TWI791416B - 在半導體基板上形成外來氧化物或外來氮化物層的方法、半導體結構及半導體裝置 - Google Patents

在半導體基板上形成外來氧化物或外來氮化物層的方法、半導體結構及半導體裝置 Download PDF

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Abstract

一種在半導體的基板(1)上形成外來氧化物或外來氮化物層(6)的方法，包含：提供具有氧化或氮化的表面層(3)的半導體基板(1)，將外來元素(5)供應至該氧化或氮化的表面層上；和將該氧化或氮化的表面層(3)保持在升高的溫度下以分別利用原本存在於該氧化或氮化的表面層(3)中的該氧或氮來將該外來元素至少部分地氧化或氮化。

Description

在半導體基板上形成外來氧化物或外來氮化物層的方法、半導體結構及半導體裝置
本發明涉及半導體結構和裝置，特別是涉及包含氧化物-半導體或氮化物-半導體界面的結構和裝置，和涉及這種結構和裝置之製造。
各種半導體裝置，像例如發光二極體LED、半導體雷射、光檢測器、光伏電池和電晶體，包含一個或多個氧化物-半導體或氮化物-半導體界面。氧化物或氮化物層的目的經常涉及底下的半導體表面的鈍化和/或電性絕緣。
在各種具有這種氧化物-半導體或氮化物-半導體界面的裝置中，在該半導體與該氧化物或氮化物之間的材料界面的品質對該裝置的性能是相當重要的。一般而言，希望半導體表面中有具有低缺陷密度的化學性陡峭界面(chemically abrupt interface)。高缺陷密度狀態可能造成如裝置的漏電流增加的不良影響(harmful effect)。在氧化物的情況下，缺陷狀態可能是例如由該半導體表面的氧化產生。由氧化所造成的缺陷狀態可能涉及例如空隙、懸鍵和不同的氧化物相。
在氧化物作為該鈍化或絕緣材料的情況下，對以矽作為該半導體材料而言向來廣泛使用二氧化矽SiO2作為鈍化層材料。其在像鍺Ge的其他半導體和三五族化合物半導體的用途上也已經被廣泛地研究。
在例如由US 2005/0000566A1所舉出的一個已知方案中，氧化物層將被沉積在上面的該半導體Ge表面先被清洗掉全部的氧化物。之後，將非晶矽層沉積在該清洗過的半導體表面上以避免該基板氧化。接著將SiO2鈍化層形成在該非晶Si層上。另一個在Ge表面上使用初始Si層的例子係揭露在US 6352942 B1。在所提出的方案中，能夠在成長形成該基板的表面層的Ge層後不久，便在Ge成長腔中將矽沉積在該表面上。或者是，能夠在沉積該矽層前，將原生氧化物從該Ge表面移除。在升高的溫度下將該矽層曝露於乾燥的氧氣一段時間以選擇性地僅氧化該初始Si層的一部分。
在上述先前技術的例子中，該矽層與該純的鍺表面接觸。這種交互作用可能造成另一個不利影響(undesired effect)，即矽原子擴散至該鍺晶體內，導致擴散(延伸)的界面。這可能再度造成對該界面品質有負面影響的不良缺陷狀態(harmful defect state)，繼而對包含該鈍化的鍺表面的裝置性能有負面影響。
上述現象不限於分別作為該氧化物和該半導體材料的二氧化矽和鍺。相反的，人們相信對複數材料組合而言那些現象可能都會發生。例如，相應的現象可能存在於氮化物在半導體基板上作為鈍化或絕緣材料的情形中。
總而言之，需要一個生產高品質氧化物-半導體和氮化物-半導體界面的通用解決方案，其能夠以產業水準、成本上有效率地製造高品質氧化物-半導體和氮化物-半導體界面。
在一態樣中，可實施一種在半導體基板上形成外來氧化物層或外來氮化物層的方法。此處，半導體基板係指具有表面的基板，其至少一部分係由半導體材料形成。這種半導體材料可形成位於該半導體基板的本體或支撐部上的層，這種本體或支撐部係由某些其他材料形成。或者是，該半導體材料可涵蓋該半導體基板的整個厚度。
該半導體基板可為獨立的本體、結構、或元件。或者是，它可形成較大的結構或裝置的構成構件(integral part)。例如，它可形成需要較佳為高品質的半導體-氧化物界面或半導體-氮化物界面的光電裝置、電晶體、或任何其他裝置或組件(component)的結構的一部分。
該半導體基板可藉由任何合適的方法形成和製備。單單舉出一個例子，半導體基板可藉由將三五族化合物半導體的層沉積(例如利用分子束磊晶MBE)在藍寶石沉積基板上來形成。
此處，「外來」氧化物或氮化物分別意指氧化或氮化的材料，有別於該半導體基板的半導體材料本身可形成的氧化物或氮化物。
該半導體材料可為僅僅包含一種如鍺Ge的半導體元素的單一元素半導體材料。或者是，或除此之外，它也可以包含如砷化鎵GaAs、砷化銦InAs、砷化銦鎵InGaAs、磷化銦InP、銻化鋁鎵AlGaSb、銻化銦InSb、或本領域已知的任何其他化合物半導體材料的化合物半導體材料。在這兩種情況下，該半導體材料可被摻雜或者是本質的(intrinsic)。
該方法包含：提供具有氧化或氮化的表面層的半導體基板；將至少一種外來元素供應至該氧化或氮化的表面層上；和將該氧化或氮化的表面層保持在升高的溫度下以分別利用原本存在於該氧化或氮化的表面層中的該氧或氮來將該所供應的外來元素至少部分地氧化或氮化。
該氧化或氮化的表面層意指利用該半導體基板的該半導體材料的氧化物或氮化物所形成的層。該氧化或氮化的表面層可僅涵蓋該半導體材料的部分厚度。或者是，可將該半導體材料的整個厚度氧化或氮化，藉此形成該氧化或氮化的表面層。
該「提供」具有氧化或氮化的表面層的半導體基板可包含僅是接受具有這種氧化或氮化的表面層的整個半導體基板。或者是，形成這種氧化或氮化的表面層可為該方法的一部分。
其中，該半導體材料可為結晶形。然而，本質結晶形半導體材料的氧化物和氮化物通常是非晶形。因此，當該氧化或氮化的表面層位於結晶形半導體層上時，該氧化或氮化的表面層也可以是非晶形。
該外來元素原則上可為任何能在該半導體基板上形成氧化物或氮化物層的材料。主要的物性要件係該外來元素的氧化物或氮化物的每個氧或氮原子的生成熱高於該氧化或氮化的表面層的該半導體氧化物或氮化物的每個氧或氮原子的生成熱。這種外來元素氧化物和氮化物通常是能被用於將各種半導體表面加以鈍化和/或電性絕緣的介電材料(dielectric materials)。因此，一般能將該外來氧化物或氮化物層視為包含外來氧化物或外來氮化物的介電層。該外來元素可為某些半導體或金屬，例如分別為矽或鋁。用作該外來元素的金屬的其他例子為鉿和鋇。
該利用原本存在於該氧化或氮化的表面層中的該氧或氮來將該外來元素氧化或氮化，係可與供應該外來元素至該氧化或氮化的表面層上大致同時地發生。換言之，可將該半導體基板在供應該外來元素至其該氧化或氮化的表面層上的期間保持在合適升高的溫度下，藉此該所供應的外來元素和該氧或氮可直接形成外來氧化物或外來氮化物的層。能將該升高的溫度選擇為充分高於正常的室溫以便使原本結合於該氧化或氮化的表面層上的氧或氮從該基板半導體鬆脫，並朝臨時層(transient layer)擴散而與其該外來元素進行反應，藉此形成該外來元素的氧化物或氮化物。該所需的溫度等級取決於該半導體基板和該外來元素的材料。
在實施形態中，該方法包含：藉由將該外來元素沉積在該氧化或氮化的表面層上以形成臨時層； 和將該氧化或氮化的表面層和其上的該臨時層進行熱處理以便分別利用原本存在於該氧化或氮化的表面層中的該氧或氮來將該臨時層至少部分地氧化或氮化。
因此，在此實施形態中，在藉由將該外來元素供應在該氧化或氮化的表面層上以形成臨時層後，有了暫時結構，其有效地包含該半導體基板、其該氧化或氮化的表面層、和在該氧化或氮化的表面層上的該臨時層的層堆疊(layered stack)。可將此堆疊曝露於熱處理，該熱處理係該氧化的表面層和該外來元素的臨時層的溫度被加熱至夠高的溫度以便使原本結合於該氧化的表面層中的該氧從該半導體基板鬆脫並朝該臨時層擴散而與其該外來元素進行反應，藉此形成該外來元素的氧化物。較佳為在真空條件下實施該熱處理以阻擋任何外部雜質影響該外來元素的氧化或氮化。在形成該臨時層的期間，可將該基板保持在任何合適的溫度下，該溫度可為例如大致低於在該熱處理期間該氧化或氮化的表面層的溫度。
在上述實施形態中，該臨時層的形成和該外來元素的氧化或氮化可因而即時地分別發生。
該臨時層也可以形成為包含多於一種外來元素。因此，「沉積外來元素」應理解為沉積至少一種外來元素的意思。在多於一種外來元素的情況下，在該臨時層的該氧化或氮化中，可形成不同的外來元素的氧化物或氮化物、或數種外來元素的合金氧化物或氮化物。
相應地，該半導體材料通常可包含可在上面形成外來氧化物層的任何半導體材料。例子為鍺和三五族化合物半導體，即由三族和五族元素形成的化合物半導體。經常被用在高速電子品和高端光二極體中的一個三五族化合物半導體的例子，例如為砷化鎵GaAs。
在供應該外來元素在該氧化或氮化的表面層上方面，可使用本領域已知的任何沉積方法，如濺鍍、蒸鍍、或原子層沉積。在在氧化的表面層上形成臨時層的情況下，較佳為在非氧化條件下，即在真空或有低量的外部氧存在下實施該沉積，以防止該外來元素在此階段氧化。
或者是，在形成該臨時層的期間可將上面具有該氧化的表面層的該基板保持在這種高溫下，藉此該氧原子的該鬆脫和擴散以及其與該外來元素的反應可在形成該臨時層的期間已經開始了。因此，在此方案中，可與該臨時層的形成至少部分同時地實施該熱處理。
因此，在上述全部實施形態中，在升高的溫度下之合適的熱處理能造成在該半導體基板的該氧化或氮化的表面層中的氧或氮朝被供應在該氧化或氮化的表面層之表面的、可能形成臨時層的該外來元素擴散。藉此，可將該被供應的外來元素的全部或一部分轉換為該外來氧化物或外來氮化物層。因此，單一熱處理可發揮兩個作用：從該基板移除該氧或氮，即不良的氧化或氮化的表面層；和將所供應的、可能形成臨時層的外來元素的至少一部分轉換為該外來氧化物或外來氮化物 層。結果，可在該可能為結晶形的半導體表面與該外來氧化物或外來氮化物層之間產生高品質、化學性陡峭界面。有利的是，可在充分控制的、成本上有效率的製程中達成這種高品質界面。
引發該半導體的原本的氧化物或氮化物分解且形成該外來元素的氧化物或氮化物所需的該「升高的溫度」或「高溫」取決於所用的材料。此溫度應高到足以提供結合於該半導體氧中的氧或氮原子有超過將該半導體和該氧或氮結合在一起的位障(potential barrier)的能量。
在實施形態中，該升高的溫度係等於或高於300℃。對該基板和該外來元素材料的各種組合(譬如分別為鍺和矽)而言，這種高溫可提供該氧化物或氮化物的有效形成。
該「升高的溫度」也可以明顯高於300℃。例如，在將非晶矽臨時層沉積在氧化的鍺表面上的情況下，約600℃的溫度可能是合適的。然而，該溫度不應太高以免該半導體和該外來氧化物或外來氮化物材料分解。例如，二氧化矽SiO2會在溫度超過900℃下分解。另一方面，在使用GaAs作為該半導體基板的半導體材料的情況下，最高溫度應低於約700℃以免GaAs分解。
該熱處理、或是一般將該氧化或氮化的表面層保持在升高的溫度下的期間可依照所用的材料和層厚而改變。可以是在幾分鐘的範圍內，例如5到20分鐘。
在例如藉由形成該臨時層而供應該外來元素的方面，該所供應的外來元素的量或該所形成的臨時層的厚度可依照該半導體基板的該氧化或氮化的表面層的厚度、和所含的氧或氮的量來調整。換言之，可考慮所要形成的該外來元素氧化物或氮化物的化學計量(stoichiometry)來選擇所供應的外來元素的量或該臨時層厚度，以便有足夠的外來元素原子來確保在該氧化或氮化製程中，該基板的該氧化或氮化的表面層中的全部或至少大部分的氧或氮能在該氧化或氮化製程中被消耗。
另一方面，該所供應的外來元素的量可超過該化學計量條件所需的量。例如，已發現該外來氧化物的形成可在該臨時層的與該半導體基板的氧化的表面層相鄰的側開始。藉此，保護性(protective)外來氧化物層可在早期階段形成在該臨時層與該半導體基板的氧化的表面層之間，即使有過量的外來元素存在，仍可防止該外來元素原子擴散至該半導體內。未被該氧化的表面層中原本所含的氧氧化的剩餘的該外來元素可接著藉由外部氧予以氧化。
在用於在半導體基板上形成外來氧化物層的實施形態中，該氧化的表面層可包含原生氧化物。在此實施形態中，不需要任何該半導體表面的特定氧化；可簡單地將該半導體基板曝露於環境空氣(ambient air)中一段足以形成該原生氧化物層的時間。一般而言，在半導體表面上飽和地形成原生氧化物，以便形成材料特定的原生氧化物厚度。
該氧化或氮化的表面層也可以利用特定的氧化或氮化製程形成，在該情況下，提供具有氧化或氮化的表面層的半導體基板可包含例如清洗半導體基板的表面，和將因而被清洗的該表面氧化或氮化。藉由以受到控制的氧化或氮化製程形成該氧化或氮化的表面層，其厚度和性質可比原生氧化物的情況更容易調整。這種清洗和氧化或氮化製程可依照本領域已知的原理和設備實施。
在一態樣中，可實施一種形成半導體裝置的方法，其中該方法包含：在上述實施形態中任一項的半導體基板上形成外來氧化物層或外來氮化物層。因此，在此態樣中，方法可包含完整的、可操作的半導體裝置的形成。這種裝置可為例如發光二極體LED、光二極體、半導體雷射、光伏(太陽能)電池、或任何其他光電裝置。它也可以是任何類型的電晶體，如金屬-氧化物-半導體場效電晶體MOSFET或任何其他類型的場效電晶體、或高電子遷移率電晶體HEMT。除了MOSFET以外，該裝置也可以是任何其他互補式金屬氧化物半導體CMOS電路的構成塊件(building block)。作為一些特定的例子，該方法能被用於製造鍺系或砷化鎵系紅外線光二極體或金屬-氧化物-半導體電容器MOSCAP。此外，其他半導體裝置的例子為電容器、二極體、保險絲、快閃記憶體胞和電路、和半導體光合成電池。一般而言，可實施該方法的形式不僅限於上述例子。相反的，該半導體裝置可為任何包括半導體-氧化物或半導體-氮化物界面的裝置。
可將該半導體裝置形成為分離的組件或模組。它也可以形成為大型裝置的構成的、不可分離的構件、模組、電路、或總成(assembly)。
在一裝置態樣中，半導體結構可包含利用如上所述的方法在半導體基板上所形成的外來氧化物或外來氮化物層。該半導體結構可形成包含這種半導體結構的半導體裝置的一部分。與上述的該方法態樣同樣地，該半導體裝置可為例如發光二極體、光偵測器、半導體雷射、光伏電池、如金屬-氧化物-半導體場效電晶體的電晶體、金屬-氧化物-半導體電容器、高電子遷移率電晶體、快閃記憶體胞或電路、和半導體光合成電池當中之一。
在使用上述方法所形成的半導體結構中，在該半導體與該外來氧化物或外來氮化物層之間可有具有低缺陷密度的陡峭的高品質界面存在。特別是，與使用任何先前技術的製程所製造的相似結構的情況相比，可能有明顯較少的外來元素擴散至該半導體基板的該半導體內。
另外，在具有二氧化矽作為該外來氧化物的情況下，作為由上述方法所產生的一個獨特特徵，在該外來氧化物層中可能大致完全缺乏該矽+1氧化態(silicon +1 oxidation state)。因此，在矽作為該外來元素且該基板原本具有氧化的表面層的情況下，可將半導體結構製造為包含包含矽的外來氧化物，該二氧化矽大致不含+1氧化態。缺乏+1氧化態象徵在該二氧化矽與該基 板之間的化學性陡峭的、非常清晰的界面(well defined interface)。
1‧‧‧半導體基板
2‧‧‧上表面
3‧‧‧氧化或氮化的表面層
4‧‧‧臨時層
5‧‧‧外來元素
6‧‧‧外來氧化物或外來氮化物層
以下，參照隨附圖式描述一些實施形態，其中：第1圖和第2圖係示意地圖示根據本發明的方法的步驟；和第3圖至第5圖顯示根據本發明所製造的測試結構的測量結果。
在第1圖所示的方法中，先在步驟a)中提供半導體基板1。在此例子中，該半導體基板1係圖示為完全由半導體材料所形成的獨立的基板元件。或者是，半導體基板可具有位於某些其他材料的支撐層(support layer)上的半導體材料層。如第1圖所示的半導體基板也可以形成較大的裝置的構成構件或結構。
該半導體基板的可能的半導體材料例如為摻雜的和未摻雜的鍺Ge和三五族化合物半導體，如砷化鎵GaAs、砷化銦鎵InGaAs、砷化銦InAs、銻化銦InSb和磷化鋁銦AlInP。
該「提供」可單單包含接受或具有已事先形成的該半導體基板。或者是，形成該半導體基板可為該方法的構成構件。例如，提供該半導體基板可包含在真空條件下利用分子束磊晶MBE來沉積它。
該基板具有要由外來元素(即，與該基板的元素不同的元素)的介電氧化物或氮化物所塗布/絕緣/鈍化的上表面(top surface)2。該外來元素可為例如矽或鋁，然後該氧化物或氮化物，例如，對以矽作為該外來元素而言可為二氧化矽SiO2或氮化矽SiN或Si3N4，或者對以鋁作為該外來元素而言可為氧化鋁Al2O3或氮化鋁AlN。
此處，「上」係僅用於指出第1圖的圖式中該半導體基板頂部處的所討論的表面的位置而已，並非將該基板的位置與任何特定的座標結合。因此，它並非實際限制這種表面的定位：當然，可將該基板保持在其要由該外來氧化物所塗布的該表面可面對任何方向的數個位置上，且甚至可為例如該基板的下表面(bottom surface)。
在步驟b)中，將在步驟a)中所形成的該半導體基板的上表面2氧化或氮化以便將氧化或氮化的表面層3形成在該半導體基板的頂部(top)。該氧化或氮化的表面層因而包含該半導體材料的氧化物或氮化物。可簡單地藉由將該上表面曝露於有氧存在的環境大氣(ambient atmosphere)中來實施氧化，藉此讓原生氧化物層形成在該上表面上。或者是，可先將該上表面，例如以化學方式、或者是在以鍺作為該半導體材料的情況下以氬離子濺鍍或曝露於氫(其可能要接著在超高真空條件下進行後加熱)的方式，清洗掉可能的氧化物和雜質。那些清洗製程的細節係本領域熟知的。在清洗之後，可 依照根據如本領域熟知的製程和原理的受到控制的方式來將該上表面氧化或氮化。當然，也可以在例如藉由MBE形成該半導體基板後直接實施氧化或氮化，在此情況下便可不需要單獨的清洗。
因此，在步驟b)後，提供了具有氧化或氮化的表面層的半導體基板。
在步驟c)中，在該氧化或氮化的表面層3上沉積外來元素5，較佳為在非氧化條件下進行沉積，藉此在該結構的頂部上形成臨時層4。該沉積可藉由例如濺鍍、蒸鍍、或原子層沉積來實施。可根據本領域熟知的原理和藉由本領域熟知的設備來選擇沉積製程的細節。較佳為形成具有大致均勻厚度的層。在該沉積的期間，可將該半導體基板保持在室溫下。在一些其他情況下，可分別在高於或低於該室溫的溫度下將該基板加熱或冷卻。該非氧化條件意指可在真空中或在低氧分壓的存在下實施該沉積。
該臨時層厚度和其中所含的該外來元素量可根據存在於該氧化或氮化的表面層3中的氧或氮的量加以調整。換言之，可將該臨時層中的該外來元素的量設為相等於或超過在要形成的該外來元素氧化物或氮化物的化學計量的基礎上所算出的、與該氧化或氮化的表面層中的氧或氮的量對應的量。
將具有該氧化或氮化的表面層的該基板和該外來元素的臨時層的堆疊退火，即曝露於在升高的溫度下的熱處理，該升高的溫度係高到足以引發該氧化或 氮化的表面層的分解並引發該氧或氮原子的擴散。本發明人等觀察到來自該半導體氧化物或氮化物的氧或氮原子可朝向該臨時層的外來元素原子擴散並與它們反應，藉以形成該外來元素的氧化物或氮化物。較佳為持續該熱處理直到該氧化或氮化的表面層的全部的半導體氧化物或氮化物被分解。該熱處理的通常時間可為例如5到30分鐘。
因此，作為該退火的結果，如由第1圖中的步驟d)所示，可將該半導體基板的該氧化或氮化的表面層和其上的該臨時層轉換為純的半導體基板1和其上的外來氧化物或氮化物層6。有利的是，本發明人等觀察到藉此可以在該半導體與該外來元素的氧化物或氮化物之間實現高品質、化學性陡峭界面。
上述中，已依一般程度討論該方法而未提及任何具體的裝置。然而，應注意的是可使用上述製程來在半導體基板上形成外來氧化物層，其中該基板和該氧化物或氮化物層可形成任何需要高品質外來氧化物-半導體或氮化物-半導體界面的半導體裝置的一部分。依此觀點，上述方法可形成用於形成完整的、可操作的半導體裝置的方法的一部分。相應地，可將第1圖所示的該結構視為圖示半導體裝置或其一部分。
這種半導體裝置可為例如發光二極體、光二極體、半導體雷射、光伏電池、金屬-氧化物-半導體場效電晶體或一些其他的互補式金屬氧化物半導體CMOS電路的構成塊件、高電子遷移率電晶體、或任何 其他具有外來氧化物-半導體界面的電子組件。作為光伏的一個特定例子，其並非限制本發明可能的應用範圍，能使用該方法來在具有三五族頂層(top layer)的四端子機構光伏堆疊的鍺底層(bottom layer)上形成鈍化的外來氧化物層(passivating foreign oxide layer)。四端子機構光伏堆疊的一般結構的例子係揭露於Science Direct，III-Vs Review，第19卷，第7期，2006年9~10月，第24-27頁，Flamand等人著的「關於高效率的4端子機構光伏堆疊」中。這種堆疊的頂層能由例如WO 2012/062966A1中所揭露的方法予以鈍化。
第2圖的製程與第1圖的不同處在於沒有形成單獨的臨時層。相反的，在步驟c)中，如第4圖的圖式中由箭頭標示所圖示般，將外來元素5供應於該氧化或氮化的表面層的表面上，同時將該半導體基板和其上的該表面層保持在足以引發被吸附在該表面層上的該外來元素的氧化或氮化的高溫下。藉此，外來氧化物或外來氮化物層6的形成至少在該外來元素的供應期間便已經開始。同樣地，在此情況下，可選擇該所供應的外來元素原子的量和將該半導體基板保持在升高的溫度下的期間以便將該氧化或氮化的表面層的全部半導體氧化物或氮化物分解。最後，在步驟d)中，將外來氧化物或氮化物層6形成在該半導體基板1上而在它們之間有高品質、化學性陡峭界面。
如上所述的方法的原理被實際測試。在一個例子中，將作為臨時層的非晶矽薄膜沉積在自然氧化 的鍺(100)基板上，之後，在真空中將該結構逐步加熱到600℃。在第3圖的圖表中，顯示了在該加熱/退火步驟之間所測量的鍺3d波峰的X線光電子光譜(XPS)。
第3圖的圖表的最下面的曲線a)表示由上面具有原生氧化物層的樣品在加熱之前所測量的光譜。下一條曲線b)係由在該原生氧化物上沉積有2.5nm厚度的Si臨時層之後的該樣品測量。曲線c)表示在將該樣品在300℃下退火10分鐘之後的光譜。曲線d)係由在630℃下退火5分鐘之後的該樣品測量。最上面的曲線表示來自在進一步在其表面上沉積2.5nm Si層之後的樣品的測量。該等測量係在原位執行，即並未將該樣品從它被退火的真空腔移出。
在最下面的曲線a)中，約33eV的結合能處的最高波峰由氧化鍺產生。當繼續進行處理時，該波峰位置和形狀明顯偏移以至於在步驟d)和最後在步驟e)，來自Ge氧化物的訊號已經有效地消失了。相反的，約29eV處有來自純的Ge晶體的強度上明顯的波峰存在。在630℃下退火之後的光譜與鍺的主體光譜充分對應。由此，因加熱該樣品所造成的光譜變化意味該氧化鍺完全分解。
執行其他測量以確認從該分解的氧化鍺的氧和原本沉積在該氧化的鍺表面的該非晶矽層的矽形成該二氧化矽。另外，實施測試，其中類似的Ge/SiO2樣品在氧氣環境(劑量3000朗繆爾(Langmuir))中、在300℃下被額外地退火。該退火不改變該鍺3d光譜，意味該 鍺基板在該額外的退火期間不再被氧化。因此，該二氧化矽有效地保護底下的鍺表面，藉此維護該二氧化矽-鍺界面的化學性陡峭。
在另一測試例子中，製造了含有SiO2/Ge界面的金屬-氧化物-半導體電容器。該SiO2/Ge界面係以與前面的例子類似的方式製備，即藉由在該Ge基板的氧化的表面層上形成臨時層，並將由此所形成的層堆疊退火。第4圖表示在各種頻率下由該樣品所測量的電容-電壓曲線。電容隨著電壓變化證實了形成高品質SiO2/Ge界面的假設。
第5圖顯示由與第4圖的該電容-電壓曲線相同的樣品所測量的漏電流。非常低的漏電流進一步證實了在將該鍺/氧化鍺/非晶矽堆疊退火的期間形成高品質SiO2/Ge界面的假設。
在上述的測試樣品中，分別使用鍺和矽作為該半導體材料和該外來氧化物層的外來元素。利用例如砷化鎵GaAs作為該半導體所做的其他測試證實了該方法可應用於很多種半導體而非僅可應用於Ge。在那些測試中，鋁替代了矽而被用作該外來元素。因此，本發明的實施形態不限於任何特定的半導體和外來元素材料或它們的組合。特別是，雖然上述測試樣品涉及在半導體基板上形成外來氧化物層，但是在半導體基板上形成外來氮化物層的情況下也可得到類似或相應的結果。
一般而言，值得注意的是本發明的可能的實施形態的範圍不限於上述例子和實施形態，而是可在申請專利範圍的範圍內任意地變更實施形態。
1‧‧‧半導體基板
2‧‧‧上表面
3‧‧‧氧化或氮化的表面層
5‧‧‧外來元素
6‧‧‧外來氧化物或外來氮化物層

Claims (12)

  1. 一種在半導體基板(1)上形成外來氧化物或外來氮化物層(6)的方法，其中該外來氧化物或外來氮化物分別為氧化或氮化的材料，有別與該半導體基板的半導體材料本身可形成的氧化物或氮化物，該方法包含：提供具有氧化或氮化的表面層(3)的半導體基板(1)；使用濺鍍或蒸鍍，將外來元素(5)供應至該氧化或氮化的表面層上；及將該氧化或氮化的表面層保持在升高的溫度下以分別利用原本存在於該氧化或氮化的表面層(3)中的該氧或氮來將該所供應的外來元素至少部分地氧化或氮化；其中該外來元素為矽，該半導體基板包含鍺，以及該氧化或氮化的表面層(3)係為由該半導體基板(1)之半導體材料的氧化物或氮化物所形成的層。
  2. 如請求項1的方法，其中該方法包含：藉由將該外來元素沉積在該氧化或氮化的表面層上來形成臨時層(4)；及將該氧化或氮化的表面層(3)和其上的該臨時層(4)進行熱處理以便分別利用原本存在於該氧化或氮化的表面層中的該氧或氮來將該臨時層至少部分地氧化或氮化。
  3. 如請求項1或2的方法，其中該半導體基板包含三五族化合物半導體。
  4. 如請求項1或2的方法，係在半導體基板(1)上形成外來氧化物層(6)，其中該氧化的表面層(3)包含原生氧化物(native oxide)。
  5. 如請求項1或2的方法，其中該升高的溫度係等於或高於300℃。
  6. 如請求項1或2的方法，其中提供具有氧化或氮化的表面層的半導體基板包含清洗半導體基板的表面和將因此而被清洗的該表面氧化或氮化。
  7. 一種形成半導體裝置的方法，該方法包含：在根據請求項1至6中任一項的半導體的基板上形成外來氧化物或外來氮化物層。
  8. 如請求項7的方法，其中該半導體裝置係發光二極體、光偵測器、半導體雷射、光伏電池、電晶體、金屬-氧化物-半導體場效電晶體、金屬-氧化物-半導體電容器、高電子遷移率電晶體、和半導體光合成電池當中之一。
  9. 一種半導體結構，包含利用如請求項1至8中任一項的方法在半導體基板(1)上所形成的外來氧化物或外來氮化物層(6)。
  10. 如請求項9的半導體結構，其包括含矽的外來氧化物層，該外來氧化物層包含二氧化矽，該二氧化矽大致不含+1氧化態(+1 oxidation state)。
  11. 一種半導體裝置，包含如請求項9或10的半導體結構。
  12. 如請求項11的半導體裝置，其中該半導體裝置係發光二極體、光偵測器、半導體雷射、光伏電池、電晶體、金屬-氧化物-半導體場效電晶體、金屬-氧化物-半導體電容器、高電子遷移率電晶體、和半導體光合成電池當中之一。
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