專利名稱：具有高介電常數(shù)材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件及其制造方法，更特定地，涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和包括非化學(xué)計(jì)量、高介電常數(shù)的氧化物以減少漏電流密度的集成電路的制造和使用。
背景技術(shù)：
在硅上外延生長單晶氧化物薄膜在很多器件應(yīng)用——例如，鐵電器件、非易失高密度存儲器件以及下一代MOS器件——中都很重要。而且，在這些薄膜的制備中，關(guān)鍵是要在硅表面上為隨后的單晶氧化物——例如，鈣鈦礦——的生長建立規(guī)則有序的過渡層或緩沖層。
這些氧化物中的一些——例如BaO和BaTiO3——是利用BaSi2(立方相)模板通過在硅(100)上利用分子束外延在高于850℃的溫度下沉積四分之一單層Ba而在硅(100)上形成的。見，例如，R.McKeeet al.，Appl.Phys.Lett.59(7)，p.782-784(12 Aug.1991)；R.McKee etal.，Appl.Phys.Lett.63(20)，p.2818-2820(15 Nov.1993)；R.McKee etal.，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.21，p.131-135(1991)；U.S.PatentNo.5,225,031，issued July 6，1993，entitled“PROCESS FORDEPOSITING AN OXIDE EPITAXIALLY ONTO A SILICONSUBSTRATE AND STRUCTURES PREPARED WITH THEPROCESS”；and U.S.Patent No.5,482,003，issued January 9，1996，entitled“PROCESS FOR DEPOSITING EPITAXIAL ALKALINEEARTH OXIDE ONTO A SUBSTRATE AND STRUCTURESPREPARED WITH THE PROCESS.”提出一種具有c(4×2)結(jié)構(gòu)的硅化鍶(SrSi2)界面模型。見，例如，R.McKee et al.，Phys.Rev.Lett.81(14)，3014(5 Oct.1998)。然而，對該結(jié)構(gòu)的原子層面的模擬顯示，在高溫下它很可能是不穩(wěn)定的。
已實(shí)現(xiàn)了利用SrO緩沖層在硅(100)上進(jìn)行的SrTiO3生長。見，例如，T.Tambo et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.37，p.4454-4459(1998)。然而SrO緩沖層較厚(100埃)，從而限制了在晶體管薄膜方面的應(yīng)用，并且在生長過程中并不能保持結(jié)晶度。
此外，已利用SrO和TiO的厚氧化物層(60-120埃)在硅上生長了SrTiO3。見，例如，B.K.Moon et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.33，p.1472-1477(1994)。然而，這些厚緩沖層會限制它們在晶體管方面的應(yīng)用。
在CMOS應(yīng)用中，這些氧化物層利用分子氧來制造并且做得較薄(即，小于50埃)。因此，由于氧缺陷或空位，會導(dǎo)致常出現(xiàn)高的電泄漏的有泄漏薄膜。此外，這些薄膜需要在生長完成后在氧氣中進(jìn)行進(jìn)行退火以減小穿過氧化物層的漏電流密度。
因此，需要一種在具有低漏電流密度的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上制造高介電常數(shù)氧化物的方法。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種方法，利用非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬的鈦酸鹽來制造高介電常數(shù)的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，從而減小漏電流密度。
附圖簡述本發(fā)明通過實(shí)施例來說明，并不局限于附圖，附圖中相似的參考號表示類似的元素，其中

圖1為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施方案制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；圖2為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明替代實(shí)施方案制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；圖3為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方案制造的結(jié)構(gòu)；圖4為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施方案制造的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)；
圖5為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案制造的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
熟練的技術(shù)人員將能理解，圖中的元素都是為了簡單明了而如此說明的，并沒有按比例繪制。例如，可以相對于其它元素放大圖中某些元素的尺寸，以此增進(jìn)對本發(fā)明實(shí)施方案的理解。
附圖詳述下面的實(shí)施例示出根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施方案的工藝，用于制造具有低漏電流密度的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該工藝首先提供包含硅和/或鍺的單晶半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施方案，該半導(dǎo)體襯底為(100)方向的硅片。襯底方向可以沿軸向或偏離軸向至多0.5°。至少一部分襯底表面裸露，盡管襯底的其它部分像下面所描述的那樣可包含其它結(jié)構(gòu)。術(shù)語“裸露”在文中意指襯底這一部分的表面已被清洗除去所有氧化物、污染物或其它雜質(zhì)材料。眾所周知，裸露的硅活性很高，很容易形成自然氧化物。術(shù)語“裸露”應(yīng)包括這樣的自然氧化物。也可有意地在半導(dǎo)體襯底上生長薄的二氧化硅，盡管根據(jù)本發(fā)明這樣生長的氧化物并不是該工藝所必須的。為了在單晶襯底上外延生長單晶氧化物層，首先要除去自然氧化物以露出下層襯底的晶體結(jié)構(gòu)。盡管根據(jù)本發(fā)明像下面略述的那些其它工藝也可用于其中，隨后的工藝通常由分子束外延(MBE)來進(jìn)行。可通過首先在MBE設(shè)備中熱沉積一薄層鍶、鋇、鍶和鋇的組合，或其它堿土金屬或堿土金屬的組合來除去自然氧化物。然后，在使用鍶的情形中，將襯底加熱到大約750℃，使鍶與自然二氧化硅層反應(yīng)。鍶用于減少二氧化硅留下無二氧化硅的表面。結(jié)果，這樣的表面——為有序的2×1結(jié)構(gòu)——包括鍶、氧和硅。有序的2×1結(jié)構(gòu)形成單晶氧化物上覆蓋層的有序生長的模板。模板提供了使上覆蓋層晶體生長成核所必須的化學(xué)和物理特性。
根據(jù)本發(fā)明替代實(shí)施方案，通過在襯底表面利用MBE在低溫下沉積堿土金屬氧化物——例如氧化鍶、氧化鍶鋇或氧化鋇——并隨后將該結(jié)構(gòu)加熱至大約750℃，可變換自然二氧化硅，襯底表面可準(zhǔn)備好生長單晶氧化物層。在該溫度下，在氧化鍶和自然二氧化硅之間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，使自然二氧化硅減少，剩下表面殘留有鍶、氧和硅的有序2×1結(jié)構(gòu)。
在從襯底表面除去二氧化硅之后，根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施方案，將襯底冷卻至大約200-800℃，并通過分子束外延在模板層上生長一層鈦酸鍶。在MBE工藝中，首先打開MBE設(shè)備中的快門，露出鍶、鈦和氧源。鍶和鈦之間的比例大約為1∶1。最初將氧的分壓設(shè)為最小值，以大約每分鐘0.3-0.5nm的生長速率生長化學(xué)計(jì)量的鈦酸鍶。在開始生長鈦酸鍶之后，升高氧的分壓，使其高于初始的最小值。
上述工藝說明了用于利用分子束外延工藝形成包括硅襯底和上覆蓋氧化層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝。該工藝還可通過下述工藝來進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(CVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、遷移增強(qiáng)外延(MEE)、原子層外延(ALE)、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)溶液沉積(CSD)、脈沖激光沉積(PLD)等。此外，通過類似的方法，也可生長其它單晶，例如堿土金屬的鈦酸鹽、鋯酸鹽、鉿酸鹽、鉭酸鹽、釩酸鹽、釕酸鹽和鈮酸鹽，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物，例如堿土金屬錫基鈣鈦礦、鋁酸鑭、氧化鑭鈧，以及氧化釓。
圖1為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)100。結(jié)構(gòu)100可以是例如MOS器件或任何高介電常數(shù)器件所用的柵介電元件那樣的器件。結(jié)構(gòu)100包括單晶半導(dǎo)體襯底101。襯底101可包含任何合適的單晶半導(dǎo)體材料，例如，硅(Si)、鍺(Ge)、硅鍺(Si-Ge)、砷化鎵(GaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、銦鋁砷(InAlAs)、鋁鎵砷(AlGaAs)以及銦鎵磷(InGaP)。優(yōu)選地，襯底101包含單晶硅片。
在襯底101上形成單晶氧化層103。在某一實(shí)施方案中，單晶氧化層103為因其與下層襯底和上層化合物半導(dǎo)體材料的相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層103可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)或鈦酸鋇鍶(SrzBa1-zTiO3，0＜z＜1)。在堿土金屬和鈦的比例為1∶1時(shí)可獲得化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。在某一實(shí)施方案中，層103為厚度大約為2-10個(gè)單層并且厚度優(yōu)選為大約5個(gè)單層的化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層。
在層103上形成附加的單晶氧化層104。在某一實(shí)施方案中，單晶氧化層104為因其與層103的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層104可包含，例如，非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶和鈦酸鋇鍶。在堿土金屬和鈦的比例大于1∶1時(shí)可獲得非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，可通過在形成堿土金屬鈦酸鹽層的過程中建立不同的堿土金屬流速和鈦流速來獲得非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。例如，如果堿土金屬的流速大于鈦的流速，側(cè)可形成堿土金屬和鈦的比例大于1∶1的非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。優(yōu)選地，堿土金屬和鈦的比例小于或等于大約1.8∶1。在某一實(shí)施方案中，層104為非化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。優(yōu)選地，層103和104的綜合等價(jià)氧化物厚度小于或等于大約1.5nm。
根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方案，在層104上形成第三單晶氧化層105。層105可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)或鈦酸鋇鍶(SrzBa1-zTiO3，0＜z＜1)。在某一實(shí)施方案中層105為化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。如果結(jié)構(gòu)100包含用于高介電常數(shù)半導(dǎo)體器件的柵電介質(zhì)，則根據(jù)熟練的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)，可在層105上形成導(dǎo)電柵電極(未示出)。
圖2為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)200。器件結(jié)構(gòu)200可以是像例如MOS器件或任何高介電常數(shù)器件那樣的器件。結(jié)構(gòu)200包括單晶半導(dǎo)體襯底201，優(yōu)選地為單晶硅片。
在襯底201上形成單晶氧化物層203。單晶氧化物層203優(yōu)選地為因其與下層襯底和上層化合物半導(dǎo)體材料的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層203可包含，例如，非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇(BaxTi1-xO3)、鈦酸鍶(SrxTi1-xO3)或鈦酸鋇鍶((SrzBa1-z)xTi1-xO3，0＜x＜1，0＜z＜1)。在某一實(shí)施方案中，層203為非化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。在層203上形成附加的單晶氧化層204。單晶氧化層204優(yōu)選地為因其與層203的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層204可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鋇鍶。在某一實(shí)施方案中，層204為化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。在該實(shí)施方案的某一方面中，層203和204的綜合等價(jià)氧化物厚度小于或等于大約1.5nm。
在該實(shí)施方案中，層203和204共同包含用于高介電常數(shù)半導(dǎo)體器件——例如MOS器件——的柵電介質(zhì)。根據(jù)熟練的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)，可在層204上形成導(dǎo)電柵電極205以完成器件結(jié)構(gòu)。然后可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝?yán)^續(xù)制造，形成基本完成的包括本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)的集成電路，例如圖2中所說明的。
圖3為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)300。結(jié)構(gòu)300可以是像，例如，用于MOS器件或任何高介電常數(shù)器件的柵介電元件那樣的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)300包括單晶半導(dǎo)體襯底301，優(yōu)選地為單晶硅片。
在襯底301上形成單晶氧化層302。在某一實(shí)施方案中，單晶氧化層302為因其與與下層襯底和上層化合物半導(dǎo)體材料的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層302可包含，例如，非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇(BaxTi1-xO3)、鈦酸鍶(SrxTi1-xO3)或鈦酸鋇鍶((SrzBa1-z)xTi1-xO3，0＜x＜1，0＜z＜1)。在層302上形成附加的單晶氧化層303。單晶氧化層303優(yōu)選地為因其與層302的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層303可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鋇鍶。
根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方案，在層303上形成許多非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽和化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽的交替層。只要這些層像該結(jié)構(gòu)形成那樣在非化學(xué)計(jì)量和化學(xué)計(jì)量之間變換，層302、303以及附加層的化學(xué)計(jì)量/非化學(xué)計(jì)量性質(zhì)并不是臨界的。也就是說，優(yōu)選地，在化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽層上不要形成另一化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽層，在非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽層上不要形成另一非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽層。如圖3所示，在層303上形成第三單晶氧化層304。層304可包含，例如，非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。最后在層304上形成第四單晶氧化層305。層305可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，層302、303、304和305共同包含用于高介電常數(shù)半導(dǎo)體器件——例如MOS器件——的柵電介質(zhì)。在該實(shí)施方案的某一方面中，交替單晶氧化層中的每一層厚度為大約1-2nm。
圖4為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明某一替代實(shí)施方案制造的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)400，其中半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)400包含MOS器件。結(jié)構(gòu)400包括單晶半導(dǎo)體襯底401，優(yōu)選地為單晶硅片。利用熟練的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)——例如離子注入——在襯底401中形成漏區(qū)402和源區(qū)403。在區(qū)域402和403之間由漏區(qū)402和源區(qū)403確定了作為襯底401一部分的溝道區(qū)408。
在襯底401上鄰近溝道區(qū)408處形成單晶氧化層404。層404優(yōu)選地為因其與下層襯底和任何上層化合物半導(dǎo)體材料的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層404可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)或鈦酸鋇鍶(SrzBa1-zTiO3，0＜x＜1，0＜z＜1)。在某一實(shí)施方案中，層404為化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。
在該實(shí)施方案中，在層404上形成第二單晶氧化層405。層405優(yōu)選地為因其與層404的晶體相容性而選擇的單晶氧化物層。在示出的實(shí)施方案中，層405可包含，例如，非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶和鈦酸鋇鍶。在某一實(shí)施方案中，層405為非化學(xué)計(jì)量的SrxTi1-xO3層，其中0＜x＜1，其厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。
根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方案，在層405上形成第三單晶氧化層406。層406可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)或鈦酸鋇鍶(SrzBa1-zTiO3，0＜x＜1，0＜z＜1)。在該實(shí)施方案中，層406為化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層，優(yōu)選地為大約5個(gè)單層。然后根據(jù)熟練的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)在層406上形成導(dǎo)電柵電極407以完成MOS器件結(jié)構(gòu)。
圖5為一橫截面，示意性說明根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施方案制造的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)500，其中半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)500包含MSO器件。結(jié)構(gòu)500包括單晶半導(dǎo)體襯底501，優(yōu)選地為單晶硅片。利用熟練的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)——例如離子注入——在襯底501中形成漏區(qū)502和源區(qū)503。在區(qū)域502和503之間由漏區(qū)502和源區(qū)503確定了作為襯底501一部分的溝道區(qū)510。
在襯底501上形成單晶氧化層504。在某一實(shí)施方案中，層504為因其與下層襯底和上層化合物半導(dǎo)體材料層505的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在該實(shí)施方案中，層504可包含，例如，堿土金屬鈦酸鹽、堿土金屬鉿酸鹽或堿土金屬鋯酸鹽。在代表性實(shí)施方案中，層504為(Ba，Sr)TiO3層，厚度可為大約2-10個(gè)單層?；衔锇雽?dǎo)體層505可包含，例如，硅鍺(Si-Ge)、砷化鎵(GaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、銦鋁砷(InAlAs)、鋁鎵砷(AlGaAs)或銦鎵磷(InGaP)。
然后在層505和溝道區(qū)510上形成單晶氧化層506。層506優(yōu)選地為因其與層505的晶體相容性而選擇的單晶氧化物材料。在所示實(shí)施方案中，層506可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鋇鍶。在某一實(shí)施方案中，層506為化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度為大約5個(gè)單層。根據(jù)本發(fā)明該實(shí)施方案，在層506上形成第二單晶氧化層507。層507可包含，例如，非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽，其中堿土金屬與鈦的比例大于1∶1。在某一實(shí)施方案中，層507為非化學(xué)計(jì)量的SrxTi1-xO3層，厚度為大約5個(gè)單層。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明該實(shí)施方案，在層507上形成第三單晶氧化層508。層508可包含，例如，化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。在某一實(shí)施方案中，層508為化學(xué)計(jì)量的SrTiO3層，厚度為大約5個(gè)單層。合起來，根據(jù)該實(shí)施方案的某一方面，層506、507和508的合成帶隙大于大約3.2eV。然后根據(jù)熟練的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)在層508上形成導(dǎo)電柵電極509以完成MOS器件結(jié)構(gòu)。
因此，所公開的是制造降低了漏電流密度的高介電常數(shù)半導(dǎo)體器件的方法。正如所公開的，半導(dǎo)體器件的各層可用各種生長沉積方法來形成，其中包括，但不局限于，分子束外延(MBE)、化學(xué)束外延(CBE)、金屬有機(jī)分子束外延(MOMBE)、高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)、物理氣相外延(PVD)、金屬有機(jī)氣相外延(MOCVD)等。
在前述說明中，參考特定實(shí)施方案描述了本發(fā)明。然而，普通的技術(shù)人員都能理解，只要不偏離下面權(quán)利要求中提出的本發(fā)明的范圍，可進(jìn)行各種調(diào)整和變更。因此，應(yīng)當(dāng)將這些說明和附圖看作說明性的而非限制性的，所有這樣的調(diào)整都要包括在本發(fā)明的領(lǐng)域中。
上面對于特定實(shí)施方案描述了益處、其它優(yōu)點(diǎn)以及問題的解決方法。然而，這些益處、優(yōu)點(diǎn)、問題的解決方法，以及可使任何益處、優(yōu)點(diǎn)或解決方法發(fā)生或變得更明確的任何要素都不是要解釋為任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必須的或基本的特征或要素。此處，術(shù)語“包含”、“由……構(gòu)成”及其任何變體是要覆蓋非排他性包含，這樣，包含一列要素的工藝、方法、項(xiàng)目或設(shè)備不僅包括那些要素，還可包括沒有清楚列出或與這樣的工藝、方法、項(xiàng)目或設(shè)備有內(nèi)在聯(lián)系的其它要素。進(jìn)一步，沒有哪個(gè)此處所描述的要素對于本發(fā)明的實(shí)行是基本的，除非它們被很清楚地描述為“基本的”或“必須的”。
權(quán)利要求
1.一種高介電常數(shù)器件結(jié)構(gòu)，包含單晶半導(dǎo)體襯底，具有一個(gè)表面；第一層化學(xué)計(jì)量的單晶堿土金屬鈦酸鹽，覆蓋該表面；以及第二層非化學(xué)計(jì)量的單晶堿土金屬鈦酸鹽，覆蓋該表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中第二層包含堿土金屬與鈦的比例大于1∶1的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)，其中第一層包含選自下列組中的堿土金屬鋇、鍶，以及鋇和鍶。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)，其中第二層包含選自下列組中的堿土金屬鋇、鍶，以及鋇和鍶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中比例小于或等于1.8∶1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中第一層和第二層的綜合等價(jià)二氧化硅厚度小于或等于大約1.5nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中半導(dǎo)體襯底包含選自下列的半導(dǎo)體材料Si、Ge、Si-Ge、GaAs、InP，以及SiC。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含至少部分形成在襯底中的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的結(jié)構(gòu)，其中第一層和第二層共同形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的柵電介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含覆蓋柵電介質(zhì)的導(dǎo)電柵電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中第二層被形成為覆蓋第一層。
12.根據(jù)權(quán)利要求14的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含第三層化學(xué)計(jì)量的單晶堿土金屬鈦酸鹽，覆蓋該第二層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中第一層被形成為覆蓋第二層。
14.一種高介電常數(shù)器件結(jié)構(gòu)，包含單晶半導(dǎo)體襯底；多個(gè)化學(xué)計(jì)量單晶堿土金屬鈦酸鹽和非化學(xué)計(jì)量單晶堿土金屬鈦酸鹽的交替層，覆蓋該襯底。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)交替層中的每一層包含(Ba，Sr)TiO3。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的結(jié)構(gòu)，其中非化學(xué)計(jì)量單晶堿土金屬鈦酸鹽層包含鋇或鍶或鋇和鍶與鈦的比例大于1∶1的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)交替層中的每一層厚度為大約1-2nm。
18.一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包含單晶半導(dǎo)體襯底；互相分離的源和漏區(qū)，形成在襯底中，在它們之間確定了溝道區(qū)；第一層單晶非化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3，覆蓋該溝道區(qū)；以及導(dǎo)電柵電極，覆蓋該第一層和該溝道區(qū)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含第二層單晶化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3，覆蓋該溝道區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的器件結(jié)構(gòu)，其中第二層覆蓋第一層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含第三層單晶化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3，它在第一層之下。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的器件結(jié)構(gòu)，其中襯底包含選自下列的材料Si、Ge、Si-Ge、GaAs、SiC，以及InP。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的器件結(jié)構(gòu)，其中襯底包含選自下列的化合物半導(dǎo)體材料的單晶層GaAs、InGaAs、InAlAs、AlGaAs，以及InGaP，覆蓋包含選自下列的材料的體單晶襯底Si、Ge、Si-Ge、GaAs、InP，以及SiC。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含氧化物單晶層，在化合物半導(dǎo)體材料單晶層之下。
25.一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包含單晶半導(dǎo)體襯底；半導(dǎo)體器件，至少部分形成在襯底中；以及(Ba，Sr)TiO3單晶層，帶隙大于約3.2eV，它覆蓋半導(dǎo)體器件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的器件結(jié)構(gòu)，其中單晶層包含Ba或Sr或Ba和Sr與Ti的比例大于1∶1的非化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3層。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的器件結(jié)構(gòu)，其中單晶層包含許多子層，其中至少一層為Ba或Sr或Ba和Sr與Ti的比例大于1∶1的非化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3。
28.一種制造高介電常數(shù)器件結(jié)構(gòu)的工藝，包含下列步驟預(yù)備單晶半導(dǎo)體襯底；生長第一層單晶堿土金屬鈦酸鹽，覆蓋該襯底；以及生長第二層單晶堿土金屬鈦酸鹽，覆蓋該第一層，其中第一層和第二層中的一個(gè)層包含非化學(xué)計(jì)量的堿土金屬鈦酸鹽。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的工藝，其中生長第一層和生長第二層的步驟每步都包含利用選自下列的工藝所進(jìn)行的生長分子束外延、化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、遷移增強(qiáng)外延、原子層外延、物理氣相外延、化學(xué)溶液沉積，以及脈沖激光沉積。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的工藝，其中生長第一層和生長第二層的步驟每步都包含利用分子束外延進(jìn)行的生長。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的工藝，其中生長第一層和生長第二層的步驟之一包含生長一層堿土金屬與鈦的比例大于1∶1的堿土金屬鈦酸鹽的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的工藝，其中生長第一層的步驟包含建立第一堿土金屬流量和第二鈦流量的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的工藝，其中生長第二層的步驟包含保持第一堿土金屬流量和建立不同于第二流量的第三鈦流量的步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的工藝，其中生長第二層的步驟包含保持第二鈦流量并建立不同于第一流量的第四堿土金屬流量的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求30的工藝，其中生長第二層的步驟包含在生長第二層的步驟開始之前終止生長第一層的步驟。
36.根據(jù)權(quán)利要求30的工藝，進(jìn)一步包含在第一層和第二層之間形成包含1-2個(gè)單層的過渡層的步驟。
37.根據(jù)權(quán)利要求28的工藝，其中生長第一層和生長第二層的步驟每步都包含生長包含(Ba，Sr)TiO3的步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求28的工藝，其中預(yù)備單晶半導(dǎo)體襯底的步驟包含預(yù)備包含選自下列的材料的襯底的步驟硅、鍺、硅-鍺、以及砷化鎵。
39.根據(jù)權(quán)利要求28的工藝，其中預(yù)備單晶半導(dǎo)體襯底的步驟包含預(yù)備選自下列的材料的單晶層的步驟GaAs、InGaAs、InAlAs、AlGaAs，以及InGaP。
40.一種制造半導(dǎo)體器件的工藝，包含下列步驟預(yù)備包含硅的單晶襯底，該襯底具有一個(gè)表面；離子注入雜質(zhì)摻雜劑離子以在表面形成互相分離的源和漏區(qū)；分子束外延生長包含(Ba，Sr)TiO3的單晶層，覆蓋該表面，該層包含帶隙大于3.2eV的子層；以及形成導(dǎo)電電極覆蓋該層，且該電極位于源和漏區(qū)之間。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的工藝，其中分子束外延生長步驟包含生長包含富堿土金屬的(Ba，Sr)TiO3的第一子層以及包含化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3的第二子層，第二子層覆蓋第一子層。
42.根據(jù)權(quán)利要求40的工藝，其中分子束外延生長步驟包含生長包含化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3的第一子層、包含富堿土金屬的(Ba，Sr)TiO3且覆蓋第一子層的第二子層，以及包含化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3且覆蓋第二子層的第三子層。
43.根據(jù)權(quán)利要求40的工藝，其中分子束外延生長包含生長富堿金屬的(Ba，Sr)TiO3和化學(xué)計(jì)量的(Ba，Sr)TiO3的交替子層。
全文摘要
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(400)和形成包括高介電常數(shù)材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括單晶半導(dǎo)體襯底(401)、一層或多層化學(xué)計(jì)量的單晶、高介電常數(shù)材料(404)、以及一層或多層非化學(xué)計(jì)量的、高介電常數(shù)材料(405)。高介電常數(shù)材料可包括單晶堿土金屬鈦酸鹽，例如(Ba，Sr)TiO
文檔編號H01L21/8247GK1475027SQ01818861
公開日2004年2月11日 申請日期2001年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月14日
發(fā)明者賈邁勒·拉姆丹, 拉溫德拉奈斯·德魯普德, 林德·希爾頓, 簡·柯利斯, 斯特凡·佐爾納, 佐爾納, 利斯, 希爾頓, 拉奈斯 德魯普德, 賈邁勒 拉姆丹 申請人:摩托羅拉公司