。 9.根據巾請專利範圍第1項之組成物，其中該稀土金 屬係選自於铒和鏡。 10·根據中請專利範圍第9項之組成物，其中斜原子或 .200522146 镱原子的原子係在三價離子化（3+)狀態下鍵結。 / Y·根據φ請專利範圍第1項之組成物，其中該組成物 係從單晶變成多晶。 …根據中請專利範圍第i項之組成物，其中該組成物 係成長在—結構上’該結構係切、冑、和梦鍺、GaAs、 InP SiC、以及Al2〇3中至少-種所製成。 13根據中請專利範圍第i項之組成物，其中該組成物 係成長在一非結晶質基板上。 K根據申請專利範圍第13項之組成物，其中該非結 晶質基板係選自於S i 〇 2、以及一實質上為非結晶質的陶瓷。 • 15.根據申請專利範圍第丨項之組成物，其更進一步包 括：形成在該組成物上之矽、鍺、以及矽鍺中之至二 的一層。 種 16.根據申請專利範圍第15項之組成物，其中該 至少90%為單晶。 曰< ’其中該層之 項之組成物， 17.根據申請專利範圍第15項之組成物 至少95%為單晶。18.根據申請專利範圍第15 其中该層之至少9 9 〇/〇為單晶。 1 9 · 一種組成物，其包括： 以下为子式的二元稀土氮化物· REx Ny ，其中X寻 :小於或等於2的正實數，RE係為至少一種形式的稀二 原子，N係為氮，而該二元稀土氮化物之大部分為單晶。 20.根據申請專利範圍第19項之組成物，立中續 物具有原子的排列，其係具有實質上為單一順序的結構。 62 .200522146 21 ·根據申請專利範圍第ι9項之組成物，其中該組成 物係為非一多晶。22·根據申請專利範圍第19項之組成 物’其中該組成物係為非一非結晶性。 23·根據申請專利範圍第丨9項之組成物，其中X加丫 係等於一。 24·根據申請專利範圍第19項之組成物，其中該組成 物之至少90%為單晶。 25·根據申請專利範圍第19項之組成物，其中該組成 物之至少95%為單晶。 2 6.根據申明專利範圍第丨9項之組成物，其中該組成 物之至少99%為單晶。 27.根據申請專利範圍第19項之組成物，其中該稀土 王屬係k自於辑和镱。28•根據申請專利範圍第&項之組 成物’、巾辑原子或镱原子的原子係在三價離子化（3+ ) 狀態下鍵結。

   29·根據申請專利範圍第 物係從單晶變成多晶。 19項之組成物，其中該組成 /·很據申請專利範圍第19項之組成物，其中該 係成長在結構上’該結構係由矽、鍺、和矽鍺、。 ㈣、Μ、以及Al2〇3中至少_種所製成。 3!•根據申請專利範圍第19項之組成物， 物係成長在一非結晶質基板上。 Μ 32·根據申請專利範圍第 晶質基板係選自於Sl〇2、以及 31項之組成物，其中該非結 κ貝上為非結晶質的陶瓷。 63 .200522146 3 3 ·根據申請專利範圍第j 9 包括： 員之組成物，其更進一步 一層 形成在該組成物上之@、鍺1切錯中之至少一 種的 34·根據申凊專利範圍第33 貝之組成物，其中該組成 物之至少90%為單晶。 35. 根據申請專利範圍第33 . 只之組成物，其中該組成 物之至少95%為單晶。 36. 根據申請專利範圍第33 貝之組成物，其中該組成 物之至少99%為單晶。 37. —種組成物，其實皙上句乜 口口 、只貝上匕括一個以下分子式的二元 早二曰稀土麟化物：RExPy，其中x和y為小於或等 正貫數’而該二元稀土石粦化物之大部分為單晶。 38. 根據申請專利範圍第37項之組成物，其中 物具有原子的排列，其係具有實質上為單一順序的結構成 物：·广射請專利範圍第η項之組成物，其中該組成 物係為非一多晶。4 〇 ·根爐申蜻直4々 很據甲明辱利乾圍第3 7項之組 物，其中該組成物係為非一非結晶性。 、、、’ 4 1 ·根據申請專利節圖楚3 7工百七2 t 圍弟項之組成物，其中x加v 係等於一。 m、 42.根據申請專利範圍第37 Ji + &上、^ # ^ 圍弟項之組成物，其中該缸忐 物之至少90%為單晶。 、、成 4 3 ·根據申请專利範图繁3 7 j百 ^ 圍弟項之組成物，其中該缸忐 物之至少95%為單晶。 、成 64 200522146 44·根據申請專利範圍第項之組成物，其中該組成 物之至少99%為單晶。 45·根據申請專利範圍第項之組成物，其中該稀土 金屬係選自於斜和鏡。 46·根據申請專利範圍第45項之組成物，其中铒原子 或％原子的原子係在三價離子化（3+ )狀態下鍵結。 47·根據申請專利範圍第37項之組成物，其中該組成 物係從單晶變成多晶。 48.根據申請專利範圍第37項之組成物，其中該組成 物係成長纟結構上’該結構係切、鍺、和石夕鍺、、 m以及Al2〇3中至少—種所製成。 4 9 ·根據申請專利範圍筮 队〆 祀W弟37項之組成物，其中該組成 物係成長在一非結晶質基板上。 5 〇，根據申請專利節圍證 曰所* 寻才j辄圍弟37項之組成物，其中該非結 日曰貝基板係選自於Si〇2、以者拼 员貝上為非結晶質的陶瓷。 51 ·根據申請專利範圍筮2 包括： 号剡乾111弟37項之組成物，其更進一步 形成在該組成物 上之矽、鍺、以及矽鍺中之至少一種的 5 2 ·根據申請專利範圍第s 物之s , Λ 4 ㈤弟51項之組成物，其中該組成 物之至少90%為單晶。 物之至少95%為單 54·根據申請專利範圍第51 5 3 ·根據申請專利範圍第 曰曰〇 5 1項之組成物，其中該組成 項之組成物，其中該組成 65 .200522146 物之至少99%為單晶。 · 一？里組风物，其包括： 以下分子式的稀土氧一氮化物三元[Re]x [〇ι 一 ΝΖ]Υ，其中X、y以及z係為正實數，RE係為至少一毛 形式的稀土金屬科，而該組成物大部分為單晶。 56. 根據巾請專利範圍第55項之組成物，其中該组# 物具有原子的排列，其係具有實f上為單—順序的^構。

   57. «中請專利範圍第55項之組成物，其中該組^ 物係為非一多晶。 58·根據巾請專利範圍第55項之組成物，其中該組成 物係為非一非結晶性。 〃 59·根據申請專利範圍第55項之組成物，其中X和： 係大於零並小於-，^ ^ . J 而2係大於零並且小於一。 60·根據申請專利範圍第55項之細Λ、舲甘+ > ^ 固矛”項之組成物，其中該組成 物之至少90%為單晶。

   61•根據申請專利範圍第55項之組成物，其中該組成 物之至少95%為單晶。 62. 根據申請專利範圍第55項之組成物，其中該組成 物之至少99%為單晶。 63. 根據申請專利範圍第55項之組成物，其中該稀土 金屬係選自於铒和镱。 64. 根據申請專利範圍第63項之組成物，其中僻原子 或镱原子的原子係在三價離子化（3+)狀態下鍵結。 65. 根據申請專利範圍第55項之組成物，其中該組成 66 •200522146 物係從單晶變成多晶。 /·根據申明專利範圍第5 5項之組成物，其中該組成 物係成長在-結構上’該結構係由⑪、錯、和⑧錯、GaAs、 InP、SlC、以及Al2〇3中至少—種所製成。 67·根據申請專利範圍第55工員之組成物，其中該組成 物係成長在一非結晶質基板上。 68·根據申請專利範圍第67項之組成物，其中該非結 晶質基板係選自於Si〇2、以及一實質上為非結晶質的陶竞。 69·根據申請專利範圍第55項之組成物，更進一步包 括： 形成在忒組成物上之矽、鍺、以及石夕鍺中之至少一種的 一層0 7〇·根據申請專利範圍第69項之組成物，其中該組成 物之至少90%為單晶。 71 ·根據申請專利範圍第69項之組成物，其中該組成 物之至少95%為單晶。 72·根據申请專利範圍第69項之組成物，其中該組成 物之至少99%為單晶。 73· —種組成物，其包括： 乂下开y式之石夕稀土氧化物、氮化物、鱗化物三元或四元 合金： [(RE) X (〇及/或N及〆或P) y] [Si或Ge或 SiGe]z，其中RE得為至少一種形式的稀土金屬，X、丫、 和z係為小於或等於5的正實數，而該組成物大部分為單 67 * 200522146 曰曰 74. 根據申請專利範圍第73項之組成物，苴中 物具有原子的排列，其係具有實質上為單一順序、的成 75. 根據申請專利範圍第73項之組成物，复 物係為非一多晶。 亥組成 76·根據申請專利範圍第73項之組成物，其中 物係為非一非結晶性。 、μ、、且成 77·根據申請專利範圍第73項之組成物，其中X、、 與ζ係個別小於五。 ^ ?8·根據申請專利範圍第73項之組成物 物之至少90%為單晶。 79·根據申請專利範圍第73項之組成物 物之至少95%為單晶。 80.根據申請專利範圍帛73項之組成物 物之至少99°/。為單晶。 81·根據申請專利範圍第73項之組成物 金屬係選自於铒和镱。 立82.根據申請專利範圍第8ι項之組成物，， 或镱原子的原子係在三價離子化（3+)狀態下鍵結 83·。。根據申請專利範圍第73項之組成物，其中該組 物係從單晶變成多晶。 84.根據申請專利範圍第乃項之組成物，其中該組 #'成長在-結構上’該結構係切、鍺、和石夕鍺、_ Sic以及Al2〇3中至少一種所製成。

   其中該組J 其中該組 其中該組 其中該稀

   其中餌原 68 .200522146 85_根據申請專利範圍第73項之組成物，其中該組成 物係成長在一非結晶質基板上。 86·根據申請專利範圍第85項之組成物，其中該非結 晶質基板係選自於SlQ2、以及—實質上為非結晶質的陶究。 87.根據申請專利範圍第73項之組成物，更進一步包 括： 層0 形成在該組成物上之石夕、鍺、以及石夕鍺中之至少一 少一種的 88·根據申請專利範圍第87項 物之至少90%為單晶。 8 9.根據申請專利範圍第8 7 物之至少95%為單晶。 9 0 _根據申請專利範圍第 之組成物，其中該組成 項之組成物，其中該組成

   物之至少99%為單 曰曰 87項之組成物，其中該組成 十一、圖式： 如次頁

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