TW200535097A - Rare earth-oxides, rare earth-nitrides, rare earth-phosphides and ternary alloys with silicon - Google Patents

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200535097 九、發明說明： 相關申請案之相互參照 本申請案請求了 2003年12月29曰提出申請之美國臨 時專利中請案帛6G/ 533,378 M優惠，其中所有的揭: 在此皆以參考資料併入。 【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 (S01 )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SOI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·· 斤眾所週知，純晶體、或單晶稀土氧化物（RE0x)、稀 =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 largescale 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、以及構化物，至 今仍讓矽電子學工業相當困|。相形之下，非結晶質氧化 物就相對的很容易實現。現切電子學應將此極大成就歸 力於天然矽的氧化物，也就是化學計量之二氧化矽（s H )。 該結晶質Si與非結晶質以〇2介面可以被製備成一個幾乎完 美的無缺陷介面。肖Si/SiG2介面的高品質，實際上是很 難在任何一種其他材料系統當中加以複製的。 200535097 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 )，以用於場效 應電晶體（FETs )之中，變成厚度為1 — 1 0奈米的狀熊。 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；（i i )電介質崩潰· 以及（i i i )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ULS I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稗 得一個明確的答案。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 流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1· 5微米波長下操作之光電發 射裔與吸收器（可輕易地與矽電子儀器集成），提供了功 能上爆炸性的增加，並且降低了成本/功能比（⑺时/ 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（CMOS )電子儀器的 200535097 側:、上部、或者是下方進行集成。舉例而言，美國專利 案第6，7 3 4，4 5 3號，即敘述了如何 Ν將一早晶光子層埋在一 個主動式CMOS層的下方。此種方、本 禋万去可以將該光子與電子層 分別進行最佳化。其還更進一舟士 疋更進y地揭示了含有多層之以石夕 為基的稀土元素。 最後，還需要較高密度及功能的磁性儲存材料。簡而 用_工具來進行加工的磁性介質都是屬於 _ 、、疋，又有一個明確的答案。本發 明可允岭以單晶的形式使用古 式使用呵始、度的磁性稀土離子。運用 該磁性單晶，例如單晶 伸離亍連用 成鍤B “ 物’可以：⑴將其沉積 成一種可與矽相容之薄膜； 抑/ k11)使用石夕的微雷孑奘 置（用於資料儲存之電讀 使用受限之磁性離子的本質特^存取）的可能性，其係 之中在主閉極氧化物和絕緣層上覆石夕材料的領域 使目t #日日― 丨l Si電子裝置問題。對於首次 使用本赉明而g ，有兩個 並且息息相關。本❹分別2別在過去屬於重要的領域 藉由本笋明猸刀解决了此一領域的問題及/或 =务明獨特的優點來進行一種集成的方法，也就曰本 發明係為·· （ i)單曰· 泰也就疋本 與單晶矽同量並且：U)高紅值的介電材料；“⑴ 可以利用單晶矽以磊 積；以及更進一牛Γ ·、 日日的方式加以％ iv)可以任意地將多層屋 稀土氧化物進行沉積。 彳夕盾早日曰矽和早晶 解決該ULSI閘極4各此 種呈有較…J 物問題的一種可能方法，係以- 裡,孕乂回介電常數 丁 数的材#來取代Si〇2,亦即所謂的「高k 200535097 值的介電材_ 至抓之中，::一種：能的短期介電材料係將氮氣併入 長期-k值…:形成乳^化石夕（Sl〇XNy)。有可能之候選的 ^值4液，係為氧化鈦（η〇 )、 氧化鈐ittfn λ 五虱化鈕（Ta2〇5)、 :: 氧化錯（Zr〇2)、以及氧化紹Al2〇3的氧 化物。上述材料之人八 口孟及/或、、、口 δ ，亦可證明每一個古^ 值二元氧化物（嗜士口 7 n、+士 固同k

HfZr〇4)之有利特點係為有效的。相 似地，與Si〇"tSi相結合之高 ）相 t f · 、 值一兀虱化物，諸如鍅英 的fSi0"戈麗〇2,同樣可以被證明為有效 的閘極氧化物。 然而， 上所提及， 性能。 目月ό所有這種替代的閘極氧化物候選物，如以 卻無法提供一個或更多個領域之所需要的裝置 沒些領域包括了⑴塊材閘極材料品質；（i i)石夕/ 閘極氧化物介面品質；（⑴）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；⑺閉 極氧化物能帶間隙；以& (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，至“前為止不是 非結晶質、頂多就是多晶的。值得注意的是類似鈣鈦礦的 結晶體，鈦酸銷，SrTi〇3(ST〇)。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)—定向之 曰曰圓上的單晶。然而，在此例子中的結晶性對於閘極 乳化物適合度而言，並非為足夠的標準。不幸的是，該石夕 /ST0異質結合偏位（heterojuction offset)幾乎是全部 位在該價能帶之中，因此，對於以Si為基之ULSI FET裝 200535097 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 良好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 — 1 〇奈米 (nm )’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 上所提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以〇2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 缺陷密度典型地比該Si/Sl〇2系統還要來得差，因此使得 女協了 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j 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 barrier),其 中該二個不相同之半導體’也就是閘極氧化物和塊材 200535097 以下均稱之為異質結合。介於高k值氧化物與塊材Si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，% 4位此P早（pot en t i a 1 barr i er)之電子的熱電子 發射（thermionic emission)大於該Si/高k值之異質結 合中的熱電子發射。 無論是否將高k值之閘極氧化物（s)完成最終的ULSI， 對於咼性能的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：（i)藉由非結晶質Si〇2層，從該矽塊材 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（i i ) 一薄層，將矽再結晶或沉積至一玻璃或 -寬廣的能帶間隙基板上，諸如藍寶石。彡兩種形式都會 被需要，以展現：（i )高品質單晶Si表面活性層；（i i ) 高均勻度和低缺陷密度活性之Si層，以及（iH)高均勻 度和低洩漏的絕緣體。 SOI的第一種形式在概念上是由一層薄的矽活性層所 構成，該薄矽活性層係位於一層Si02之埋層氧化層（2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BOX層典型地係藉由使用二種製造方法 所形成。一種方法主要係將高能量的氧氣注入至該矽表 面，到達-適當的深度和剖Φ，之後再進行_種侵略性二 熱退火處理，此係為了將該表面受損之活性Si層再結晶成 單晶s!。此技術對於作為利用氧氣注入製程（separat^3 μ implantation of oxygen pr〇cess，SIM〇x)的製備而士係 200535097 為習知的。另一種方法實質上則係使用由兩個分開之經氧 化的矽晶圓表面所結合的晶圓，將其緊密接觸並進行退 火，以形成一 BOX層。一旦該二基板互相接合時，該矽基 板之一就會從該外部的矽表面之一表面朝向該Β〇χ層的方 向上，實際上減少其厚度。此係藉由化學機械拋光 (chemical mechanicai polishing，CMp)、或蝕刻、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（atomic layer cleaving)，其係藉由將氫氣注入至一 層嵌埋缺陷之層。在進行退火時，該氯會形成一個優先的 解理平面，而可移除一大部分的犧牲性矽基板。 然而，要形成-個均句平坦的活性石夕層表面，仍然是 需要大量的CMP。然而，兩種形式的s〇I都擁有著令人不希 冀的特性’也就是Si/埋藏氧化層介面有非常多的缺陷、 並且不適合作為詩FET裝置之較低的閉極介電物質層。 弟二，要製造此二種形式的S0I，目前來說都报昂貴因此 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，傳统 & + 1寻、、死的SOI製造技術非常 且實際上會需要很多的製程和清潔步驟。第四， 子衣要完全耗盡SOI，所需要的活性s · 小认二、1 丨王層厚度，典型地係 夕於或者是等於500埃（A)，要達至,丨柄士 田& 晋運到根本是極度困難的。 取後’該BOX厚度需要相對的薄。 到目前為止，已經使用了普遍所 ^ ^ . c. ^ 、斤使用之的沉積技術來 九在S1基板上的re —氧化物薄 寻膜在其中一種方法當 200535097 中，係使用了輕的稀土+屢 佈 孟屬’也就是出現在化學元素週期 :中之稀土兀素系列的開端。輕金屬稀土氧化*勿，係藉由 單化子4里之RE-氧化物革巴材的電子束蒸發⑴如⑽ beam evaporation，ERF、* 皂、，口 一 )來加以展示。這種技術的缺點在 於該靶材的化學計量# Iπ 直”、、法確保该最終沉積之薄膜氧化物 的化學計量。使用}7RP 士 F7 便用EBE中，最值得注意的先前技藝就是 Υ2〇3、Pr2〇3、以及 Gd2〇3 薄膜。 Y2〇3與Pr*2〇3已經被沉積在矽基板上，而當沉積在si (〇〇〗）定向之基板上時，其本質上絕大多數為多晶、及/ 或者疋非、’、。曰曰貞。單晶薄膜並未顯示在s i (刪）一定向之 基板上0

此技術的另一個缺點就是，延長使用該單一來源的 稀土氧化物的時間’ t使得稀土元素對氧之比例產生；Μ 冀的變化。此技術的又一個缺點就是，缺乏藉由該膽靠 程來控制蒸發物熔劑（flux)。此技術的另一個缺編 進料種類/缺陷的導人，其會以不希冀的方式影響到捕賴 的氧化物進料。後者對於FET裝置的性能而言是很重要的 在=二種方法之中，該輕稀土金屬氧化物的沉積是藕 由使用咼度真空環境沉積、未受激分子氧氣、以及輕稀土 兀素之EBE而達成。此方法的實施例可以在美國專利案第 6, 610’548號中找到，其係敘述一種使用鈽稀土原料、以及 未受激分子氧氣之真空舰的二來源沉積技術。所揭示是 在1〇〇< T成* <300度c的成長溫度範圍下，成長在si基 板上的一氧化鈽Ce〇2稀土氧化物層。 12 200535097 甲斤週知已超過十年的時間，s土與Ge之乾淨的（⑽1) -定向表面會展現2 χ丄的重構（rec〇nstructi〇ns)。在 -適當的環境當中使用典型的表面分析工具（諸如反射冑 能電子繞射，也就是·· RHEED，以及高度真空條件），當該· 天然的Si〇2氧化物移除時，典型地會針對二個以9〇。旋轉 之重構進仃觀察。鑽石晶格結構之理想的Si表面，代表 著非一末端S1 (001) 一定向表面。每一面的S1原子將具 有-個懸空鐽。該2 x1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Φ 用（dimerization)。典型地觀察二個正交定向2 X丄域， 可以了解如同梯形（由單原子層階梯所分開）上的二聚物， 该階梯尚度等於該塊材Si晶格常數的四分之一。應該要在 之後進行觀察樣本，其中只有顯示一個2 χ 1域的 繞射圖案，該樣本顯示（i )無階梯狀、或者是（i i )雙層 P白梯’其南度等於塊材S i晶格常數的二分之一。 單一域的Si (〇〇1)表面可以輕易地藉由製備一層故意 與°亥理想S i ( 0 0"-定向相錯位的S i表面而獲得。典型 · 地，為了達到此目的，可以使用與[11 〇 ]大約丨至6度 錯位的誤切（mi scut)基板。 美國專利案第6, 61〇, 548號揭示利用一個混合2 χ丄 · 牙1 x2所製備的表面，在si(〇〇l)—定向基板上之二氧 · 化飾的非結晶質成長、及/或多晶成長。接下來的氧化物 ’儿積，係為一種用於將輕的稀土氧化物進行再結晶化的高 溫退火，以使得可以改良該結晶的品質。初始非結晶質氧 13 200535097 夕：：非…氧化飾初始々，在朝向最終多晶氧化 、·序中的出現’相較於使用技術4(將於以下進 仃侧之本發明所觀察到的行為完全不同。 μ先前所提及之技術其最主要的缺點，如同美國專利幸 弟6, 61 0, 458號中所討必，丄 y 種類限制。-般而言，分°子^疋£0使用之稀土氧化物的 式RE〇2之稀土氧化物的立方結 —只有對較輕的稀土金屬而言是可行的。本發明教 T二=，隨著原子數的增加，最令人希冀的結晶就 疋刀子式RE2〇3。事實上，☆士 貝上立方稀土結晶會因為多重的稀土 r物氧化狀態，而具有顯著之最終的進料缺陷—因！使 =種t物無法運用到高性能之FET裝置上。將這種結 構進，，將會導致混合的結晶相，也就是多晶性。 式：：7種方法之中，係運用一種化學氣相沉積的形 ^，\ 分子金屬—前趨物。藉由使用高溫分解方法 來將RE—㈣ = 當中，有機薄膜可以藉由使用黏附在乙稀 丙_曰複合物上的稀土金屬，來進行沉積， ，並且在在鶴㈣之中，適中 =二10、耳）下進行蒸發。最終的薄膜以相似的；；； 引言中所概述的論點，相關前㈣ 二=之 金屬-有機沉積技術。 “，同樣支持此 藉由使用單- Er2〇3革巴材之適中真空程度的電 兔、以及使用三（U-戊二酉同）（1，10〇1轉）斜（⑴、、） 14 200535097 [E“Pd) 3.Phen]之前趨物的高塵金屬有機化學氣相沉積 (M0CVD)，已經將氧化铒沉積在以基板之上。在以上兩 種成長方法中，也就是觀和霞VD，該經沉積之薄膜材料 品質’展現了氧化铒之非結晶質自、以及最多為多晶不足 的材Ί習知技藝當巾’並未展示及/或請求單晶斜_ 氧化物薄膜作為。相似地’ I晶稀土氧化物、以及矽多層 也並未被展示。 總括論之’-般而言，使用化學計量之稀土氧化物單 一靶材、或者是稀土有機前趨物的EBE，並無法確保正確的 沉積薄膜化學計量。此會導致產生非結晶質及/或多晶稀 土氧化物薄膜。違背在薄膜沉積結構中的化學計量，一般 而言就會導致極度混亂的結構。 因此，吾人需要一種經改良之絕緣層上覆矽（卯丨）組 成物、裝置、及應用。更進一步需要實質上為單晶之 組成物、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 (S01 )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S0I 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 15 200535097 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〜鍺（SiGe)晶圓。 本發明之另—個目的，在於在實質上為單晶之稀土 4匕4勿、平匕 ' 輝上氮化物、以及稀土磷化物結構之上提供高品 早晶碎。 、 . 本發明之又另一個目的，在於以磊晶的方式，成長高 口口貝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t明之更進一步的目的，在於創造用於製造積體電 _ 中之基板材料，丨包含多功能的電路元件，這是在傳統 土板上成長所無法獲得的。 '恭本务明之又另一個目的，在於在低尺寸限制、高電子 或: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。 曰—本I明之又另一個目的，在於提供多層結晶性s丨於單 晶氧化铒之厚和薄的膜上。 +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S i、以及單晶氧化铒所構成。 本發明之又另一揭示，係提供稀土氮化物之磊晶沉 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，在於在單晶稀土氧化物及/ · 或稀土氮化物及/或稀土磷化物之厚和薄的膜上，提供多 層之結晶性S i。 本發明之又另一個目的，在於多層之厚和薄的膜結 16 200535097 構，其係由結晶性矽、以及單晶稀土氧化物及/或稀土氮 化物及/或稀土麟化物所構成。 本發明之另一個目的，在於提供以下分子式的組成物：- [RE]x[0] y 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I, s、 以及其他結構包含此組成物。 本發明之更進一步的目的，在於提供一種以下分子式 之二元单晶稀土氮化物組成物： REx N y 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〇丨，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 元早晶稀土鼠化物組成物： REx Py 其中X和y為正的實數，RE係為至少一種形式的稀土 I 金屬原子’而該組成物大部分為單晶，而相關的s〇〗，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子 式之稀土氧一氮化物三元組成物 、 [RE]x [Oi-z 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 17 200535097 SO I ’ S、以及其他結構办 攝包含此組成物。 本發明之又更進一牛 式之稀土氧-氮化物—目的’在於提供-種以下分子 〜凡組成物 [RE]x [0i-2 N2]y 其中X”和z為正的實 稀土金屬原子，而該扭士 a 係為至少一種形式的 晶質，而該組成物大部分為單晶、^ 夕曰曰或料 相關的SOI’s、以及其他/ Ba或非結晶質’而 、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石夕 稀土氧化物、氮化物、磷化物 卜刀于弐之夕 r rRE) rn . λΙ —兀及/或四元合金組成物： [()x(0或N或…]⑻或以或s1Ge]z， 其中RE係為至少一種形式的稀土金屬，其中x、y和 z為正的實數，而該組成物大部分為單晶。 本發明的這些目的和其他目的，^供—種絕緣層上 覆+導體的結構’ #包括一個基板層、一個半導體層、以 及-層介於該基板層與該半導體層之間的絕緣層。該絕緣 層係為一種以下分子式之稀土氧化物·· [RE ] X [ 0 ] y ’其中X和y為小於5的正實數，抓係為 至少一種形式的稀土金屬原子，而該組成物大部分為單晶。 在本發明之另/個具體態樣當中，一種絕緣層上覆半 導體的結構係包括了 ··一個基板層、一個半導體層、以及 一層介於該基板層與該半導體層之間的絕緣層。該絕緣層 係為一種以下分子式之一元單晶稀土氮化物： REXN y，其中X和y為正實數、re係為至少一種形式 18 200535097 的稀土金屬眉；^ 原子，而該二元稀土氮化物的大部 在本發明之另_個具體態樣當中，—種展早曰曰。 導體的結構係包括τ:—個基板層、一個半導二：上覆半 ;π㈣基板層與該半導體層之間的絕緣層二Γ 知為-種以下分子式之二元單晶稀土鱗化物：―緣層 RExP y ^ J1 ψ v . , /、 和y為小於或等於2的正實數， 至少-種形式的稀土 月數，蚱係為 部分為單晶。 金屬原子，而该二元稀土鱗化物之大 導月之另一個具體態樣當中，—種絕緣層上受丄 “、、，。構係包括了 ：一個基板層、一復+ :層介於該基板層與該半導體層之間的絕緣層。-:二以及 係為一種以下分子式之二 Μ <緣層 物·· 早曰曰稀土乳-氮化物三元化 Α$[:_]Χ[01-ΖΝΖ]Υ，其中x、y以及ζ係為正實數， 為至—種形式的稀土金屬 糸 晶。 4絕緣層之大部分為單 1本發明之另一個具體態樣當中，— V肢的結構係包括了 ··一個基板声、— 、㈢上设+ 一芦介於j I 4麻彳 個半導體層、以及 传：1:该基板綱半導體層之間的絕緣層。該絕緣二 、重以下分子式之稀土氧—氮化物三元化物：曰 [[Ol-z Nz]y’ 其中 x、y 以 、 5的正實數，RE係為至少_種 Z係為小於或等於 緣層之大部分為單晶。 "、稀土金屬原子’該絕 在本發明之另一個具趙態樣當中，-種絕緣層上覆半 200535097 導體的結構係包括了 ··一個基板層、一個半導體層、以及 一層介於該基板層與該半導體層之間的絕緣層。該絕緣層 係為一種以下分子式之矽稀土氧化物及/或氮化物及/或 磷化物三元及/或四元合金： [(RE)x(〇 及 / 或 N 及/ 或 p)y][si 或 Ge 或 SijGej - 1 ] z，其中RE係為至少一種形式的稀土金屬，χ、y、]·、 以及z係為正實數，而該絕緣層之大部分為單晶。 在本發明之另一個具體態樣當中，一種用於積體電路 之場效應電晶體閘極介電物質結構，包括了 ：第一和第二 介電層。該層之至少一層係由以下分子式之稀土氧化物： 製成： [叫[0]y，其中义和y為為正的實數，找係為至少 -種形式的稀土金屬原子而該組成物大部分為單晶。一層 第一半導體層係放置在介於該第一與-八 ^ ~ 7丨電層之間。 具體態樣之敘述 在各種不同的具體態樣之中，本發 个乂月提供了（i)成長 技術；（i i )磊晶製程步驟；（i i n音 ^ , ^ , 貫貝上為單晶之稀土 乳化物，組成物、及結構；（丨v )具有^ · 1及/或Ge之三元 及/或四元稀土氧化物化合物；Γ ) 一 j禾交激分子氧氣、受 激之介穩定分子氧氣、原子氧、 乳乱又 _ ^ 人./ · 同位素純氧或者是這些 乳氣形式的組合，（ν i )經活化之氮氣 /或原子形式的，（V11)稀土氧氮化物；（▽· · ♦所 為單晶之多晶及/或非結晶質稀土 ）貝貝上 ㈤具有Sl及…e之三元及；;匕物、以及鱗化物； 兀及/或四元稀土氮化物、 20 200535097 以及碟化物（x)可調諧之電子和光學的能帶_稀土^ 物；（⑴多層結構之稀土化合物，諸如稀土氧化物^ 土氮化物、稀土氧氮化物、稀土磷化物、或者θ复、、曰 θ七c · ρ 疋，、混合物’ /、有S!、Ge、和SiGe、以及Si、Ge、或矽-鍺合金；（xi 使用先前所敘述之許多裝置的材料系統，i X11 服从、▲ 八匕括(但不侷 限於）積體電子裝被動光子裝置、電一光裝置 —光學裝置、電致一電子裝置，及其相似者。 电 在本發明之-個具體態樣中，稀土金屬氧化物之單曰 =長’絕大多數都可需要個別控制相對的氧氣和元= 込劑’以達成最理想的沉積。對於元素金屬而☆，舍人， ^的條件對於單晶氧化_沉積是很有利的。更 言，重稀土元素，特別是諸如_ 乂 子走调Γ Η · J以精由使用分 子束源（effUS1〇n cells)、以及陶曼掛禍， 式輕易地將其茱發。單_ RF ^ ”勺形 构 早RE—虱化物EBE靶材、或豨土乂 赵物形式的M0CVD，可需要供靡M冰αα γ ^ 刖 …、應額外的氧，具有未受激分子 乳、叉激之分子氧氣、原子氧，舍人一尸 條件或者是缺乏金屬⑽# W氣的成長 蜀日]t卞仵，如同以下的完整敘述。 t本發明之一個具體態樣中，係藉由使用一種多層沉 化物々土 種夕層冰積循環多層包括矽和RE—氧 Γ、 RE—氮化物、或RE1化物（或者是具有Sl 或多一 _積至先=二位：州上… RE〜氧化物、RE—氮化物 ：、之“值介電早晶 及RE—磷化物、或者是相關 21 200535097 :有31或“三元化物之上，這些實質上是在Sl基板之 閘極個具體態樣當中，提供7-種平面雙 物、或者是-氮化物有氧:匕 已上為單晶或多晶之η晶沉積至先前 、·“積之而k值介電單晶RE—氧化物、RE—氮化物、以 化物、或者是相關具有Sl或Ge的三元化物之上， 二：：二=在Sl基板之上’該基板之後具有金屬義 =接觸（其可以作為一種說明而不是限制條件）、塊材 石匕铒、slErx、多層的矽/SiErx、及其相似者，其中X為 一個小於2的正實數。 在本發明之-個具體態樣中，係提供了光學活性結 構，其係藉由使用一層或多層沉積循環的矽和re—氧化 物、或者是RE—氮化物、力RE—磷化物、或者是具有si或 ^的三元化物來達成。基本的循環單位可為：將實質上為 早晶或多晶之矽，磊晶沉積至先前已經 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。 在本發明之一個具體態樣中，係提供了光學活性結 構’使其可以電子方式受激’已發射出光學輕射及/或使 其被用於將光學輻射轉換成電子及/或電洞。此結構可以 22 200535097 運用-層或多層沉積循環之石夕和RE—氧化 氮化物、或RE-鱗化物、或者是具有…的 本的循環單位可為：將實質上為單晶或多晶之石夕，石曰 沉積至先前已經沉積之高k值介電單晶RE— y曰 氣化物、以及一物、或者是相關具有Si: : 元化物之上，這些實質^在以板之上。 的二 在本發明之另一個且I#能接Ay -構…… 當中，係提供了磁性活性 、、“籌其係猎由使用一層或多層沉 物、或者是RE-氮化KmRE1化 ^ Ge 6^ - - ^ ^ 一 f物、或者是具有Si m:基本的循環單位可為:將實質上為單晶 戈夕日日之矽，磊晶沉積至先前已經沉 口口 RE —氧化物、RE —氮、""電單晶 且有SHr沾 碗化物、或者是相關 :。 的二㈣物之上，這些實質上是在s,基板之 在本發明之一個具體態樣中 光學抽運及/或 μ、了種南效率之 ^ 裝置。在此具體態樣之中，#_ 一種稀土金屬來作為㈣活性元素 、吏用 於二價齙；外广、 且A稀土原子係處 U貝料化（RE )狀態。當該RE被導人至—化 中如果沒有達到這種條件時，該R 0田 氺與、羊k T ^、弟順序就不具有 士子门性。這是歸因於4f—殼層之稀土元素的獨特電子植 恶因此，在先前所提及之化合物的氧化物、氮化物 化物、或者是Si三元化物中的稀土金 ' ^ 具攻理相的綠4士 配位必需要導致將三個電子從該稀土金屬上 U 、、、口 稀土元素係處於三價離子化狀態。 r例如該 23 200535097 稀土氧化物可具有夕重的相。較輕的稀土金屬可以开， 成具有氧化狀態的化合物，尤其是RE+、re2+、re3+、以及 RE4+。惟獨該ΕΚ狀態是最理想的，因此該分子式RE、、 之化合物（舉例而言h在光學上是不明顯的。在本發明 之各種不同的具體恶樣中，係藉由使用說明書中所救述之 成長技病^ ’在多重的Si其22 基板上，以蟲晶的方式成長重金屬 稀土氧化物（使用氧化斜單晶材料作為實施例的方式）。 在本發明的一個具體態樣中，最底層之4f-殼層躍遷，其 非常強烈的光學活性代表著絕大多數之，氧化狀態。 在本發明之—個具體態樣中，在適當的條件之下，氮 忑形成強的RE — N鍵0含玄蘇+备/l^ 站 诞D亥稀土虱化物系統具有很強的離子 :。相較於該稀土氧化物’稀土氮化物與稀土構化物的 化δ物可展現w氧化狀態之實質上較高的可能性。在本發 :之-個具體態樣中，當氮原子和磷原子形成麻合物的 二，-：：有非常高的親和力，以接受三個電子。具有Ν3 广ρ狀恶的陰離子可形成分子式RE、3飞RE3+p3之稀土 二：:二和稀土磷化物的化合物。相形之下，•重的稀土 乳化物會優先形成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 虱一氮化物（RE—0-N)、或者是蘇 —P )細成私 ^ 氧〜磷化物（RE — 〇 )、、，成物，其可被用來控制稀土元素的 措此控制該材料的電子和光學的特性。 (而非用於限定本發明），提供了—種；=== 化铒（ErN)材料、Erp組成物、及其相似:。，夕日曰虱 24 200535097 在本發明之一個具體態樣中，係提供了一種稀土氮化 物ErN、稀土 —構化物、Erp二元化合物、及其相似者^並 有較高的沉積效果’以於實質上為立方及/或纖鋅礦 ^°構中進仃結晶化。該晶體對稱族群係很適合於在類似 鑽石之結晶結構上，諸如Si (001)-定向表面、或者是相 關的錯位表面，來進行優先的蟲晶成長。相形之下，實質 上=RE2〇3形式之結晶結構的稀土氧化物，對於在Si ( η 1貝) :定向表面之實f上為六方對稱上進行結晶化，將 咼的沉積效果。 β秋 化物發明之一個具體態樣中，可使用實質上為稀土氧 5物之選擇性的氮化作用（也就是：選擇性地導入 :==、或者是罐化作用（也就是：選擇性地導入 電：狀二及以緩和該初始化合物之陰離子與陽離子的 ::狀"'。相反的例子，將實質上為純稀土氮化物、戍稀 %化物的化合物進行選擇性的氧化作用，也 在此具體態樣之中，藉由逐I ，、用。 化人“ 。 糟由逐漸取代稀土氧化物（氮化物） 二二t(氮），也可產生較高（較低）陰離子電荷 需求。二二二於稀土金屬而言，就有相關的電荷補償 力二南:Γ包括::賞：有效地藉由添加另一種種類來 說明性質的方式(而非用於限定)本:明 例子當中的稀土三元化物，可以冑2N3—導 =匕物 舉例而言，從副3轉變成REN的氮化作用，：:。 個氧原子移除’以將每個 々.5 木達到預守恆之電 25 200535097 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一型式或者是電子n-型式過量（特性））、以及光學特性， 渚如吸收和發射特性。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/或該材料之準費密 能階（quasi fermi-level)的操作是很有利的。 在本發明之另一個具體態樣當中，係提供了一種高效 率可調諧之能帶間隙電子及/或電一光裝置。在此具體態鲁 樣之中，係提供了一種量子限制結構，其係藉由使用週期 11、和非週期性之多層異—結構（heter〇_structure )， 以及該稀土元素種類的選擇性離子化狀態來達成。其係提 供了在個別化合物當中，三價離子化之稀土離子的能帶間 隙操作化合物及/或4 f —殼層電子躍遷。 在本發明之一個具體態樣中，係提供一種高效率可調 諧之光學增益材料，其係基於稀土 4f—殼層電子躍遷。相 較於由III —V族及/或ΠΙ族一氮化物半導體所構成之光 _ 學增益材料，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 可調譜之光學增益材料。這些可基於由量子井電位 * (quantum wel 1 potentials )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 土氮化物、稀土磷化物、以及更小能帶間隙矽及/或鍺、 26 200535097 及其相似者的週期性或 i结構所產生。此外，還提 ::效率可調譜之折射率的光學及/或電—光裝 亚…具有覆蓋層、光學核心層、以及旋光 (optically active)声 〇 ,）層u用於被動及/或主動波導或 二。折射率的控制對於引導光學輻射至實質 方向上及/或垂直於成長方向之層的方向上是很重要的。 物=發明之一個具體態樣中’係提供了-種稀土氧化 鼠化物、稀土鱗化物、以切的多層結構，係用 於：造多種裝置。這種裝置包括了有（但是不侷限於）電 子场效應電晶體、雙極電晶體、雙重或者甚至是多重閉極 似電晶體、多層FET電路的垂直集成、及其相似者。在 本發明之-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[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-氧化物、或稀土氮化物、或稀土鱗化物活性屬或 多層’亚且可藉由使用電子及，或及/或壓電及，或光學 激發或者是去一激發來進—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 energy 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 步控制在每一個嵌埋於光子能帶間隙結構中之該經包裝的 ΐ子恐中，該結構係可以抑制或允許該稀土量子態之光學 27 200535097 搞合。如同以上所敘述之功能性量子 引擎的基本要素或紀錄器。許 =里子機械計算 統矽製程技術的。泛、、”己錄盗可以是使用傳

乂樣解決了量子朴I C⑽puting)的領域當中— 吓r ( quant_ 個長期存在的問題。 在本杳明之一個具體態樣中，係 單晶之稀土氧化物（c_Er〇x)。在此呈广種實質上為 子係適當地在三價離子 ^怒樣之中，铒離 頂雊于化狀恶中活化，而奶 光學吸收和發射是有可能的。斜會在經適當活Γ二Γ的 “I定分子氧氣/氮、及/或氧氮化物的環境 ：、 進行氧化和氮化。本發明包括了可以單 工易地 一石夕基板上的新型式C —Er0x和c —ErN。曰曰^曰曰形成在 【實施方式】 實施例1 一種用於磊晶c-ErOx的結；^> 代表者早晶組成物

Erx〇y ’其係顯示於圖卜苴中 -TX和y為正貫數。在圖j之中， 該c-ErOx結構細微一種且有 /、β k J邊界條件之超級胞 (supeixell)的結構，並且—般係以1()代表。該稀土原 :疋以殊色球體12做為代表’而較為淺色的球體則係代表 乳原子14。-層接-層的成長方向16係與該晶體成長方向 相符合。-個完整二維空間之以氧為末端的層，其一部份 係以1 8來顯示。 使用密度泛函理論（density functional theory)、 平面波假位能（psuedopotential )方法、以及自恰最小化 28 200535097 (self-consistent minimization)，來執行能量—動量 的計算。圖2 ( a )係說明能量A (其係以丨丨〇代表）分散， 其係為本發明之單晶稀土氧化物Erx〇y的結晶動量双以1 2〇 代表）的函數。 為了進行比較，而進行了塊材Si π—左曲線的計算並 且顯示於圖2 (b)之中。C-Er0x具有與塊材Si不同數量 之能帶結構，其主要係歸因於原子對稱和鍵結的形式。 c-ErOx的能帶間隙係大約為6eV，並且具有低於以很多的 折射率，且可為大約丨.7。 产在本發明之一個具體態樣中，係提供了實質上為單晶 之氧化铒組成物、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。 實施例2 杜+發明 , ........ 但組风物，乒 中當形成RE化合物時，氮原子具有非常高的親和力，以接 受三個電子。也就是說，具有N3-電子狀態的陰離子，可来 成分子式re3+n3—之單晶、多日日、β y ,,^ θ 及非、…晶質稀土氮化物 的化二物。適合用於製# RE—N化合物的條件，係 UHV環境（適合用於沉積在一 一 丞板上）、兀素RE來 及原子氮（N )來源、及/或介彳g 、

^ ^ . /飞"％疋叉激之分子氮氣（NO 及/或未叉激分子氮氣（Ns)的實施例。 稀土氮化物ErN二元化合物， 果，以於實質上為立方为了八有較南的沉積效 …“方及/或纖鋅礦型結構中進行社曰 化…體對稱族群係报適合於在類似鑽石之結I:: 29 200535097 =、隹諸如Sl(Gi)1日）—定向表面、或衫相關的錯位表面， 仃優先的蟲晶成長。在本發明之一具體態樣中， 供-種RE-N化合物，其係與其他元素性的原子進行人二 以實施例的方式（而非用於限定本發明），將re— 錯進行合金’會形成分子式咖12及/或咖ez 化合物。該三元化合物具有可變的晶格常數以及電 子此π間隙，作為Si與Ge之相對莫耳分率 實施例3 “（Z)的函數。 在-個具體態樣之中，提供了_種實質上為單晶之稀 :化：組成物。在適當的條件之下，磷會形成強的離子 有口 ：當該構原子或分子形成四化合物時，鱗原子具 —干^白親和力’以接受二個電子。也就是說，具有p 电子狀態的陰離子可形成分子式RE3 + p3—之时a、少曰 以及非結晶質稀土磷化物的化合 ：：、多晶、 化合物的條件為為（舉例而言）：使用適:^製備RE—P =…境、-種元素性的= L目或P4)的來源、碟化物化合物的昇華，及 稀土氮化物ErP二元化合物可具 ^ 果，以於實質上為古古芬/々* /、 乂馬的 >儿積效 及/或纖辟卢、 5 ’辞礦型結構中進行結晶化 成、義鋅礦型結構。此種晶體對稱族群 類似鑽石之結晶結構上進行優先的 ：適'用於在 -定向表面、或者是相關的錯位表面。….如Sl(001) RE — P化合物可與其他μ性的原子進行合金。以說明 30 200535097 性質的方式（而非用於限定本發明），RE—p可與矽及/ 或鍺進行合金，以形成以下化學式之三元化合物·· RExPySlz及/或RExNyGez，其中X、y以及z係為正實數。 隙 /、元化口物具有可變的晶格常數以及電子能帶間 作為S!與Ge之相對莫耳分率（ζ)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、氣 化物、魏物之二元化物。多重稀土金屬可以被併人至以 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RE2 = Yb可 以被共同沉積，以形成以下化學式之化合物·· [ErzYb"Z]x [〇或N或ph，其中Z係為Er和Yb 的相對分率。此技術可以延相數個心上，以形成 、RE” ...RE3]x[〇或Ν或p]y，其中乂和y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 在此貝加例之中’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（N2〇或N0)種 類導入而形成。展現以下化學式之化學分子式的化合物： [REL [Oh Nz]y可以形成獨特的單晶、或多晶、或非 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/或碟化物 可以和其他元素進行合金化，該其他元素包括（但不侷限 31 200535097 於）第1V族非金屬元素，諸如Si及/或Ge。其係提供了 一種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— [〇，N，p]沉積的 技術、以及更進—步使用Si及/或Ge元素來源進行共同 沉積而達成。舉例而言’導入元素Si和Ge可以被用來操 作該化合物之電子知紝4致士 t, 于矛m構特性。另一個實施例係在沉積過 程期間，藉由使用石夕、校彳^ 、 、， 用尽烷（SlH2)或者是適當的（Gelh)氣態 前趨物來進行共同沉積。又另一種實施例則係將以及〆： Ge後成長（P〇st gr〇wth)至該re氧化物、氮化物、或磷 化物之上’之後再將其進行退火以形成三元化物。在本發 明之一個具體態樣之中， 义 Θ工間和化學組成可以作為成長 方向的函數1化。藉由改變該組成物之成分的相對化風 比二可以達到特定的具體的結晶結構、类員質同形體、； ^ ^ 先學特性。具體而言，該組成物之曰 陷穷；^置曰叮 貝了以進仃有利的變化，以使得低缺 1^3山度之單晶可沉積於 W 、一 不相似的材料上。該組成物之電子 4寸性可以藉由將較多數 變化，從杏質上AP Sl和^導入，而進行有利的 只貝上為、,、巴緣變成半 可以承4丰& 卞守菔4組成物之電子性質 - V加以操作，以展現導士 將較多數量之稀土離子及：广疋错由 償方法。 八戈使用如以上所敘述之電荷補 實施例7 此實施例係說明名圭八 在本發明之一個具體態樣巾，當使用 32 200535097 了所明的「樣板成長（template growth)」方、去日, 、 了本發明最高品質之實質上為單結晶質的結構。在此' 之中，係使用一層下列種類之至少一種的材料層來作為套 種樣板：稀土⑽、稀土氧化物（REx〇y)、稀土氮化物 (RExNy)、稀土 磷化物（RExpy);利用與稀土（ ( $ · yr)、稀土氧氮化物（REx(°，N)y)、或者是稀土氧碟:二) (OxyPhosphide) (REx(0，P) y)進行合金化之矽（或鍺、 或SiGe)合金，所形成的矽化物；氮化矽（Si^) 、 矽（Si〇y);氧化鍺（Ge0y);氮化鍺GexN〆磷化鍺（)化 兀素S!及/或Ge;並在該樣板上成長本發明之组成物。舉 例而言，在成長c-ErOx之中，藉由使用成長在單結晶質: 化矽層c—Sl〇x 218上之純_晶體的铒樣板，可以達到 最理想的成長效果’其中“系小於卜如顯 ， 之中。 口 〇 V a) 圖3 (a)係說明本發明之絕緣層上覆矽結構 個具體態樣。其係將—層單結晶f碎層212以蟲晶的 =積在一層單晶（㈣y)層214之上。層212和層叫’ =ΓΓη)—定向的基板上’其係以元件符物 作為代表。對於本發明之一個具體態樣而言，係將 :純-晶體樣板層218和層22。成長在實質、= 的石夕緩衝層222之上。正當來，，私姑m 貝 〇〇c 正韦來况，係使用入射和反射的光 干田射226來監測作為沉積時間之函數的多層堆疊。 圖3 (b)係說明本發明之絕緣層上㈣結構3 —個具體態樣。在此具體態樣之中，係將-層實質上為單 33 200535097 結晶質之々層312 ^晶的方式沉積在—層單晶（Em) 層314上。對於本發明之一個具體態樣而言，係將層3i2和 層314成長在一個矽（1〇〇)—定向的基板316上。純一晶 體樣板層318和層32(3係成長在-層單結晶質之料衝層 3 2 2之上。 應該要了解到的是，可以使用—些樣板，其包括〇 不侷限於）成長在稀切化物（SlErv，其中V係為一個小 於2的正實數）之上的Sii_z(Erx〇山（

係為正實數），如同顯示於圖3(b)之中。 及Z 圖4係說明揭示於圖3 ( b )中 雙晶卜光繞射曲線。該桿…：絶緣層增結構的 „ nn, c 6 亥钛°己為412的峰值係代表著單晶 夕〇 0 4反射’而該經良好定羞 口…、 &好疋義之狹窄峰值410係代表著高 口口貝早日日虱化铒〇 〇 2反射。缺少 相關峰值係指示該氧化、了：何-種其他的氧化斜 我化辑層係為類質同形體並且為單晶。 圖5U)係說明對於單晶氧化鲜層而言 間之函數的原位光反射率曲線。 ““ 中，係使用一種單^ ^ (a)所揭示的結構 .^ 先源。該震盪則係敘述-個成具的 表面，其具有作為沉 又乩個成長的 表的建設性干斗、而庵 "而增加的厚度。峰值代 杜干涉而每股則代表著破壞性干涉。 圖5 ( b )係說明揭示於圖 構的雙晶X-光繞射曲線。曲線 之絕緣層上覆石夕結 層高品質之單晶氧化铒# 17曲線512係意指一 板之上。曲線51〇代表;蟲晶的方式被沉積在—石夕基 於頂部單曰石夕声下力、種絕緣層上覆石夕結構’其見有 具口丨早日日矽層下方之較曲 …、有 、、5U為尽的單晶氧化 34 200535097 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。 、 、，/由使用此種樣板成長技術’可以成長出複雜的結構 顯強化，諸如超晶格。目6錢明本發明之絕緣 L復矽結構61〇的一個具體態樣，其係使用超晶格。社 :鼻::。包括了 一個多、、超晶格結構612，其係由結晶氧化 铒6 1 4和鍺層61 6結構所構成。 氧…14和鍺616之晶格常數係相當不同的。單曰 二：,多層係藉由平衡經蟲晶的方式所沉積之薄膜的四 声厂^㈤叫嶋ldlstortlon)而形成。選定該超晶格 曰…使得在每一層當中之相同和相反的應變力實質上 :::造成應變減少或者是產生無應變的超晶格612:如此 曰使彳于總厚度大於純Ge之臨界層厚 直接沉積在Sl之上。 曰厂予度的早晶超晶格結構， 在^明之-個具體態樣中，該超日日日格結#612係成 =一層=域樣㈣618以及—層以铒樣板層62〇 之上二Γ夕覆盍層622被沉積在該超晶袼結構612 。该夕重層係成長在一矽緩衝層624之 衝層624則係沉積在一矽（1〇〇) 亥矽、，友 υ)—疋向基板626上。 在各種不同之具體態樣中，本發明之超晶格可且有一 及複數個重覆的元件，該重覆元件當 #刀係為以下至少一種·· ㊉ 35 200535097 1 . 一種以下分子式之稀土氧化物··（ RExOy )，其中X和 y為小於或等於3的正實數； 2. —種以下分子式之稀土氮化物：（RExNy)，其中X和 y為小於或等於2的正實數 ； 3. —種以下分子式之稀土磷化物：（RExPy)，其中X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：（RExSiy)，其中X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：（REJOzN〗 -z]y， 其中x和y分別為小於或等於3的正實數，而z係為小於 或等於1的正實數； 6. —種以下分子式之稀土氧磷化物：（RExCOzPi-D， 其中X和y為individual ly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錯合金：（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錯一氧化物一氮化物一石粦 化物：（REx [0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：（Gex〇y)，其中X和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 一石夕一氧化物一氮化物一 36 200535097 磷化物··（ REX [〇 或 N 或 P]ySiz)，A 士 具中x、y以及z係 為小於或等於3的正實數。 12· —種以下分子式之氮化矽：（ V MxNy)，其中χ和y 為小於或等於5的正實數。 13· —種以下分子式之氧化矽：Γ 〈bix〇y)，其中 χ 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 沈逆用來創造一種介於純 早結晶質結構之間的連續躍遷，從多晶到最終的非結晶質 結構’都是在單-成長的運轉中進行1 7麵示此種樣 板成長方法，就本發明之另一種纟 _ !七、、彖層上覆矽結構710而 言，如同運用到具有Sh-Z( Erx〇 ) μ ^ - y) z樣板的氮化鋼1成長中， 其中x、y以及z係為正實數。* 在圖7之中，係提供實質上 為單晶之結構712、以及多晶氮化铒（ErN)7i4。將該氮化 餌層沉積至一層單晶氧化铒緩衝I 716上。將該氧化铒缓 衝層716沉積至由單晶矽氧仆 干日日7虱化餌718、以及矽化铒72〇所 構成之樣板層上。將頂部之矽層 ^嚐以2用來元成多重層的順 將該多層結構沉積在—石夕緩衝層724之上，而該石夕緩 ”層724係沉積在矽（1〇〇)—定向基板726之上。 該單晶ErN層71 2 I古丁门 1 z具有不同於該單晶氧化铒緩衝層71 6 之晶格常數。當該ErN>@ 7l9AArrfe , ㈢712的厚度增加到超過該臨界層 厚度（CLT)時，就會產生X 1 A M “

不適虽的差排，並且產生多晶ErN (pc-ErN) 714。敘述了 外话 攸早日日躍遷至多晶ErN的成長，其 37 200535097 4杂生在介於71 6和71 2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ErN層712之上是可能的。 該皁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SOI結構。在本發明之一個具體態樣中，可以將一單 晶ErN以磊晶的方式直接沉積在Si ( 〇〇1 )—定向表面的頂 部上，並具有和不具有六度的誤切定向（miscut oriented) 表面。 實施例8 此只她例係討論各種不同之成長工具其可利用本^ 明之組成物和裝置來加以運用。

使用.亥RHEED圖案以利於這些新材料和結構的成長 並且㈣所有的這些新材料均確實為高品f且低缺陷密/ 的、、.屯單日日。圖8(a)與8(b)係為圖3(a)中之層21 的原位正交方位角RHEED圖案影像。長型尖銳的RiJED也 m 〇、81 2、與814係'意指絕佳品質之單晶氧化餌、以石 二維空間中之—層接—層的成長。該_ED條紋812至81 已清楚定義’長且平行。相形之下，根據習知技藝成“ 2 土氧化物的RHEED，係顯示不是無RHEED圖案（非結曰曰£ 質）、就是高度擴散之斑點狀、及/或光環廳ED的圖= (多晶）。介於該臓D圖案以及之後的多晶及/或非结 38 200535097 曰曰貝、:構之間的對比是很明顯的。本案發明人之方法已經 :、°出向σ口貝單晶結構，然而習知技藝卻只能複製大 自然中能夠尋3(兹> 、&的材料，例如咼度多晶、或非結晶質的材 ，j ( C)係為成長在圖3 ( a)中之單晶氧化铒層 上的早晶矽層212的RHEED圖案影像。圖3(a)中之層212 的麵1)影像816至⑽，係顯示用於3〇度增加之旋曰轉的 方位角用於一個固定之入射電子束。該影像816至

'、 鬲口口貝單晶S i 21 2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。 、八 圖8(d)與8(e)係與圖8(a)與8(b)相同，除 了八係代表圖3 ( b)中具有正交方位角的層314，其係用 、 之入射電子束。該影像係顯示長且尖銳的條紋 以及844，其係意指單晶氧化鲜被沉積在一個 X 1重構之中。

一早曰曰矽可有效地成長在寬廣能帶間隙之絕緣薄膜上 σ亥薄馭係由單晶稀土氧化物所構成。該SOI結構可以在 基板上完成，其具有實質上為（001) —定向表面、（11 —定向表面、從（001) —、U11)—、或（011)—定 表面脫離出來之定向的誤切表面。 A藉由使用即時的RHEED與鄰近法線之入射反射率於 位監控磊晶層成長。該UHV系統之典型的基本壓力為大約 3X10托耳。將分子束源用於4N+—純度Er以及6N — 度Ge的洛發。使用極低光束壓力電漿源來製造原子和介= 39 200535097 =氧和氮的種類。藉由使用殘餘氣體 =來監控氣體種類和Sl助炫劑。藉由使用高穩定= =進送一)、伽電子束蒸發器，將Sl: 將單晶稀土氧化物成長在經κα》潔之Si (111) :乾淨的“表面係以一層濕式成長之保護性咖： 產生口 是使用—個最終HF浸泡（finaiHFdip): ^ 知（H_terrainated)。拿出基板於UHV中進〜 孔體f理’然後再將其裝載至該成長腔室之中。在沉積處 里之别’將基板加熱至9G(r(：，直到藉由rheed觀察到清 重構在该成長腔室中之基本壓力於氧化物 除期間二對不會超過2 X 1。-1。托耳。嫌退火進行丨 1 5刀4里之後，將該基板快速地冷卻至用於大約1 〇⑽埃 之本貝Si之緩衝層沉積的成長溫度。rheed展現了非常尖 銳、非常長、且狹窄的條紋，其係代表著原子級平坦、= 經良衫義之Sl表面。圖3(a)#3(b)分別以圖表式 的方式顯示沉積在Sl (111) 一和Si (〇〇1) 一定向基板上 之典型的層順序。敘述於圖3⑴中之方法順序係於攝氏 5〇〇/口 700度之下進行成長。敘述於圖3 (b)中之方法順 序係於攝& 5〇〇和700度之下進行成長。成長了一層熱力 學穩定之順序的層，以於_層假形性（pseud⑽叫…） ^ErOx層成長以前，建立一個原子樣板，該卜訏層代表 著4單晶組成物ErxOy，其中X和y為正實數。如果沒有任 何多晶、或非結晶質成長的證據，RHEED條紋不會消失。 200535097 該單晶稀土氧化物與氮化物舊 乂化物，專膜可以在攝氏300至1 000度 的溫度範圍之間進行成長。兮罝曰 长°亥早日日矽化物層可以在攝氏3 0 0 至800度之下進行成長。俏 々月―地，該方法之沉積溫度可 與標準CMOS製程相容。 在本發明之一個且體能；)¾击 "

，、 心樣中’係提供一種使用RHEED 圖案的方法，以提供對兮占且+、丄 、 μ成長方法的反饋。由於這些材料 過去從未以單晶形式進行成長 丁凤長使得這些技術在以前從來 都沒有運用到此方法上。 實施例9 在本發明之一個具體態樣中，係使用光致發光（PL) 來分析半導體晶圓’其係藉由改變PL卫具的激發波長，從 綠色（532測）變成藍色（ 488nm)、或者是紅外線⑽㈣、 或紫外線（355nm)。由於這此鍤+ > 、二稀土虱化物、氮化物、以及 磷化物之純一晶體特性，在盥it此 /、k二新的波長進行激發時， 該晶圓在先前無法從碎獲得之波長下，甚至是在室加下 展現了強的光致發光（PL)。舉例而言，當所使用：稀土 兀素為铒時，這些新的材料就會在用於電信之η⑽至 168〇nm能帶中強烈地發射。圖9顯示在98〇nm栗激 (pumping)下的光致發光發射，力 "

m 加注明顯的發射峰值91Q 至926，其係將三價離子化之稀土 1此尸白群的特定躍遷 加以標記。在一種非結晶質的材料去 了寸田中，堵如以餌摻雜的 纖維，這-種分裂是無法觀察到的。就本發明的—個呈體 態樣而言’係將此特徵用來作為量測最終結構之姓曰性 精確工具。可以將PL用來作為—種非侵人性探針^稀 41 200535097 土材料的光學識別（signature identification)。 在本發明之一個具體態樣中，係使用快速退火（RTA ) 技術來緩和稀土薄膜之晶體品質及/或活化電的摻雜物。 在本發明之另一個具體態樣當中，係使用了短波長激 發的拉曼散射（Raman scattering)以用於分析以磊晶的 方式沉積之薄膜的晶體品質。以說明性質的方式（而非用 方；限疋本务明）’將沉積在單晶稀土氧化物、氮化物、或 石Η化物上之超薄S i薄膜，進行非侵入性探測的品質評估。

在Si中之非常高的光學吸收係數，於短波長（<4〇〇nm)下 可以藉由使用本發明所創造之S0I結構的最頂部磊晶層， 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 晶ULE)。該c —Er〇x、c—ErN (代表單晶化合物訏办

ErJy )、成長參數可加以操作，使得該成長在二維空間 一層接一層（2-dimensiona丨丨ayer_bHayer，2D_LbL)

模式裡進行’ ϋ主要藉由金屬沉積速率來加以控制。該 ^LbL成長模式對於單晶薄膜（具有實質上高度均勾且 % f板的厚度）的沉積和成長而言是最有益的。本發明 不範ALE是藉由使用一㈣Hv腔室、一個經加㉟的基板（ 利地放置在S素性原子及/或分子沉積來源之前）、一 藉由成長薄膜而調整源通率（SQUrce nux)的方法、以 =原位溥膜品質為特徵之裝置。該C—E咖表面同樣 山4個分子卩氣及/或氮氣過量的環i竟中自行產生-^。喊祭-個氧末端之c〜Er〇x表面，以於超過⑽m 42 200535097 長溫度下、以及腔室壓力<10-9托耳下，保持高達2個小 時的穩定。 實施例1 〇 在本發明之另一個具體態樣當中，其可建構出一種多 層結構，包括交替順序之寬廣能帶間隙（WBG)能量材料、 和狹窄能帶間隙（NBG)能量材料。藉由實施例的二1解說， 圖10係說明一種多重層狀順序，其係由本發明之單晶氧化 铒1 01 0所構成，該多重層狀順序係構成了 WBG層，而單晶 矽1012則構成了 NBG層。該垂直軸代表了電子能量4， 而該水平軸則係代表著層成長方向1〇16。氧化_ι〇ι〇之電 子能帶間隙能量較石夕m8之能帶間隙大得多，因此該石夕位 能有效地限餘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（deBrQglie以則魄⑻次序） 而：，在該位能井區域中將會產生量子化能量高度。該電 子量子化能量高度1()2Μσ 1(322係由於電子限制位能刪 竹1 026而#不。在里子化能量高度能量之間係顯示了光學 躍遷1 028。本發明之其他組成物可以有利地加以塗佈，以 達到所希冀之雷Jf、亦與^ β 》 先予及/或磁的特性。該光學躍遷 二可以同樣地可以藉由來自於該傳導帶與價能帶之間的 月匕®鬲度的電子復合，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： 、（）種以下刀子式之稀土氧化物：[RE]x [〇] y，其 X為1，而y係為h5，_為至少—種形式的稀土金屬 43 200535097 原子，而該組成物大部分為單曰曰 ⑺-種以下分子式之二: 其中X為1，而y係為卜m 屑早，而兮--從丄 ’、、、至少~種形式的稀土全屬 原子而该-兀稀土氮化物的大部分為單曰. 屬 (3) —種以下分子式 ——口〇 中X為1，而你i 1 一兀早晶稀土磷化物：RExpy复 為1,RE係'為至少-種稀土全屬肩/、 而該二元稀土鱗化物的大部分為單晶； 屬原子， (4) —種分子式[RE]X [0i N , ^ 元化物，其中為少於3的正之稀土氧—氮化物三 等於零、以及小於等W，RE 而2係為大於或 M JS SZ. -r. _ 係為至少—種形式的稀土金 屬原子’而該組成物大部分為單晶； (5 ) —種以下分子 物的三元四元合金： 》稀土氧化物、氮化物、構化 [(RE)x(〇 或 n 或 ρ) Ί 其中RE係為至少— y [ 1或Ge或SiGe]z， 的正實數，而二：金屬，x、y、以及2係、為小於5 而s亥組成物大部分為單晶； 奶的非稀土金屬原子的三元合金： L ( RE) x ( 〇 - w ^ A N 或 P) y] [M]z，其中 re # A 5 4、 -種形式的稀土金屬…“ r处係為至/ z俜a I认 係為種非—稀土元素，x、y、和 z係為小於5的 y ^ 貝數，而該組成物大部分為單晶； 沒些組成你y 7 γ 上為單—順 （1)具有原子的排列，其係具有實質 -非結晶性；f…）疋非—多曰曰的；（lil)是非 lv)從單晶變化呈多晶，及其相似者。 44 200535097 結構，可以有利地加以 能帶間隙能量、介電常 似者。 每一個化合物之特定的分子式 使用’以達到一希冀的晶格常數、 數、折射率、異質結合偏位及其相 母一個化合物之特定的分 7刀于式結構，可以有利地加上: 使用’以達到一希冀的晶袼堂盤 兵J日日裕㊉數、能帶間隙能量、介電售 數、折射率、異質結合偏位及其相似者。 就組成物（1 )而言’ χ的值可採用範圍從工至2，而 的值可採帛1. 5和3 ’也就是說，h 〇以及

.5 < y< 3 · 0選擇值的範圍來代表可能是單結晶質形式之 化學什1及/或非-化學計量的稀土氧化物。纟晶體結構 的型式可包括單斜型、六方型、纖辞礦型、體心立方型、 以及其他。 牛例而〇，多形性單晶結構係以下列為代表： REx=l0y = 2、REx = 2〇y = 3、REx = 1〇y、其中 1<= y <= 3 及 /或REx=1〇2-k其中〇<=k< = 2 ，這些均為可能的。 藉由貫施例的方式，同樣可以了解到中間稀土氧化 物’ 4如REeOn，同樣可以由以上之多形性如RE2〇3 4( REq〇 鲁 的組合來代表。 就組成物（丨）之更進一步的實施例而言，由 眈X=l0y=l.5+d所代表之該結晶結構，其中d係為一個正 - 貝數，係意指一個非一化學計量之結晶結構，其富含氧。 · 相反地，由REx=l〇y=l· 5 — d所代表之該結晶結構，其中d 係為個正貫數，係代表一個非一化學計量之結晶結構， 其係缺乏氧。 45 200535097 對於組成物（2)而言，y 的值可以採取大於或等於】、 、…―。再者 荖仆與斗ο 及小於或等於2，其係代表 者化學汁置之及，或非—化學乎代表 為έ士曰形异 ^ Η 之稀土氮化物，其可能 為、、、口日日形式。其晶體結構的型式可 鋅礦型、體心立方型、以及其他，括早斜、六方型、纖 衞—：二成物(、2)之更進—步的實施例而言，由 Y +d所代表之該結晶結構，政中d # A 杳々 及甲d係為一個正眚 數，係代表-個非-化學計量 Λ個正只 相反地，1λτ <、，。日日結構，其係富含氮。 相反地由REX = lNy = 1 —d所代表 + 為一個正實數，俜代#彻dt 、，D日日九構，其中d係 係缺乏氮。' #'代表—個非—化學計量之結晶結構，其 1 组絲⑺之更進—步的實施例係為以❿爾 心-INy代表之多形性單晶結構，其中】〈…一 2 對於組成物⑺而言，χ力”係等於一。再 的值可以採取大於或等於卜以及小於或等於2 γ 著化學計量之及/或非_化學計量之稀土氮化物== 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4勿（3 )之更進一步的實施例而言，由 REX=1PPHd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，其係富含鱗。 相反地’由REx = lPy = 1_d所代表之該結晶結構，其中d係 為個正貝數，係代表一個非一化學計量之結晶結構，直 係缺乏磷。 一 46 200535097 、且成物（3 )之更進一步的實施例，係為以REx=ipy=1、 和REx—ipy為代表之多形性單晶結構，其中叫〈4。 而吕，X可具有介於丨和2之間的值 (1< = X< = 2) ,y可具有介於丨和5的值（i〈 = y〈=5)，而 z可從0<= z <= 1之中選擇出。 組成物（4 )之更進一步的實施例，係為用於_種以下 形式之混合氮化物稀土三元結晶結構的經驗公式： ，(咖3)a(RE1N1)b，其中a#〇b為正整數或實數， 並且可以寫成RE(2a + b) 0(3a) N(b)。化學計量和非__ 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、纖辞礦型、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， 以缓和氧擴散通過該晶體晶格。已經發現到只有幾個百分 比或者是更少的N併入至Er (0χΝι —χ) 15化合物之中= 其中X > 0.9可以實質上降低氧的擴散。 對於組成物（5)而言，X可具有介於"口 2之間範圍 的值，y可具有介於L5和3的值’而ζ可以從〇<= y〈 = 2 之中選擇出。#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-步的實施例，包括了使用以下形式之氧化石夕的 組成物··二氧化矽Si〇2、單氧化矽Si〇、以及次化學計量之 S i Ον，其中V係為一個小於1的正數。 組成物（5)的一個實施例係為（Si〇2) χ· (Er2〇3) 2 -x，其中Χ為-個小於或等於i的正實數，並且同樣可以 47 200535097 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. 工 —X，其中x為一個小於或等於1的正無勃 日]止貝數，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 )之另一個貫施例係為（Si〇) X.(訏〇)工 —X，其中X為-個小於或等於i的正實數，並且同樣可以 敘述成分子式分子式SixErl-χθ。 相似地，還可以使用氮化矽組成物，諸如si3N4、 Slm'或SiNv，其中v係為一個小於或等於的正數2 5。 組成物（5 )之另-個實施例係為（SiN ) X· ( M ” -X，其中X為-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SixErl — χ]\ί。 對於組成物（6)而言，μ較佳係選自於銓、鍅、或鋁 中之-個或更多個。藉由實施例的方 < (而非用於限定本 發明），係揭示了作為使紐（Hf)之單晶氧化物的組成 物（6)例子。選定該分子式參數z &小於或等於一，而 選定該RE種類為Er。此種合金實質上為單晶，並且可以 使得铪的特性以單晶的形式加以有利的運用。 就組成物（6)之更進一步的實施例而言，該組成物 (Hf02) X· ( Er2〇3) l〜x，其巾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HfxEr2(i —χ) 〇 ( 3 — χ )。 組成物（6)之又一個實施例，係為組成物（Hf〇2) χ· (ErlNl) i — χ，其中χ為一個小於或等於^的正實數，並 48 200535097 且同樣可以敘述成分子式分子式HfxEr ( 1 — χ ) 〇2χΝ1 — x。 組成物（6 )之另一個實施例，係為組成物（Hf N ) X. (Erl N1 ) 1 — χ，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 ( 1 — χ ) N。 在週期表當中，稀土元素可以是週期表當中最接近前 面的銓，來將電子添加到内部4f 一殼層中。由於不會有添 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（Unthanide contraction)」° 在本發明之另一個具體態樣當中，係提供了一種單晶 稀土氧化物（以及稀土氮化物），使其可以有效地穩定氧 化铪（氮化铪）之立方體（螢石）結構。 在各種不同之具體態樣中，該組成物中的每一個可為 (1)至少90%的單晶；（u)至少95%的單晶；（丨丨丨）至 少99%的單晶，及其相似者。 該稀土元素可以是任何一種稀土元素，其包括（但不 侷限於）铒、和镑，甘+ — 7 > 、心八中母一個元素均具有在三價離子化 (3 +)狀態下鍵結的原子。 在個具體恶樣之中，該組成物係成長在一結構或基 板上該、、、σ構或基板係由矽、鍺、和矽鍺、、丨心、、 、 〇3中之至夕一種所製成。在另一個具體態樣中，該 組成物係成長在一非牡曰 非、、°日日貝基板上，其包括（但不侷限於）

Si〇2、或者是實質上為非έ士曰 β甘,^ + ~开、、、口日日貝陶瓷、及其相似者。 在該組成物之頂部卜 丨上了形成一層。用於該層之適當的 49 200535097 材料包括（但不侷限於） 者。在夂ίϋ F1 、 、鍺、矽—鍺合金、及其相似 者在〇種不同之具體態樣中，至少f 0 晶；該層之«為單晶.（.·· Μ该層之為單 其相似者。 ，（111)该層之99%為單晶，及 在本發明之其他具體態樣中， 組成物⑴到，以及所述之该 u)、圖3(b)、36 有不同之具體態樣，於圖3 能…j 以及圖7的結構中。在這些具體 :運用//質上-4單晶之活性層絕緣層上覆石夕材料，對 ' 一 SI技術上的501而言係為最低的需求。更進一 2良目前的S0I技術，就是導入並且使用在先前所提及 =性層下的單晶絕緣層。本發明之更進一步的特徵， 4早晶稀土氧化物及/或稀土氮化物及/或稀土構化物 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，而最终的 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-層單晶石夕及/或鍺及/或化合物石夕一鍺活性 層，以磊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，可潛在地具 有非常低的缺陷密度。在正確的條件之下，此騎晶氧:匕 物/Si層順序可以成長在Si基板之上。 圖3 (a)、圖3 (b)、圖6、與圖7之結構，可具有 另外—種沉積在頂部原位上之稀土氧化物、氮化物、或磷 =物層’以形成—冑S()I及/或高k值之間極氧化物的堆 疊。此種結構可保護該活性Si層與閘極氧化物的介面品 50 200535097 f。另外，還可以使用-種非結晶質及/或多晶開極氧化 物’諸如以_。無論如何，都可以輕易地完成— 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、 氮匕物a v化物，其更進一步的功效就是在於間極堆疊 摻雜物擴散的領域中。典型地，傳統m方法流程係使用 一個經摻雜之多晶Sl間極接觸層（沉積在該㈣閘極氧化 物之上）。不幸地，為了要活化多晶si接觸層中的推雜物， 就需要非常高的溫度。在退火或者是活化期間，該摻雜物 «’例如實施例㈣子’就會有害地移人至該閘極氧化 物之中。對於極薄@ _2問極氧化物而言，這是極嚴苛的 制ir、件本务明潛在地解決了此問題。如果將單晶稀土 氧化物用來作為FET閉極介電物質層⑴，則可以將隨即 經適當經摻雜的單晶Sl用來作為閘極接觸I。此方法流 程的優點在於單晶Si中的摻雜物種類擴散率比非結晶質、 或者是多晶Si中的擴散率還低。因此，就可以減緩或者是 解決摻雜物從言亥閘極；I食疊滲透至言亥閑極介電&質層中的問 題0 在本發明之其他具體態樣中’藉由使用矽、和稀土氧 :物及/或氮化物所展現之大的異質結合價電、以及傳導 帶偏位，會產生電荷載子之量子限制。以說明性質的方式 (而非用於限^本發明）’其係提供—種多層順序，諸二 圖10中所敘述，其包括至少—個c_Er〇X//Si/c_Er如的 週期。對於该電子德布羅意波長（deBr〇glie wavdength) 51 200535097 貝序的Si層厚度大約4 1⑽埃而言，該狭窄的能帶間隙 Si位能井已將傳導帶與價能帶中的能量高度量子化。這就 如同坤化蘇（GaAs) /钟化鎵紹（GaA】As)量子井。然而， 省/ Er〇x量子井有效地提供數個電子伏特 之經增加的電子與電動限制能量。 々、+夕週』之c Er0x/Si/c-Er0x以及小於大約1〇〇 埃之個別層厚度的延伸例子而言，該量子井變絲合的， 而^亥傳導帶與價能帶則形成了電子的迷你價帶。本發明 =量子井類似物得以使得該石夕系統中，首次完成複合量子 '子材料。相似的條件適用於單晶稀土氮化物、填化物以 及如以上所敘述之三元化物。 本發明之更進—步的方面，在於該活性si層與經埋層 絕緣體厚度’可以個別地進行沉積，並且具有範圍從數埃 =數微米的厚度。因此’ S0I結構可具有經最佳化的活性 1層與BOX層厚度。此方面對於本發明而言，當運用在完 全耗盡之絕緣層上覆石夕基板上時，係為獨特的。該順層 高介電常數之絕緣體’因此只需要數個奈 的厚度。 本^月運用SGI基板上（使用稀土金屬氧化物腿層） 更進-步的優點方面，係在於熱散逸的領域。㈣之導熱 :約小於單晶一百倍。眾所周知’次微米電晶體之自動 二、二文應對於在傳統s〇I基板上實施的仙ms而言是 的。本發明潛在地減緩了此自動加熱的問題，因為 "土金屬氧化物、氮化物及/或磷化物展現了實質上高 52 200535097 於S i 02的導熱率。 本^月之更進-步的方面，在於 土氮化物及/或稀土磷化物 /^稀 /或石夕及/或石夕一錯之蟲晶 成長的多層循環、或不循環順序或排列。 在本發明之其他具體態樣中’係揭示一種用於積 路的電子電晶體閘極介電物曾 、^ 4 电物貝結構。圖i!係說明本發明之 電子電晶體閘極介雷物曾纟士 4塞 a — 冤物貝結構U10的—個具體態樣。將— h-絕緣體及/或介電層1118成長在一層樣板 :::11:上。該介電層⑽係為-層包含包含翠晶稀 係根據如以上所述之組成物⑴至（6)。將 ::Γ:Γ116沉積在該第一介電層1118之上。根據 =明二半導體層⑴6較佳為一層以蟲晶的方式沉積在 違弟一"電層⑴8之上的單晶半導體。將多層沉積在—基 板1122上。將-層第二介電層1112沉積在該第一半導體 層1116之上。此基礎層順序形成了一層單晶半導體層 ⑴6’其夹在二層介電層之間。將此基礎結構用 二 個场效應雷a興 甘y么 包曰日體，其係此積在一絕緣基板上。二者擇一地， ^结構還可形成一雙重間極場效應電晶體。該介電層1112 舁1 1 1 8中之至少一層係由上所述之組成物（1 )至（6 )、 以及其各種不同的具體態樣所製成。在較佳的情形 孫 選擇該半導體層1116作為單晶石夕及，或錯層。該介電層 1112及/或1118中的每一層均可由上述之組成物（1) ^ (6 )、以及其各種不同的具體態樣所製成。 …構111 0可具有重複的元件。藉由說明的方式，沉積 53 200535097 該第三介電層1117與第二半導體層1114。如果該第二介電 層111 2疋由上述之單晶組成物（1 )至（6 )組成物所製成， 則σ亥第一半導體層於結構當中可為單晶的。將該半導體層 ， Π14分別放置在該第二與第三介電層1117和ιιΐ2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) 所製成目此，很清楚地，使用上述之組成物（工）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。 鲁 在較佳的情形下，係從單晶矽中選擇出該基板11 22。 將第半導體層從單晶矽及/或鍺中選擇出。將該第一介 電層1118從上述實質上為單晶之組成物（1)至（6)中選 擇出。 ' 卿千在本發明之其他具體態樣中，其係提供了一種用於積 月旦包路之阿k值介電物質結構，一般而言係以丨2丨〇做為代 曰曰 表，亚且說明於圖丨2之中。圖12係說明本發明之高k值 ”電物質結構121 〇的一個具體態樣。將一層實質上為單 之絕緣層1218成長在一層樣板及/或緩衝層1 2 2 0之上 將該多層沉積在一基板1 222之上。將一層第一單晶半導體 層1216以磊晶的方式沉積在該第一介電層1218之上。將 第二1212與第三1214介電層沉積在該第一半導體層i2i6 之上再者，將可選擇之第二半導體層1213沉積在介電芦 1 21 2與1 214之上。 曰 °亥”電層1218、1214及/或1212中之至少一層係為 54 200535097 π k值之介電層，其係由上述之組成物（！）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1 222係為單晶石夕。該介電 層1 21 8係為一個本發明之單晶絕緣體，其係由上述之組成 物（1)至（6)所製成。半導體層1216係為一層單晶矽及 /或鍺活性層。該介電層1212與1214中之至少一層係為 本如月之鬲k值單晶絕緣層，其係由上述之組成物（1 )至 (6)所製成。半導體層1213係為由經摻雜之一矽及/或 矽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，諸如氧氛化#⑽咖及,或氧氮 ::Hf0xNy，如同該第二及，或第三介電層。使用傳統的 介電層作為該第三介電層1214 ，會必然會限制該第二 體層1 21 3成為除了單晶半導體以外。 1 0可具有重複的元件，並且應該要 可提供四個或者是更多的介電和半導體層。 疋足 _在本發明之其他具體態樣中，係4供一種Sl微—電子 2包子衣置，其係相似於結構111 0與1 21 〇。這種裝 ^ ^ (仁亚非侷限於）雙重閘極場效應電晶體（FETs ); ㈣二極、FETs (諸如Finms)、電子記憶、磁性感應器 子、半導體光放大器、半導體二a 及其相似者。 》-冽先裔+導體雷射、 』所敘述之本發明各種不同的具體態樣，已經呈現 了况明和你诂B n ^工主現 ，， 的。並不應該將本發明侷限在先前所揭一 的刻板形式。招M e 兀引所揭不 頌地，對於熟習該項記憶者均可進行修 55 200535097 改及叉化。其係意指本發明之範疇應該要定義在以下所附 的申請專利範圍及其等同物。 【圖式簡單說明】 圖1係說明本發明之單晶稀土氧化物c—Er〇x，其三維 原子排列的一個具體態樣。 圖2 ( a )係說明本發明之單晶稀土氧化物Erx〇y，的— 個具體態樣’其中能量E 110分散作為結晶動量k 12〇的 函數。 圖2 ( b )係說明單晶塊材矽半導體E 一 &分散。 圖3 (a)係說明本發明之絕緣層上覆矽結構的一 個具體態樣。 圖3 ( t))係目兄明本發明之蜗续 +知a之、έ緣層上覆矽結構31 0的一 個具體態樣。 圖4係δ兒明圖3 Γ h))中所· :}¾ -雔曰 ⑴中所揭不之絕緣層上覆矽結構的 又日日X —光繞射曲線。 圖5 (a)係說明圖3 (a)結 Λφ w ^ σσ ^ , Τ 4原位光反射率曲 線作為早曰曰氧化铒層之沉積時間的函數。 圖5 ( b )係說明圖3 ( a)中 媸的雜曰 丄土 厅揭示之絕緣層上覆矽結 構的又日日X —光繞射曲線。 圖5 ( c)係說明圖3 ( a)中 X-光繞射圖案。 W示之結構的傾斜入射 圖6係說明本發明之絕緣層 μ曰A 上後矽結構使用超晶格的 一個具體態樣。 ~ 幻 圖7係說明本發明之另一個夏 >、體恶樣，其係使用一種 56 200535097 如同運用到 樣板成長方法（template growth method) 單晶71 2、和多晶71 4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)中之單晶氧化餌層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31 4。 > 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 0係說明由本發明之單晶氧化餌所構成之多層順 序，其構成了一寬廣能帶間隙（WBG)層1〇1〇，而一層單晶 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1110 的一個具體態樣。

圖1 2係δ兒明本發明之電晶體閘極介電物質結構1 u 〇 的一個具體態樣。 【主要元件符號說明】 12.稀土原子 14·氧原子 16·成長方向 8 · 一維空間之以氧為末端的層 210·絕緣層上覆矽結構 722.矽層 724.矽緩衝層 726·矽（100)—定向基板 810· RHEED 條紋 812· RHEED 條紋 57 200535097 212. 214. 216. 218. 220. 222. 226. 310. 312. 314. 316. 318. 320· 322. 410. 412. 510. 512. 514. 610· 612. 614. 616. 618. 單結晶質矽層 814· RHEED條紋 單晶（ErxOy)層 81 6-838.影像 矽（111)—定向的基板840.條紋 晶體樣板層 晶體樣板層 矽緩衝層 光學輻射 絕緣層上覆矽結構 單結晶質之矽層 早晶（ErxOy)層 石夕（100) —定向的基板 純一晶體樣板層 純~晶體樣板層 石夕緩衝層 高品質單晶氧化餌002反肩 單晶石夕0 0 4反射 曲線 曲線 早晶碎峰值 絕緣層上覆矽結構 超晶格結構 結晶氧化斜 鍺層 秒氧化铒樣板層 842.條紋 844.條紋 910-926. 1010·單晶氧化斜 1 01 2 ·單晶石夕 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 1 022·電子量子化能量高度 1 024·電子限制位能 1 026.電子限制位能 1116·單晶半導體層 1118·介電層 1120·樣板層及/或緩衝層 11 2 2.基板 1210.高k值介電物質結構

1 028·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 58 200535097 6 2 0.石夕化铒樣板層 622.單晶矽覆蓋層 6 2 4.矽緩衝層 714.多晶氮化铒（ErN) 716.單晶氧化铒緩衝層 718.單晶矽氧化铒 720.矽化铒 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 1 220.層樣板及/或緩衝層 1 222.基板

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Claims (1)

1. 200535097 十、申請專利範圍： 1. 一種絕緣層上覆半導體的結構，其包括： 一層基板層； 一層半導體層；以及 一層介於該基板層與該半導體層之間的絕緣層，該絕 緣層係為一種以下分子式之稀土氧化物：[RE]x [0] y，其 中X和y為小於或等於五的正實數，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。 2. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層具 有原子的排列，其係具有實質上為單一順序的結構。 3. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層係 為非一多晶。 4. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層係 為非一非結晶性。 5. 根據申請專利範圍第1項之結構1，其中X係為1， 而y係為1. 5。 6. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中X係為2，而 y係為3。 7. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層之 至少90%為單晶。 8. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層之 至少95%為單晶。 9. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層之 至少99%為單晶。 60 200535097 1 0.根據申請專利範圍第1項之結構，其中該稀土金屬 係選自於铒和鏡。 11.根據申請專利範圍第1 0項之結構，其中铒原子或 鏡原子的原子係在三價離子化（3+ )狀態下鍵結。 1 2.根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層係 從單晶變成多晶。 1 3.根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層係 成長在一結構上，該結構係由紗、錯、和碎鍺、GaAs、InP、 SiC、以及Al2〇3中至少一種所製成。 1 4.根據申請專利範圍第1項之結構，其中該絕緣層係 成長在一^卩結晶質基板上。 1 5.根據申請專利範圍第1 4項之結構，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瓷。 1 6.根據申請專利範圍第1項之結構，其更進一步包 括··形成在該組成物上之石夕、鍺、以及石夕鍺中之至少一種 的一層。 17.根據申請專利範圍第16項之結構，其中該絕緣層 上覆半導體的結構之至少90%為單晶。 1 8.根據申請專利範圍第1 6項之結構，其中該絕緣層 上覆半導體的結構之至少95%為單晶。 1 9.根據申請專利範圍第1 6項之結構，其中該絕緣層 上覆半導體的結構之至少99%為單晶。 2 0. —種絕緣層上覆半導體的結構，其包括： 一層基板層； 61 200535097 一層半導體層；以及 一層介於該基板層與該半 絡爲 千導體層之間的絕緣層，該絕 、、豕層係為一種以下分子式之一一 , ^ —凡稀土氮化物·· REx Ny，其 τ x和y為正實數，RE係Λ石： ; 二# 马至少一種形式的稀土金屬原 子’而邊二元稀土氮化物大部分為單晶。 21 ·根據申請專利範圍第 呈古店2 20項之結構，其中該絕緣層 有原子的排列，其係具有给所 八 Α貝上為單一順序的結構。 Ζ Ζ ·根據申請專利範圍第9 私炎4 弟20項之結構，其中該絕緣層 係為非~多晶。 ^曰 2 3 ·根據申請專利範圍笫9 .,固弟2〇項之結構，其中該絕緣層 係為非〜非結晶性。 2 4 ·根據申請專利範圍黛 等於一。 月寻扪耗固弟2〇項之結構，纟中X加y係 25.根據申請專利範圍第2〇項之結構，其中該絕緣層 上復丰導體的結構之至少9〇%為單晶。 其中該絕緣層 其中該絕緣層 26·根據申請專利範圍第2〇項之結構 上覆半導體的結構之至少95%為單晶。 变27·根據申請專利範圍第2〇項之結構 上设半導體的結構之至少99%為單晶。 28·根據申請專利範圍第20項之結構，其中該稀土金 屬係選自於铒和镱。 29·根據申請專利範圍第28項之結構，其中铒原子或 麵、原子的原子係在三價離子化（3+ )狀態下鍵結。 3 〇 ·根據申請專利範圍第2 0項之結構，其中該絕緣層 62 200535097 係從單晶變成多晶。 31.根據申請專利範圍第2" 係成長在-結構上，該結構係由矽、敍其中該絕緣層 W、W、以及Ah〇3中至少一種:和矽鍺、—S、 32.根據申請專利範圍第項之\吉 係成長在一非結晶質基板上。 σ ’其中該絕緣層 33·根據申請專利範圍第2〇工員之 質基板係選自於以〇2、 、、、。構，其中該非結晶 -嶋請專利範圍第— 括： 、°構，其更進一步包 :成在該組成物上之梦、錯、以 的一層。 轉中之至少一種 其中該絕緣層 其中該絕緣層 其中該絕緣層 其中係將該絕 其中係將該絕 35.根據申請專利範圍第^項之結 上覆半導體的結構之至少9G%為單晶。 36·根射請專利範圍第^項之結構 上覆半導體的結構之至少95%為單晶。< 37.根據巾請專㈣圍第34項之結構 上覆半導體的結構之至少99%為單晶。 38·根據申請專利範圍第20項之結構 緣層上覆半導體的結構用於製造積體電路。 根據申„月專利乾圍第2〇項之結構，其中係將該絕 緣層上復半導體的結構用來作為積體電路中的閘極介電物 質。 4〇·根據申請專利範圍帛20項之結構，其中係將該絕 63 200535097 緣層上覆半導體的結構用來作為積體電路中的高k值之介 電材料。 41 · 一種絕緣層上覆半導體的結構，其包括·· 一層基板層； 一層半導體層；以及 一層介於該基板層與該半導體層之間的絕緣層，該絕 ^層係為-種以下分子式之：元單晶稀土料物：RExPy， ::x和y為小於二的正實數’ re係為至少一種形式的稀 土金屬原子，而該二元稀土磷化物大部分為單晶。 呈42·根據申請專利範圍帛41項之結構，其中該絕緣層 /、原子的排列’其係具有實質上為單一順序的結構。 43.根據申請專利範圍第41項之結構，其中該絕緣層 係為非〜多晶。 44.根據申請專利範圍第 係為非〜非結晶性。 45·根據申請專利範圍第 等於一。 46·根據申請專利範圍第 之至少90%為單晶。 47·根據申請專利範圍第 之至少95%為單晶。 .根據申請專利範圍第 之至少為單晶。 49·根據申請專利範圍第 41項之結構，其中該絕緣層 金1項之結構，其中X加y係 41項之結構，其中該絕緣層 41項之結構，其中該絕緣層 41項之結構，其中該絕緣層 41項之結構，其中該稀土金 64 200535097 屬係選自於鋼：和镱。 5〇·根據申請專利範圍帛49項之結構，其中铒原子戒 (原子的原+係在二價離子化（3+ )狀態下鍵結。 51.根據申請專利範圍第41項之結構，其中該絕緣層 係從單晶變成多晶。

   …52.根據申請專利範圍第41項之結構，其令該絕緣層 係成長在—結構上，該結構係由石夕、錄、和石夕錯、GaAs、 InP、SiC、以及Al2〇3中至少一種所製成。 r 根據申清專利範圍第41項之結構，其中該絕緣層 係成長在一非結晶質基板上。 54·根據申請專利範圍第 質基板係選自於Sl〇2、以/員之結構，其中該非結晶 „4 及一貫質上為非結晶質的陶莞。 55.根據申請專利範圍第41 括·· 、、口構，其更進一步包 的一：成在該組成物…、鍺、以切錯中之至少

   其中該絕緣層 其中該絕緣層 其中該絕緣層 其中係將該絕 56·根據申請專利範圍第55項之結構 上覆半導體的結構之至少90%為單晶。 57·根據申請專利範圍第55項之結構 上復半$體的結構之至少g $ %為單晶。 58, 根據申請專利範圍第55項之結構 上覆半導體的結構之至少99%為單晶。 59. 根據申請專利範圍第41項之結構 緣層上覆半導體的結構用於製造積體電路< 65 200535097 根據中请專利範圍第4ι項之結構，其中係將該絕 4層上後半導體的結構用來作為積體電路中的閘極介電物 質。 相據申明專利範圍第41項之結構，其中係將該絕 緣層上覆半導體的結構用來作為積體電路中的高k值之介 電材料。 ~ 62· 一種絕緣層上覆半導體的結構，其包括： 一層基板層； 一層半導體層；以及 …層；丨於4基板層與該半導體層之間的絕緣層，該絕 緣層係為一種以下合早 Γ 子式之稀土氧~氮化物三元化物·· [RE]x [01-2 Nz]y ^ JL rb γ ” 八中x、y以及z係為正實數，re係 马至 >、一種形式的稀 曰 挪至屬原子，而該絕緣層大部分為單 晶〇 6 3 ·根據申請專利範圍笛 目士 ^ 弟62項之結構，其中該絕緣層 八有原子的排列，直儀呈每所 。 /、’、/、有貝貝上為單一順序的結構。 6 4 ·根據申請專利筋圖 ,^ μ 寻扪摩巳圍弟62項之結構，其中該絕緣層 係為非~多晶。 :·根據申請專利範圍第62項之結構，其中該絕緣層 1乐馮非—非結晶性。 66. 根據申請專利範圍第^項之結構，其中X和 ；而Ζ大於或等於零並且小於或等於j。 67, 根據申請專利範圍第62項之結構，其中 之至少90%為單晶。 66 200535097 68·根據申請專利範圍第62項之結構，其中該絕緣層 之至少95%為單晶。 69·根據申請專利範圍第62項之結構，其中該絕緣層 之至少99%為單晶。 70·根據申請專利範圍第62項之結構，其中該稀土金 屬係選自於铒和鏡。 71.根據申請專利範圍第7〇項之結構，其中铒原子或 钂原子的原子係在三價離子化（3+ )狀態下鍵結。 72·根據申請專利範圍第62項之結構，其中該絕緣層 係從單晶變成多晶。

   73·根據申請專利範圍第62項之結構，其中該絕緣層 係成長在一 InP 、 SiC 、 、、°構上’ δ亥結構係由；^、鍺、和梦錯、GaAs、 以及Al2〇3中至少一種所製成。 74·根據申請專利範圍第62 係成長在一非結晶質基板上。 項之結構，其中該絕緣層 ?5·根據申請專利範圍第73 質基板係選自於SiO”以及—實 76·根據申請專利範圍第62 括： 項之結構，其中該非結晶 質上為非結晶質的陶瓷。 項之結構，其更進一步包

   A成在该組成物上之石夕 的一層。 錯、以及石夕錯中 之至少一種 77.根據申請專利範圍第76 上覆半導體的結構之至少9G%為、日、"構’其中該絕緣層 Γ7 Q W早晶。 I根據申請專利範圍第 項之結構，其中該絕緣層 67 200535097 上覆半導體的結構之至少95%為單晶。 79.根據巾請專利範㈣7 Βθ ° 上覆半導體的結構之至少Q〇e/ ^ 〜構’其中該絕緣層 ^ MX為單晶。 8〇·-種絕緣層上覆半導體的 一層基板層； 其包括： 一層半導體層；以及 一層介於該基板層與該半 緣層係為一種以下分子4 9之間的絕緣層，該絕 物ϋ人： 夕稀土氧化物、氮化物、填化 物一7C或四兀合金：[(Re) mlGe]z，其中x、y以：N及/或p)祕 少-種形式的稀土金屬原子，广係為正實數，RE係為至 的正實數，而兮免续Μ、 7、和2係為小於或等於δ Μ数H絕緣層大部分為單晶。 81.根據申凊專利範圍第 旦右码 員之結構’其中該絕緣層 具有原子的排列，其係具 象廣 上為早一順序的結構。 2.根據申請專利範圍第7g 係為非一多晶。 、之％構，其中该絕緣層 83·根據申請專利範 係為非—非結晶性。弟79項之結構’其中該絕緣層 84·根據巾請專利範圍第 7小於或等於3’而ζ小於或等於3。 85_根據申請專利範 之至少90%為單晶。 貞之結構’其中該絕緣層 86·根據申請專利範 之至少95%為單晶。圍弟79項之結構，其中該絕緣層 68 200535097 8 7 ·根據申請專利範圍第7 9項之結構，其中名、、、巴、、彖層 之至少99%為單晶。 8 8 ·根據申請專利範圍第7 9項之結構，其中濃稀土至 屬係選自於铒和镱。 89.根據申請專利範圍第87項之結構，其中铒原子或 镱原子的原子係在三價離子化（3+ )狀態卞鍵結。 90·根據申請專利範圍第79項之結構，其中該絕緣層 係從單晶變成多晶。 91 ·根據申請專利範圍第79項之結構，其中該絕緣層 係成長在一結構上，該結構係由矽、鍺、和矽鍺、GaAs、 InP、SiC、以及μα中至少一種所製成。 92·根據申請專利範圍第79項之結構，其中該絕緣層 係成長在一非結晶質基板上。 93·根據申請專利範圍第μ項之結構，其中該#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篆。 94 •根據申請專利範圍第 79 項 之 結構， 其 更 進 包 括 : 形 成在該組成物上之石夕 、錯 以 及矽鍺 中 之 至 少 穆 的 一層 0 95. .根據申請專利範圍第 92 項 之 結構， 其 中 該 絕 緣 層 之 至少 9 0%為單晶。 96. ，根據申請專利範圍第 93 項 之 結構， 其 中 該 絕 緣 層 之 至少 95%為單晶。 97. ‘根據申請專利範圍第 93 項 之 結構， 其 中 該 絕 緣 層 69 200535097 之至少99%為單晶。 十一、圖式： 如次頁

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