专利名称：用于制造其漏电电流密度降低的一个半导体结构的方法
技术领域：
本发明一般涉及用于制造在一个硅衬底和金属氧化物之间包括一个缓冲层的一个半导体结构的一个方法，更特别地，涉及用于制造包括一个缓冲层和使用激活氧而形成的一个高介电常数氧化物来降低漏电电流密度的一个半导体结构的一个方法。
在硅衬底上外延生长单晶氧化物薄膜在很多器件应用中是非常有用的，例如，用于非挥发性高密度存储器和下一代MOS器件的铁电或者高介电常数氧化物。另外，在准备这些薄膜的过程中，在硅表面上建立一个有序的过渡层或者缓冲层是很关键的，特别是对于在后面所进行的单晶氧化物，例如钙钛矿，的生长，是非常关键的。
某些关于在硅(100)上生长氧化物，例如BaO和BaTiO3的生长是基于一个BaSi2(体材料)模板的，并且通过使用分子束外延，在大于850℃的温度下，在硅(100)表面上沉积4分之一的单层Ba。例如，见R．McKee等发表的，在Appl．Phys．Lett．59(7)的第782-784页(1991年8月12日)；R．McKee等发表的，在Appl．Phys．Lett．63(20)的第2818-2820页(1993年11月15日)；R. McKee等发表的，在Mat．Res．Soc．Symp．Proc．卷21的第131-135页(1991年)；1993年7月6日发表的，美国专利号No．5，225，031，题为“将一个氧化物外延沉积到一个硅衬底上的处理和用这个处理准备的结构”；和美国专利号No．5，482，003，1996年1月9日发表的，题为“将碱土氧化物外延沉积到一个衬底的处理和用这个处理准备的结构”。提出了到一个c(4×2)结构的一个硅化锶(SrSi2)界面模型。例如，见R．McKee等发表的，在Phys．Rev．Lett．81(14)，3014(1998年10月5日)。但是，这个建议结构的原子级模拟表明在温度升高时，它可能不稳定。
使用一个SrO缓冲层在硅(100)上生长SrTiO3已经被完成。例如，见t．Tambo等发表的，在Jpn．J．Appl．Phys．，卷37(1998年)，第4454-4459页。但是，SrO缓冲层厚(100埃)，由此限制了在晶体管薄膜中的应用，并且在生长过程中不能够一直保证结晶度。
进一步，使用厚的SrO或者TiO氧化物层(60-120埃)来在硅上生长SrTiO3。例如，见B．K. Moon等发表的，在Jpn．J．Appl．Phys．，卷33(1994年)的第1472-1477页上。这些厚的缓冲层将限制在晶体管中的应用。
在CMOS应用中，这些类型的氧化物层被使用分子氧来进行制造，并且所形成的厚度较薄(少于50埃)。所以，结果是一个漏电的薄膜，其中因为氧的缺陷或者空缺，就产生高的漏电。进一步，这些薄膜需要在氧气氛中进行一个后生长退火，来降低通过氧化物层的漏电电流密度。
所以，就希望有一个用于在一个半导体结构上制造一高介电常数的、具有低漏电电流密度的氧化物的一个方法。
本发明的一个目的是提供一个方法，用于在一个半导体结构上制造一高介电常数的、具有低漏电电流密度的氧化物。
本发明的另一个目的是提供一个方法，用于在一个半导体结构上制造一高介电常数的氧化物，其中栅极介电漏电电流密度接近零。
本发明的另一个目的是提供一个方法，用于使用激活氧或者原子氧在一个半导体结构上制造一高介电常数的氧化物，这样来降低漏电电流密度。
在用于制造一个半导体结构的一个方法中，上述问题和其它问题至少被部分解决，并且上述目的和其它目的被实现，这个方法包括步骤提供具有一个表面的一个硅衬底，在这个硅衬底的表面上形成使用分子氧形成的一个晶体材料的一个缓冲层，并且使用激活氧在这个缓冲层上形成一层或者多层高介电常数的氧化物。
图1显示了根据本发明，一个具有本征氧化物层的干净半导体衬底和形成在其上的一个氧化物层的一横切面视图；图2显示了根据本发明，其上形成了一籽晶层的半导体结构的横切面视图；图3是进一步显示，根据本发明形成在其上的一个缓冲层的、图2的半导体结构的一个横切面视图；图4是进一步显示，一高介电常数氧化物层和根据本发明用于测量经过这个结构的漏电电流密度的金属触点的、图3的半导体衬底的横切面视图；和图5以图的形式显示了根据本发明，经过图4结构的漏电电流密度的降低。
本发明描述了用于制造高介电常数(高k)的金属氧化物的方法，该金属氧化物与硅衬底有一个界面。这个过程是基于使用激活氧来制造高介电常数氧化物层的。另外，这个过程包括使用分子氧来制造作为随后生长高介电常数氧化物层的一个界面的一缓冲层。所以，所公开的是一个新的、使用激活氧生长钙钛矿氧化物，例如SrTiO3，BaTiO3，SrBaTiO3，CaTiO3，或者类似的方法。
为了在一个硅(Si)衬底和一层或者多层高介电常数(高k)金属氧化物之间形成新的界面，可以使用很多方法。所包括的示例是从在其表面上带硅氧化物(SiO2)的一个硅衬底开始。所显示的硅氧化物是作为一个本征氧化物被形成的，其形成可以使用热的方法，或者使用化学的方法。SiO2是非晶体的，而不是单晶体，这对在这个衬底上生长附加单晶材料是可取的。
现在，参考附图，其中类似的部件用类似的数字来表示，图1显示了具有一个表面12的一个硅Si衬底10，在硅衬底10上形成一个可选的SiO2层14。在这个特定的实施方式中，一旦这个硅衬底10被暴露在空气(氧气)中，SiO2层14就会自然地产生。替代地，可以使用该领域内众所周知的方法，例如以受控的形式在高温度下将氧热施加到表面12上，或者使用一个标准的化学蚀刻过程的化学处理方法，有目的地形成SiO2层14。在一个替代的实施方式中，使用本征氧化物，或者类似的的解吸附作用来去除SiO2层14。在这个特定实施方式中，层14的厚度为5-100埃厚，更特别地，厚度为10-25埃厚。
下面，在0-900℃，在氧气分压强等于或者小于1×10-4mBar(毫巴)下，使用与SiO2的金属反应过程或者使用与一个金属氧化物例如SrO，BaO，或者类似的金属反应过程，在SiO2层14的表面15上形成一个硅化物或者类似的一薄籽晶膜层18(如图2所显示的)。这可以在一个分子束外延腔或者在一个化学汽相沉积(CVD)或者在物理汽相沉积(PVD)腔中，在惰性气体条件下完成。
为了制造籽晶层18，衬底10被加热到合适的温度，并且其上具有SiO2层14的衬底10被暴露在一个金属束中，例如锶(Sr)，钡(Ba)，钙(Ca)，锌(Zr)，铪(Hf)，或者类似的，来与SiO2层进行反应，或者被暴露在一个金属氧化物化合物中，例如SrO，BaO等使用分子氧的类似物中，来在SiO2氧化物14上形成一个非晶体氧化物16，如图1所显示的。
这个步骤在硅衬底10上形成了一个稳定的硅化物。下一步骤是仅使用分子氧来形成高k氧化物层，这个层的电阻率低，但是将用作一个阻隔层，这样限制氧到硅衬底的扩散，这样来将籽晶层的厚度限制在几个单层。在制造期间，金属氧化物层16缓冲层的厚度是5-100埃，优选厚度是15-50埃。这个氧化物层是晶体的。
在这个特定的实施方式中，在籽晶层和最后的氧化物层之间插入一缓冲层对维持薄界面籽晶层18是至关重要的。在制造期间，使用该领域内众所周知的反射高能量电子衍射(RHEED)技术来监视其生长，并且可以在原地进行这个过程，即，在生长室中执行曝光步骤时。当然，应理解，一旦提供了一特定制造过程并且执行这个特定的制造过程，可能就没有必要对每一个衬底执行RHEED技术。替代地，可以使用任何表面传感技术来监视晶体结构，例如反射差异光谱(RDS)，分光椭圆偏振计(SE)，或者类似的可以在原地监视表面的技术。
该领域内的技术人员应理解，这些过程所给出的温度和压强是为所描述的特定实施方式所建议的，但是，本发明不局限于一特定的温度或者压强范围。如所描述的，籽晶层18在硅衬底10的一表面(001)上，以一个2×1的结构包括锶，硅和氧原子行，其中在<110>方向上是1x，在<110>垂直方向上是2x。
下面，在籽晶层18的一个表面19上形成一个缓冲层20。缓冲层20是通过使用激活氧，将这个结构暴露在一金属束中来形成的，例如锶(Sr)，钡(Ba)，钙(Ca)，锌(Zr)，铪(Hf)，或者类似的，来将一个氧化物形成在籽晶层18上，如图3所显示的。缓冲层20用于对籽晶层18的表面进行光滑处理，以适合于后面所进行的、高介电常数氧化物(当前所讨论的)的生长。缓冲层也用于维持籽晶层18的结构。缓冲层20的形成厚度是0-100埃。如所描述的，缓冲层20是晶体。
下面，如图4所显示的，高介电常数氧化物层22的形成是通过在小于或者等于800℃的温度下，同时或者交替地将一个碱土金属和一个过渡金属提供到缓冲层20的一表面23来维持的，更特别地，在350-650℃的温度下和在激活氧的分压强小于或者等于1×10-4mBar的条件下。
通过在小于或者等于800℃的温度下，在激活氧的分压强小于或者等于1×10-4mBar的条件下，同时或者交替地施加碱土金属(Sr，Ba等等)，激活氧，更特别地是氧原子，和一过渡金属，例如钛，在缓冲层20的表面23上形成单晶高介电常数氧化物层22，更特别地是一钙钛矿。例如，这个单晶氧化物层22的厚度是50-1000埃，并且其晶格基本上与支撑缓冲层20的晶格是匹配的。
参考图4和图5，当使用激活氧以这样的方法形成时，高介电常数层22的漏电电流幅度比用分子氧生长的氧化物层的漏电电流幅度降低了两个数量级，例如在-1V时为10-2A／cm2。图4显示了根据这里所公开的本发明的方法而制造的一个器件结构30。更特别地，显示了包括衬底10，籽晶层18，缓冲层20和高介电常数氧化物层22的器件30。进一步包括的是一个正电极金属触点32和一个负电极金属触点34。测量经过器件30结构的漏电电流密度，其结果被以图的方式显示在图5中。如所显示的，经过器件30结构的漏电电流密度因为使用激活氧来形成半导体结构而被降低。图5中进行对比而显示的是使用分子氧来形成的层和根据本发明使用激活氧而形成的层。
如所公开的，这个方法可以被用于生长ABO3结构的附加氧化物层，例如SrTiO3，BaTiO3，CaTiO3，(Ba，Sr)TiO3，或者类似的。另外，这个方法可以被用于各种生长沉积方法中，包括，但是不局限于分子束外延(MBE)，化学束外延(CBE)，金属有机分子束外延(MOMBE)，超高真空化学汽相沉积(UHVCVD)，物理汽相沉积(PVD)，金属有机化学汽相沉积(MOCVD)，或者类似的方法。
所以，所公开的是用于制造与如这里所描述的硅衬底10在一起的、其漏电电流密度降低的一高介电常数氧化物层22的一个方法。缓冲层20的界面是用分子氧来形成的。高介电常数氧化物层22是使用激活氧而形成的，由此降低了漏电电流密度。激活氧或者氧原子在生长氧化物层22的步骤期间被使用，并且是使用RF等离子体源，一个电子回旋加速器共振(ECR)，臭氧气体，或者类似的来产生的。这个制造方法降低了经过氧化物层22的漏电电流密度，结果，大大降低了CMOS应用所需要的处理步骤和热平衡。应理解，这里所公开的方法可以被用于很多淀积过程中的许多氧化物层的生长。
权利要求
1．一种用于制造半导体结构的方法，特征在于包括步骤提供了具有一个表面(12)的一个硅衬底(10)；使用分子氧，在这个衬底的表面上形成一个缓冲层(20)；和使用激活氧，在这个缓冲层上形成一层或者多层高介电常数的氧化物(22)。
2．如权利要求1的制造半导体结构的方法，进一步包括步骤在这个硅衬底的表面上，在硅衬底和这个缓冲层之间形成一硅化物晶体材料的籽晶层(18)。
3．如权利要求2的制造半导体结构的方法，其中形成籽晶层(18)的步骤包括形成一2×1的重构结构。
4．如权利要求2的制造半导体结构的方法，其中形成一个籽晶层的步骤包括在一个UHV环境下，一个化学汽相沉积系统或者一个物理汽相沉积系统的条件下，形成籽晶层(18)。
5．如权利要求2的制造半导体结构的方法，其中形成籽晶层(18)的步骤包括形成硅，氧和一个金属的至少一单个单层。
6．如权利要求2的制造半导体结构的方法，其中形成一个籽晶层的步骤进一步包括步骤形成具有一个表面的一个硅氧化物层(14)；在这个硅氧化物层的表面上沉积一个金属(16)；和对这个硅氧化物层和这个金属(16)进行加热，来形成一个硅化物晶体材料籽晶层。
7．如权利要求6的制造半导体结构的方法，其中这个金属被从锶，钡，钙，锌，和铪的组中选择。
8．如权利要求1的制造半导体结构的方法，其中使用分子氧形成一个缓冲层的步骤包括形成从包括锶和分子氧，钡和分子氧，钙和分子氧，锌和分子氧，和铪和分子氧的组中选择出的一个金属氧化物的缓冲层(20)。
9．如权利要求1的制造半导体结构的方法，其中使用激活氧在这个缓冲层(20)上形成一层或者多层高介电常数氧化物(22)的步骤包括形成从包括锶，钡，钙，锌，和铪的组中选择出的高介电常数氧化物。
全文摘要
一种半导体结构的制造方法,包括步骤:提供了具有一个表面(12)的一个硅衬底(10);在与表面(12)相邻的地方形成包括一籽晶层(18)的一个界面,使用分子氧,形成一个缓冲层(20);和使用激活氧,在这个缓冲层(20)上形成一层或者多层高介电常数的氧化物(22)。
文档编号H01L21/02GK1281246SQ0012025
公开日2001年1月24日 申请日期2000年7月14日 优先权日1999年7月15日
发明者拉万德兰那斯·德鲁帕德, 于致忆, 贾马·兰达尼 申请人:摩托罗拉公司