專利名稱：包括單晶膜的半導(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，更具體地，涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件，以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和包括形成在單晶襯底上的單晶材料層的集成電路的制造和使用。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件經(jīng)常包括多層導(dǎo)電、絕緣和半導(dǎo)體層。經(jīng)常地，這些層所要的特性隨其結(jié)晶度而改善。例如，半導(dǎo)體層的電子遷移率和帶隙隨該層結(jié)晶度的提高而改善。類似地，導(dǎo)電層的自由電子濃度以及絕緣或介電膜的電子電荷位移和電子能量恢復(fù)能力隨這些層結(jié)晶度的提高而改善。
許多年來，已進(jìn)行了在異質(zhì)襯底——例如硅(Si)——上生長各種單晶薄膜的嘗試。然而，為獲得各種單晶層的最佳特性，需要高結(jié)晶質(zhì)量的單晶膜。例如，已進(jìn)行了在襯底——例如，鍺、硅和各種絕緣體——上生長各種單晶層的嘗試。這些嘗試通常是不成功的，因?yàn)樵谥骶w和生長晶體之間的晶格失配使得所得的單晶材料具有低的結(jié)晶質(zhì)量。
如果能以低成本獲得大面積高質(zhì)量單晶材料薄膜，則與以材料的體晶片或半導(dǎo)體材料的體晶片上這種材料的外延膜來制造各種半導(dǎo)體器件的成本相比，可以低成本在上述薄膜中或利用上述薄膜方便地制造這些器件。另外，如果可以在體晶片——例如硅晶片——上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單晶材料的薄膜，就可以獲得同時利用了硅和高質(zhì)量單晶材料的最佳特性的集成器件結(jié)構(gòu)。
因此，需要一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它在另一單晶襯底上給出高質(zhì)量單晶膜或?qū)?，還需要制作這種結(jié)構(gòu)的工藝。換句話說，需要給出與高質(zhì)量單晶材料層適應(yīng)的單晶襯底的形成，從而對于高質(zhì)量半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路——它們具有與下層襯底晶向相同的生長單晶膜——可獲得優(yōu)選真實(shí)的二維生長。該單晶材料層可由半導(dǎo)體材料、化合物半導(dǎo)體材料和其它類型的材料——例如金屬——組成。
附圖簡述本發(fā)明通過實(shí)例來說明，并不局限于附圖，附圖中，相似的參考標(biāo)號表示類似的元素，其中

圖1-5以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明各個實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)；圖6以曲線示出最大可得膜厚與主晶體和生長晶體覆蓋層之間晶格失配之間的關(guān)系；圖7A-7D以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的形成；圖8A-8D示出圖7A-7D中示出的器件結(jié)構(gòu)的一種可能的分子鍵結(jié)構(gòu)；圖9-11以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的形成；以及圖12示出根據(jù)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)。
熟練的技術(shù)人員將能理解，圖中的元素都是簡明示出的，并不一定是按比例繪出。例如，圖中某些元素的尺寸可相對于其它元素有所放大，以便于提高對本發(fā)明實(shí)施例的理解。
附圖詳述圖1以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20的一部分。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20包括單晶襯底22，包含單晶材料的適應(yīng)緩沖層24，以及單晶蓋帽層26。在本文中，術(shù)語“單晶”應(yīng)具有半導(dǎo)體工業(yè)中一般所用的意義。該術(shù)語應(yīng)指的是為單個晶體或基本是單個晶體的材料，應(yīng)包括具有相對較少缺陷——例如半導(dǎo)體工業(yè)中常見的硅襯底或鍺襯底或硅鍺混合物襯底以及這些材料的外延層中所常見的位錯等——的那些材料。
結(jié)構(gòu)20還可包括處于適應(yīng)緩沖層和單晶蓋帽層26之間的模板層30。正如下面將更詳盡解釋的，模板層30有助于開始適應(yīng)緩沖層上單晶蓋帽層的生長。
根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的襯底22為單晶半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體晶片，優(yōu)選地具有大直徑。晶片可以是，例如，周期表IV族中的材料，優(yōu)選地為IVB族材料。IV半導(dǎo)體材料的實(shí)例包括硅、鍺、硅鍺混合物、硅碳混合物、硅鍺碳混合物等。優(yōu)選地，襯底22為含有硅或鍺的晶片，更優(yōu)選地，它為半導(dǎo)體工業(yè)中所用的那種高質(zhì)量單晶硅晶片。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例、襯底22為單疇材料——例如，偏向
方向至多大約6°——優(yōu)選地，偏向
方向大約4°——的Si(100)。典型的Si(100)襯底為雙疇材料，兩疇(2×1疇和1×2疇)之間相互旋轉(zhuǎn)90°。將Si(100)襯底向
方向旋轉(zhuǎn)至多6°生成了單疇2×1表面，用于隨后的單晶生長，這樣被認(rèn)為可減少隨后生長的膜中缺陷的總量。
根據(jù)本發(fā)明，適應(yīng)緩沖層24優(yōu)選地為單晶氧化物或氮化物材料，由其與下層襯底和上層材料之間的結(jié)晶相容性而選擇。例如，該材料可以是晶格結(jié)構(gòu)與襯底和隨后所加的單晶蓋帽層基本匹配的氧化物或氮化物。適于用作適應(yīng)緩沖層的材料包括金屬氧化物——例如堿土金屬鈦酸鹽、堿土金屬鋯酸鹽、堿土金屬鉿酸鹽、堿土金屬鉭酸鹽、堿土金屬釕酸鹽、堿土金屬鈮酸鹽、堿土金屬釩酸鹽，鈣鈦礦氧化物——例如堿土金屬錫基鈣鈦礦，鋁酸鑭，氧化鑭鈧，以及氧化釓。此外，各種氮化物——例如氮化鎵、氮化鋁和氮化硼也可用于適應(yīng)緩沖層。這些材料中大多數(shù)都是絕緣體，盡管，例如，釕酸鍶是導(dǎo)體。通常，這些材料為金屬氧化物或金屬氮化物，更特定地，這些金屬氧化物或氮化物通常包括兩種不同的金屬元素。在某些特定應(yīng)用中，該金屬氧化物或氮化物可包括三種或更多種不同的金屬元素。
單晶蓋帽層26的材料可根據(jù)特殊結(jié)構(gòu)和應(yīng)用而選擇。通常，如下所詳述的，層26用作蓋帽，在將結(jié)構(gòu)20進(jìn)行熱或溫度循環(huán)過程——它使層24的至少一部分變成非晶結(jié)構(gòu)——時，層26保持其單晶形態(tài)。例如，層26的單晶材料可包含化合物半導(dǎo)體，可依具體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的需要而選自下列任何一種——IIIA和VA族元素(III-V半導(dǎo)體化合物)、混合III-V化合物、II(A或B)和VIA族元素(II-VI半導(dǎo)體化合物)、以及混合II-VI化合物。實(shí)例包括砷化鎵(GaAs)、鎵銦砷(GaInAs)、鎵鋁砷(GaAlAs)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)、鎘汞碲(CdHgTe)、硒化鋅(ZnSe)、鋅硫硒(ZnSSe)等。單晶蓋帽層26還可包含其它半導(dǎo)體材料，例如IV族半導(dǎo)體——例如Si，金屬或其它用于形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和/或集成電路的材料。根據(jù)本發(fā)明，層24和26具有與下層襯底22相配的疇(例如4°偏角Si襯底的2×1結(jié)構(gòu))，以保證這些層中的缺陷相對較少。
適用于模板30的材料將在下面討論。合適的模板材料與適應(yīng)緩沖層24在選定位置化學(xué)鍵合，并為單晶蓋帽層26的外延生長的成核提供位置。使用時，模板層30的厚度為大約1個單層至大約10個單層。
圖2以剖面圖示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)40的一部分。結(jié)構(gòu)40與前述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20類似，不同之處在于結(jié)構(gòu)40包括晶態(tài)適應(yīng)緩沖層25和非晶層27，而不是單晶適應(yīng)緩沖層24。結(jié)構(gòu)40的層25為單晶層，可包括前述結(jié)構(gòu)20的層24的材料，而層27為非晶層，可包括適應(yīng)緩沖層材料和/或襯底22材料。如下所更詳述的，通過將結(jié)構(gòu)20進(jìn)行一次或多次熱或退火處理使層24的至少一部分變成非晶態(tài)來形成層25和27。在熱或退火處理過程中，層24的至少一部分變成非晶態(tài)，形成層27。另外，襯底22的一部分可與適應(yīng)緩沖材料混合，這樣，層27可包括來自襯底22和適應(yīng)緩沖層的材料。
圖3以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一代表性實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)50的一部分。結(jié)構(gòu)50與結(jié)構(gòu)40類似，不同之處在于結(jié)構(gòu)50包括非晶層32，而不是適應(yīng)緩沖層25和非晶界面層27。非晶層32可包括前述層24的任何材料，通過將結(jié)構(gòu)20或24進(jìn)行足以將層24或25變成非晶態(tài)的熱或退火處理而形成。
非晶層27和32用于釋放應(yīng)力，否則，由于襯底和隨后生長的層之間晶格常數(shù)(在表面平面中測量的晶胞中原子之間的距離)的不同，這些應(yīng)力會留存在單晶適應(yīng)緩沖層和單晶蓋帽層26中。減小這些層之間的應(yīng)力有助于限制非晶適應(yīng)緩沖和層26之間界面處的位錯。這樣，形成非晶層27和32提供了更適合于隨后單晶膜生長的襯底。
根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，蓋帽層26用作層27和32形成過程中的退火蓋帽，還用作隨后單晶層形成的模板。因此，層26優(yōu)選地需要足夠厚以提供后繼層生長(至少一個單層)所需的合適模板，而且要足夠薄以使層26是基本沒有缺陷的單晶材料。此外，層32和26的組合形成偽形層，用于隨后單晶膜的沉積。
圖4以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明又一代表性實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)60的一部分。結(jié)構(gòu)60與圖3的結(jié)構(gòu)50類似，不同之處在于結(jié)構(gòu)60包括一層附加的單晶材料34。根據(jù)本發(fā)明的這一實(shí)施例，層34包括適于形成微電子器件某一部分的材料。例如，層34可包括單晶半導(dǎo)體材料、絕緣材料、導(dǎo)電材料，或它們的組合。如果層34的材料與層26的材料不同，則結(jié)構(gòu)60也可包括一層合適的模板層(未示出)，以便于層34在層26上的外延生長。
層34可包含上述層26的材料。根據(jù)本發(fā)明某一代表性實(shí)施例，層34包括與層26相同的材料，即化合物半導(dǎo)體材料，例如GaAs。
圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)70。結(jié)構(gòu)70與結(jié)構(gòu)60類似，不同之處在于結(jié)構(gòu)70包括一附加緩沖層36。
通常，層36提供蓋帽層26和在緩沖層36上隨后沉積的單晶材料層晶格常數(shù)之間的晶格常數(shù)過渡。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，選擇用于層36的材料，以使層36的晶格常數(shù)可通過改變層36的組分而進(jìn)行改變，這樣，層36的底部與蓋帽層26晶格匹配，而層36的頂部與隨后加上的單晶材料層晶格匹配。
用于緩沖單晶層36的材料可依具體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用而進(jìn)行選擇。例如，層36的單晶材料可包含混合IV族半導(dǎo)體，其中材料的晶格常數(shù)為膜厚的函數(shù)，通過改變膜中組分之比而變化。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，層36包含SixGe1-x(x變化范圍從0-1)，其中在靠近層26表面處Ge的濃度低(即0％)，而在靠近層36頂部處Ge的濃度高(即100％)。在此情形中，層36的下表面與組成蓋帽層26的材料基本晶格匹配，而層36的頂部與層34晶格匹配。這樣，結(jié)構(gòu)70給出了適合于隨后單晶材料(例如化合物半導(dǎo)體材料)生長的襯底，該單晶材料的晶格常數(shù)不同于襯底22和蓋帽層26的材料的晶格常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，層26包含厚度足以用于形成所需器件的單晶材料。在此情形中，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不包括單晶材料層34。
下列非限制性的說明性實(shí)例示出可用于根據(jù)本發(fā)明各種替代實(shí)施例的結(jié)構(gòu)20、40、50、60、70中的材料的各種組合。這些實(shí)例只是說明性的，并非要將本發(fā)明限制于這些說明性實(shí)例。
實(shí)例1根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，如圖1所示，單晶襯底22為偏向
方向至多6°——優(yōu)選地，大約4°——的(100)硅襯底。該硅襯底可以是，例如，常用于制作互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路的、直徑大約200-300mm的硅襯底。根據(jù)本發(fā)明的這一實(shí)施例，適應(yīng)緩沖層24為SrzBa1-zTiO3單晶層，其中z從0至1.選擇z的值以得到基本匹配于隨后形成的層26的相應(yīng)晶格常數(shù)的一種或多種晶格常數(shù)。適應(yīng)緩沖層的厚度可為大約0.5至大約100納米(nm)，優(yōu)選地，為大約2.0-3.5nm。通常，需要適應(yīng)緩沖層的厚度足夠厚，能使化合物半導(dǎo)體層和襯底互相絕緣開來，以得到所需的電學(xué)和光學(xué)特性；緩沖層的厚度還要足夠薄，以匹配下層襯底，使缺陷相對較少。
根據(jù)本發(fā)明這一實(shí)施例，單晶材料層26為砷化鎵(GaAs)或鋁鎵砷(AlGaAs)化合物半導(dǎo)體，厚度為大約0.5nm至大約100微米(μm)，優(yōu)選地為大約2.5-3.0nm。為便于砷化鎵或鋁鎵砷在單晶氧化物上的外延生長，形成模板層蓋在氧化物層上。模板層優(yōu)選地為1-10個單層的Ti-As、Sr-O-As、Sr-Ga-O，或Sr-Al-O。通過優(yōu)選實(shí)例，1-2個單層的Ti-As或Sr-Ga-O已示出能成功生長GaAs層。
實(shí)例2根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，依然如圖1所示，單晶襯底22為上述硅襯底。適應(yīng)緩沖層為立方或正交的鍶單晶氧化物或鋯酸或鉿酸鋇，厚度為大約2-4nm。所得晶態(tài)氧化物的晶格結(jié)構(gòu)相對于襯底硅晶格結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45度。
由這些鋯酸物或鉿酸物材料形成的適應(yīng)緩沖層適于包含磷化銦(InP)系化合物半導(dǎo)體材料的單晶材料層的生長。在該系中，化合物半導(dǎo)體材料可以是，例如，磷化銦(InP)、銦鎵砷(InGaAs)、鋁銦砷(AlInAs)，或鋁鎵銦砷磷(AlGaInAsP)，厚度為大約1.0nm至10μm。適于該結(jié)構(gòu)的模板為1-10個單層的鋯-砷(Zr-As)、鋯-磷(Zr-P)、鉿-砷(Hf-As)、鉿-磷(Hf-P)、鍶-氧-砷(Sr-O-As)、鍶-氧-磷(Sr-O-P)、鋇-氧-砷(Ba-O-As)、銦-鍶-氧(In-Sr-O)，或鋇-氧-磷(Ba-O-P)，優(yōu)選地為這些材料中某種的1-2個單層。通過實(shí)例，對于鋯酸鋇適應(yīng)緩沖層，表面終止于1-2個單層的鋯，隨后沉積1-2個單層的砷以形成Zr-As模板。然后在模板層上沉積磷化銦系化合物半導(dǎo)體材料的單晶層。所得化合物半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)相對于適應(yīng)緩沖層的經(jīng)各結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45度，與(100)InP的晶格失配小于2.5％，優(yōu)選地小于大約1.0％。
實(shí)例3根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，給出一種結(jié)構(gòu)，它適于包含II-VI材料的單晶材料外延膜在硅襯底上的生長。襯底優(yōu)選地為上述硅晶片。合適的適應(yīng)緩沖層材料為厚約1-100nm——優(yōu)選地為2-4nm——的SrxBa1-xTiO3，其中x從0至1。II-VI化合物半導(dǎo)體材料可以是，例如，硒化鋅(ZnSe)或鋅硫硒(ZnSSe)。用于該材料系的合適的模板包括1-10個單層的鋅-氧(Zn-O)加上1-2個單層過量的鋅加上表面上鋅的硒化物。作為選擇，模板可以是，例如，1-10個單層的鍶-硫(Sr-S)加上ZnSeS。
實(shí)例4本發(fā)明的這一實(shí)例是示于圖2中的結(jié)構(gòu)40的一個實(shí)例。襯底22和單晶蓋帽層26可與實(shí)例1中描述的類似。如上所指出的，可通過將結(jié)構(gòu)20進(jìn)行退火或熱處理以使適應(yīng)緩沖層的至少一部分變成非晶態(tài)并形成層27而形成結(jié)構(gòu)40。
根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，通過將結(jié)構(gòu)20在大約700-900℃的溫度下進(jìn)行大約五秒至10分鐘的快速熱退火處理而形成層27。
實(shí)例5這一實(shí)例示出可用于圖4中所示的結(jié)構(gòu)60中的材料。襯底材料22、單晶蓋帽層26以及模板層30可與實(shí)例1中描述的相同。根據(jù)這一實(shí)例，在蓋帽層26上形成附加緩沖層36，在層36上形成一層附加的化合物半導(dǎo)體材料層34。漸變層36——在這種情況下包含半導(dǎo)體材料的又一種單晶材料——可以是，例如，銦鎵砷(InGaAs)或銦鋁砷(InAlAs)的漸變層。根據(jù)這一實(shí)施例的某一方面，漸變層36包括InGaAs，其中銦組分從0變到大約50％。該緩沖層的厚度優(yōu)選地為大約1-30nm。將緩沖層的組分從GaAs變到InGaAs提供了下層單晶適應(yīng)緩沖層材料和上層單晶材料——在這一實(shí)例中為化合物半導(dǎo)體材料——之間的晶格匹配。如果在適應(yīng)緩沖層24和單晶材料層34之間存在晶格失配，則這樣的漸變層尤為有利。
實(shí)例6這一實(shí)例給出可用于圖5所示的結(jié)構(gòu)70中的代表性材料。襯底材料22、模板層30和單晶材料層26可與上述實(shí)例1中的相同。
非晶層32為由適應(yīng)緩沖層材料(例如，上述層24的材料)形成的非晶氧化物層。例如，非晶層32可包括SrzBa1-zTiO3(其中z從0至1)。
層36包含可在蓋帽層26上外延生長的單晶材料。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，層36包含_nm的SixGe1-x，其中x從在層36下表面處的大約一變到層36頂表面附近的大約零。
再看圖1-5，襯底22為單晶襯底，例如單晶硅或砷化鎵襯底。該單晶襯底的晶體結(jié)構(gòu)的特征在于晶格常數(shù)和晶格取向。同樣，適應(yīng)緩沖層24也是單晶材料，該單晶材料的晶格的特征在于晶格常數(shù)和晶體取向。適應(yīng)緩沖層和單晶襯底的晶格常數(shù)必須基本匹配，或者作為替代，必須是這樣的通過將某種晶體的取向相對于另一晶體的取向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可獲得晶格常數(shù)的基本匹配。在本文中，術(shù)語“基本等于”和“基本匹配”指的是晶格常數(shù)之間存在足夠的相似性以允許在下層上生長高質(zhì)量晶體層。
圖6以曲線示出所生長的高晶體質(zhì)量晶體層所能獲得的厚度與主晶體和生長晶體之間晶格常數(shù)失配之間的函數(shù)關(guān)系。曲線42示出高晶體質(zhì)量材料的邊界。在曲線42右邊的區(qū)域代表具有大量缺陷的層。如果沒有晶格失配，那么理論上有可能在主晶體上生長無限厚的高質(zhì)量外延層。隨著晶格常數(shù)中失配的增大，可獲得高質(zhì)量晶體層的厚度迅速降低。作為參考點(diǎn)，例如，如果主晶體和生長層之間晶格常數(shù)的失配超過大約2％，則無法獲得超過20nm的單晶外延層。
根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，襯底22為偏向
方向至多大約6°——優(yōu)選地大約4°——的單晶硅晶片，而適應(yīng)緩沖層24為一層鈦酸鍶鋇。這兩種材料之間晶格常數(shù)的基本匹配是通過將鈦酸鹽材料的晶體取向相對硅襯底晶片的晶體取向旋轉(zhuǎn)45°來獲得的。
還是參看圖1-5，層26為外延生長的單晶材料，該晶體材料的特征同樣在于晶格常數(shù)和晶體取向。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，層26的晶格常數(shù)與襯底22的晶格常數(shù)不同。為獲得該外延生長單晶層中的高晶體質(zhì)量，適應(yīng)緩沖層必須具有高晶體質(zhì)量。另外，為獲得層26中的高晶體質(zhì)量，需要主晶體——在此情形中為單晶適應(yīng)緩沖層——和生長晶體的晶格常數(shù)之間的基本匹配。通過選擇合適的材料，由相對主晶體的取向旋轉(zhuǎn)生長晶體的晶體取向而獲得了晶格常數(shù)的基本匹配。例如，如果生長晶體為砷化鎵、鋁鎵砷、硒化鋅或鋅硫硒而適應(yīng)緩沖層為單晶SrxBa1-xTiO3，則可獲得這兩種材料之間晶格常數(shù)的基本匹配，其中生長層的晶體取向相對主單晶氧化物的取向旋轉(zhuǎn)了45°。類似地，如果主材料為鍶或鋇的鋯酸鹽或鍶或鋇的鉿酸鹽或氧化鋇錫，而化合物半導(dǎo)體層為磷化銦或鎵銦砷或鋁銦砷，則可通過將生長晶體層的取向相對主氧化物晶體旋轉(zhuǎn)45°而獲得晶格常數(shù)的基本匹配。在某些情形中，可使用主氧化物和生長單晶材料層之間的晶態(tài)半導(dǎo)體緩沖層來減小生長單晶材料層中由于晶格常數(shù)的細(xì)小差別而導(dǎo)致的應(yīng)力。從而可獲得生長單晶材料層中更好的晶體質(zhì)量。
下面的實(shí)例示出根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例的工藝，用于制造像圖1-5中繪出的結(jié)構(gòu)那樣的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該工藝首先給出包含硅或鍺的單晶半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，半導(dǎo)體襯底為偏向
方向大約4°的(100)硅晶片。半導(dǎo)體襯底的至少一部分具有裸露表面，盡管半導(dǎo)體襯底的其它部分如下述那樣可包括其它結(jié)構(gòu)。本文中術(shù)語“裸露”指的是襯底上被清洗了以去除任何氧化物、污染和其它雜質(zhì)材料的部分中的表面。眾所周知，裸露的硅是具有高度活性的，很容易形成自然氧化物。術(shù)語“裸露”是要包括這樣的自然氧化物。也可故意在半導(dǎo)體襯底上生長薄的氧化硅，盡管這樣生長的氧化物對根據(jù)本發(fā)明的工藝來說不是必要的。為了在單晶襯底上外延生長單晶氧化物層，首先必須除去自然氧化物層以暴露下層襯底的晶體結(jié)構(gòu)。下面的工藝優(yōu)選地通過分子束外延(MBE)來進(jìn)行，盡管根據(jù)本發(fā)明還可使用其它外延工藝。首先通過在MBE設(shè)備中熱沉積一薄層鍶、鋇、鍶鋇的組合，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，將襯底加熱至大約850℃以使鍶與自然氧化物層反應(yīng)。鍶用于減少氧化硅以留下無氧化硅的表面。所得表面——它呈現(xiàn)有序2×1結(jié)構(gòu)——包括鍶、氧和硅。有序2×1結(jié)構(gòu)形成用于單晶適應(yīng)緩沖材料的上覆蓋層的有序生長的模板。模板提供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)施例，可轉(zhuǎn)換自然氧化硅，襯底表面可進(jìn)行如下處理以用于單晶氧化物層的生長在低溫下利用MBE向襯底表面沉積堿土金屬氧化物，例如氧化鍶、氧化鍶鋇或氧化鋇；然后將該結(jié)構(gòu)加熱至大約850℃。在此溫度下，在氧化鍶和自然氧化硅之間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，使自然氧化硅減少，在表面上留下有序的鍶、氧和硅的2×1結(jié)構(gòu)。再一次，鍺形成了用于隨后有序單晶適應(yīng)緩沖層的生長的模板。
在從襯底表面除去氧化硅之后，根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，將襯底冷卻至大約200-800℃，然后利用分子束外延在模板層上生長一層鈦酸鍶。MBE過程開始于開啟MBE設(shè)備中的快門以暴露鍶、鈦和氧源。鍶和鈦的比例大約為1∶1。氧的分壓設(shè)為最小值或設(shè)在最小值附近，以在大約0.3-0.5nm每分鐘的生長速率下生長化學(xué)計量比的鈦酸鍶。鈦酸鍶生長為有序單晶，晶體取向相對于下層襯底的有序2×1晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45°。
在鈦酸鍶層生長到所需厚度之后，形成有助于隨后所需單晶材料外延層的生長的模板層。例如，對于隨后砷化鎵單晶化合物半導(dǎo)體材料層的生長，可通過用1-2個單層的鈦、1-2個單層的鍶、1-2個單層的鈦-氧或1-2個單層的鍶-氧終止生長來完成鈦酸鍶單晶層的MBE生長。在形成該層之后，沉積砷以形成Ti-As鍵、Ti-O-As鍵或Sr-O-As。它們都可形成用于砷化鎵單晶層的沉積和形成的合適模板。在形成模板之后，加入鎵與砷反應(yīng)，形成砷化鎵。作為選擇，可在模板層上沉積鎵以形成Sr-O-Ga鍵，然后加入砷與鎵反應(yīng)形成GaAs。
一旦形成了GaAs層，將該結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火或熱處理，該處理應(yīng)足以使層24的至少一部分變成非晶態(tài)的，如圖2所示，或?qū)?4的全部都變成非晶態(tài)的，如圖3所示。
圖5所示的結(jié)構(gòu)可通過上述工藝來形成，只要加上附加緩沖層36和層34的沉積步驟。在沉積單晶材料層34之前，在層26上形成緩沖層。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，層26包含Si，層36包含SiGe，而層34包含GaAs。
如果緩沖層為包含化合物半導(dǎo)體超晶格的單晶材料，則這樣的超晶格可利用，例如，MBE來沉積在上述模板上。如果緩沖層為包含一層鍺的單晶材料層，則調(diào)整上述工藝以用最終的一層鍶或鈦覆蓋鈦酸鍶單晶層，然后沉積鍺使其與鍶或鈦反應(yīng)。然后可在該模板上直接沉積鍺緩沖層。
根據(jù)這一實(shí)施例某一方面，通過將襯底22、適應(yīng)緩沖層和單晶層26進(jìn)行峰值溫度為大約700℃、時間大約為5秒至大約10分鐘的快速熱退火處理以形成層27。然而，根據(jù)本發(fā)明，還可采用其它合適的退火處理以將適應(yīng)緩沖層轉(zhuǎn)換成非晶層。例如，可使用激光退火、電子束退火、放射退火或“傳統(tǒng)的”熱退火處理(在合適的環(huán)境中)來形成層27。當(dāng)使用傳統(tǒng)的熱退火來形成層27時，可能需要層26的一種或多種成分的過剩壓力以防止層26在退火處理過程中退化。例如，當(dāng)層26包括GaAs時，退火環(huán)境優(yōu)選地包括砷的過剩壓力以減輕層26的退化。
上述工藝示出了用于通過分子束外延工藝形成包括硅襯底、上層氧化物層和包含砷化鎵化合物半導(dǎo)體材料單晶材料層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝。該工藝還可通過化學(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)等工藝來進(jìn)行。此外，通過類似的工藝，還可生長其它單晶適應(yīng)緩沖層，例如堿土金屬鈦酸鹽、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。此外，通過類似工藝，例如MBE，可在單晶氧化物適應(yīng)緩沖層上沉積包含其它III-V和II-VI單晶化合物半導(dǎo)體、半導(dǎo)體、金屬和其它材料的其它單晶材料層。
各種單晶材料層和單晶氧化物適應(yīng)緩沖層中每種都使用一種合適的模板以開始該單晶材料層的生長。例如，如果適應(yīng)緩沖層為堿土金屬鋯酸鹽，則在氧化物頂上可覆蓋一薄層鋯。沉積鋯之后可沉積砷或磷與鋯反應(yīng)作為前置體以分別沉積銦鎵砷、銦鋁砷或磷化銦。類似地，如果單晶氧化物適應(yīng)緩沖層為堿土金屬鉿酸鹽，則在氧化物層頂上可覆蓋一薄層鉿。沉積鉿之后可沉積砷或磷與鉿反應(yīng)以分別作為銦鎵砷、銦鋁砷或磷化銦層的生長的前置體。以類似的方式，可在鈦酸鍶上覆蓋一層鍶或鍶和氧，而在鈦酸鋇上可覆蓋一層鋇或鋇和氧。這些沉積之后，都可沉積砷或磷與頂端材料反應(yīng)以形成用于包含化合物半導(dǎo)體——例如銦鎵砷、銦鋁砷或磷化銦——的單晶材料層的沉積的模板。
在圖7A-7D中以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的形成。與前面參照圖1-5描述的實(shí)施例類似，本發(fā)明這一實(shí)施例包括利用單晶層的外延生長形成合適襯底的工藝，例如前面參照圖1描述的適應(yīng)緩沖層24的形成和模板層30的形成。然而，圖7A-7D中所示的實(shí)施例利用了包括促進(jìn)逐層單晶材料生長的表面活化劑的模板。
現(xiàn)在看圖7A，在襯底52上利用上述方法形成適應(yīng)緩沖層54，它優(yōu)選地為單晶氧化物層。層54優(yōu)選地為單晶氧化物層，例如SrzBa1-zTiO3的單晶層，其中z從0至1。然而，層54還可包含前面參照圖1中的層24描述的任何化合物。
層54生長具有鍶終止表面，在圖7A中用陰影線55表示，然后加上模板層58，它包括表面活化層61和終止層63，如圖7B和7C所示。表面活化層61可包含，但不局限于，像Al、In和Ga這樣的元素，取決于層54和單晶材料覆蓋層的組分以得到最佳結(jié)果。在某一代表性實(shí)施例中，用鋁作為表面活化層61，用于調(diào)整層54的表面和表面能。優(yōu)選地，如圖7B所示那樣利用MBE在層54上外延生長表面活化層61至一至兩個單層的厚度，盡管還可使用其它工藝，像CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等。
然后將表面活化層61暴露于像砷這樣的鹵素中以便，例如，形成圖7C所示那樣的終止層63。表面活化層61可暴露于多種材料中以產(chǎn)生終止層63，例如包括，但不局限于，As、P、Sb和N的元素。表面活化層61和終止層63組合形成模板層58。
然后通過MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等沉積單晶材料層66——在這一實(shí)例中為像GaAs這樣的化合物半導(dǎo)體——以形成圖7D所示的最終結(jié)構(gòu)。一旦形成了GaAs層，就可將該結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱或退火處理以使層54的一部分變成非晶態(tài)的或?qū)?4的全部變成非晶態(tài)的。然后，可在層66上沉積隨后的單晶材料層。
圖8A-8D示出了根據(jù)圖7A-7D中所示的本發(fā)明的實(shí)施例形成的化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個特定實(shí)例的可能的分子鍵結(jié)構(gòu)。更特定地，圖8A-8D示出利用含有表面活化劑的模板(層60)在鈦酸鍶單晶氧化物(層54)的鍶終止表面上GaAs(層66)的生長。
單晶材料層66——例如GaAs——在襯底52上的適應(yīng)緩沖層54——例如氧化鍶鈦——上的生長的臨界厚度為大約1000埃，之后，由于表面能的涉入，發(fā)生二維(2D)和三維(3D)生長轉(zhuǎn)變。為了保持真實(shí)的逐層生長(Frand Van der Mere生長)，必須滿足下面關(guān)系δSTO＞(δSubstrate+δGaAs)其中單晶氧化物層54的表面能必須大于襯底52的表面能和GaAs層66的表面能之和。由于在沒有表面活化劑的情況下實(shí)際上不可能滿足這一方程式，所以必須使用上面參照圖7B-7D描述的含有表面活化劑的模板，以提高單晶氧化物層54的表面能，同時使模板的晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榕c最初的GaAs層相適應(yīng)的類金剛石結(jié)構(gòu)。
圖8A示出鈦酸鍶單晶氧化物層的鍶終止表面的分子鍵結(jié)構(gòu)。在鍶終止表面上沉積鋁表面活化層，與該表面鍵合，如圖8B所示，反應(yīng)形成包含Al2Sr單層的終止層，Al2Sr單層具有圖8B所示的分子鍵結(jié)構(gòu)，形成與化合物半導(dǎo)體——例如GaAs——相適應(yīng)的具有sp3雜化終止表面的類金剛石結(jié)構(gòu)。然后將該結(jié)構(gòu)暴露于As中以形成一層AlAs，如圖8C所示。然后沉積GaAs以完成圖8D所示的分子鍵結(jié)構(gòu)，這通過2D生長來得到。GaAs可生長至任意厚度，以形成其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件或集成電路。優(yōu)選地使用堿土金屬——例如IIA族中的那些元素——來形成單晶氧化物層24的終止表面，因?yàn)樗鼈兡軌蚺c鋁形成所需的分子結(jié)構(gòu)。
在這一實(shí)施例中，含有表面活化劑的模板層輔助形成適于各種材料層——包括由III-V族化合物構(gòu)成的材料層——單片集成的襯底，以形成高質(zhì)量半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路。例如，可將含有表面活化劑的模板用于單晶材料層——例如包含鍺的層——的單片集成以，例如，形成高效率光電池。
圖9-11以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例的形成。這一實(shí)施例包括一層用作使用籠形或Zintl型鍵聯(lián)的過渡層的柔順層。更特定地，這一實(shí)施例利用金屬間模板層來減小材料層之間界面的表面能，從而實(shí)現(xiàn)二維逐層生長。
圖9所示的結(jié)構(gòu)包括前面參照圖1描述的單晶襯底102和適應(yīng)緩沖層104。在適應(yīng)緩沖層104上沉積模板層130，如圖12所示，它優(yōu)選地包含一薄層由金屬和具有很大離子特性的非金屬材料構(gòu)成的Zintl型相材料。如前述實(shí)施例中那樣，通過MBE、CVD、MOCVD、MEE、ALE、PVD、CSD、PLD等方法沉積模板層130以獲得大約1個單層的厚度。模板層130用作具有不定向鍵聯(lián)和高結(jié)晶性的“軟”層，吸收晶格失配的層之間產(chǎn)生的應(yīng)力。用于模板130的材料可包括，但不局限于，含有Si、Ga、In和Sb的材料，例如，AlSr2、(MgCaYb)Ga2、(Ca，Sr，Eu，Yb)In2、BaGe2As，以及SrSn2As2。
在模板層130上外延生長單晶材料層126以獲得圖11所示的最終結(jié)構(gòu)。作為特定實(shí)例，SrAl2層可用作模板層130，在SrAl2上生長合適的單晶材料層126，例如化合物半導(dǎo)體材料GaAs。Al-Ti(來自適應(yīng)緩沖層SrzBa1-zTiO3，其中z從0至1)鍵主要為金屬性的，而Al-As(來自GaAs層)鍵為弱共價性的。Sr參與兩種截然不同的鍵聯(lián)，其部分電荷交給包含SrzBa1-zTiO3的下適應(yīng)緩沖層104中的氧原子以參與離子鍵合，而其價電荷的其它部分以通常與Zintl相材料進(jìn)行的方式給予Al。轉(zhuǎn)移電荷的總量取決于組成模板層的元素的相對負(fù)電性和原子間距離。在這一實(shí)施例中，假設(shè)Al為sp3雜化，可容易地與單晶材料層126——在這一實(shí)施例中，它包含化合物半導(dǎo)體材料GaAs——形成鍵。
使用用于這一實(shí)施例中的Zintl型模板層生產(chǎn)的柔順襯底可吸收大量應(yīng)力而不會有顯著的能量消耗。在上面的實(shí)例中，通過改變SrAl2層的體積來調(diào)節(jié)Al的鍵強(qiáng)度，從而使器件可協(xié)調(diào)使用于特定應(yīng)用，包括III-V和Si器件的單片集成以及用于CMOS技術(shù)的高k介電材料的單片集成。
圖12以剖面圖示意性示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)140。器件結(jié)構(gòu)140包括單晶半導(dǎo)體襯底142，優(yōu)選地為單晶硅晶片。單晶半導(dǎo)體襯底142包括兩個區(qū)域，143和144。至少在區(qū)域143的一部分中形成電學(xué)半導(dǎo)體元件，通常以虛線146表示。電學(xué)元件146可以是電阻、電容、有源半導(dǎo)體元件——例如二極管或晶體管，或者集成電路——例如CMOS集成電路。例如，電學(xué)半導(dǎo)體元件146可以是進(jìn)行數(shù)字信號處理或其它硅集成電路很適合的功能的CMOS集成電路。區(qū)域143中的電學(xué)半導(dǎo)體元件可通過傳統(tǒng)的在半導(dǎo)體工藝中眾所周知且應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體工藝來形成?？稍陔妼W(xué)半導(dǎo)體元件146上覆蓋一層絕緣材料148，例如一層二氧化硅等。
從區(qū)域144的表面上除去絕緣材料148以及任何其它在半導(dǎo)體元件146制造過程中在區(qū)域143中可能形成或沉積的層以在該區(qū)域中提供裸露硅表面。眾所周知，裸露硅表面是具有高度活性的，在該裸露表面上會很快形成自然氧化硅層。在區(qū)域144表面上的自然氧化物層上沉積一層鋇或鋇和氧于氧化表面反應(yīng)以形成第一模板層(未示出)。根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，通過分子束外延工藝在模板層上形成單晶氧化物層。在模板層上沉積包括鋇、鈦和氧的反應(yīng)物以形成單晶氧化物層。在沉積過程中，氧的分壓保持在于鋇和鈦完全反應(yīng)形成單晶鈦酸鋇層所必須的最小量附近。
根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例，沉積單晶氧化物層的步驟終止于沉積層150，層150可以是1-10個單層的鈦、鋇、鍶、鋇和氧、鈦和氧，和鍶和氧。然后通過分子束外延工藝在第二模板層上沉積單晶半導(dǎo)體材料的蓋帽層152。
根據(jù)本實(shí)施例的某一方面，在形成層152之后，將單晶鈦酸鹽層進(jìn)行退火處理，從而鈦酸鹽層形成非晶氧化物層154。然后利用上面結(jié)合圖4的層34描述的技術(shù)在層152上外延生長單晶材料層156。
根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，至少在區(qū)域156的一部分中形成半導(dǎo)體元件，通常以虛線160表示?？赏ㄟ^制造砷化鎵或其它III-V化合物半導(dǎo)體材料器件所常用的工藝步驟來形成半導(dǎo)體元件160。半導(dǎo)體元件160可以是任何有源或無源元件，優(yōu)選地為半導(dǎo)體激光器、電磁輻射(例如，光——紅外至紫外輻射)發(fā)射器件、電子輻射探測器——例如光電探測器、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、高頻MESFET，或另一利用或運(yùn)用化合物半導(dǎo)體材料的物理特性的元件?？尚纬山饘賹?dǎo)體——用線162示意性示出——來電連接器件146和160，從而實(shí)現(xiàn)了包括至少一個形成在硅襯底中的元件和一個形成在單晶材料層中的器件的集成器件。盡管描述了說明性結(jié)構(gòu)140作為形成在硅襯底142上且具有鈦酸鋇(或鍶)層和砷化鎵層156的結(jié)構(gòu)，還可使用其它單晶襯底、氧化物層和在本公開其它地方描述的其它單晶材料層制造類似的器件。
明顯地，那些特定描述的具有化合物半導(dǎo)體部分和IV族半導(dǎo)體部分的結(jié)構(gòu)是要說明本發(fā)明的實(shí)施例而不是限制本發(fā)明。本發(fā)明還有許多其它組合和其它實(shí)施例。例如，本發(fā)明包括用于制造材料層的結(jié)構(gòu)和方法，形成包括其它層——例如金屬層——的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路。更特定地，本發(fā)明包括用于形成用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件和集成電路的柔順襯底和適于制造這些結(jié)構(gòu)、器件和集成電路的材料層的結(jié)構(gòu)和方法。通過使用本發(fā)明的實(shí)施例，更容易將包括包含半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體材料的單晶層以及用于形成那些器件的其它材料層的器件與其它用半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體材料來形成工作得更好或更容易且/或更便宜形成的元件進(jìn)行集成。這使得器件縮小、制造成本降低、產(chǎn)量和可靠性增加。
根據(jù)本發(fā)明某一實(shí)施例，在形成單晶材料層中可使用單晶半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體晶片。這樣，該晶片基本是在晶片上的單晶層中制造半導(dǎo)體電學(xué)元件的過程中所用的“處理”晶片。因此，可以在直徑至少大約200毫米也可能至少大約300毫米的晶片上的半導(dǎo)體材料中形成電學(xué)元件。
通過使用這種類型的襯底，相對便宜的“處理”晶片克服了化合物半導(dǎo)體和其它單晶材料晶片的易碎性質(zhì)，這是通過將它們置于相對更堅(jiān)固且容易制造的基底材料上而獲得的。因此，可形成集成電路，從而所有電學(xué)元件，尤其是所有有源電子器件，都可在單晶材料層中或使用該單晶材料層來形成，即使襯底本身包括單晶半導(dǎo)體材料。化合物半導(dǎo)體器件和其它使用非硅單晶材料的器件的制造成本應(yīng)當(dāng)降低，因?yàn)榕c相對更小和更易碎的襯底(例如，傳統(tǒng)的化合物半導(dǎo)體晶片)相比，可以更經(jīng)濟(jì)且更容易地處理更大的襯底。
在前述說明書中，參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明。然而，熟練的技術(shù)人員能夠理解，只要不超出下面權(quán)利要求中提出的本發(fā)明的范圍，各種調(diào)整和改變都是可行的。因此，說明書和附圖應(yīng)當(dāng)看作說明性的，而不是限制性的，所有這樣的調(diào)整都應(yīng)歸于本發(fā)明的范圍中。
上面關(guān)于特定實(shí)施例描述了好處、其它優(yōu)點(diǎn)和問題的解決方案。然而，這些好處、優(yōu)點(diǎn)和問題的解決方案以及任何可使任何好處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案發(fā)生或變得更顯著的元素都不應(yīng)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元素。此處，術(shù)語“包含”、“由…構(gòu)成”或其任何變體應(yīng)是非排外的，這樣包含一列元素的工藝、方法、環(huán)節(jié)或設(shè)備并不僅包括那些元素，而可包括其它沒有特意列出的或?qū)τ谶@種工藝、方法、環(huán)節(jié)或設(shè)備來說是固有的元素。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含單疇單晶襯底；適應(yīng)緩沖層，形成在襯底上；以及單晶蓋帽層，形成在適應(yīng)緩沖層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中適應(yīng)緩沖層為單晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中適應(yīng)緩沖層包括非晶區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中適應(yīng)緩沖層為非晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含一層形成在蓋帽層上的單晶材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含形成在適應(yīng)緩沖層和蓋帽層之間的模板層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含襯底和適應(yīng)緩沖層之間的模板層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中適應(yīng)緩沖層包含單晶氧化物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中適應(yīng)緩沖層包含單晶氮化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中適應(yīng)緩沖層包含SrxBa1-xTiO3，其中x從0至1。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中襯底包含(100)硅，其表面具有沿
方向大約4°偏軸的晶向。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中蓋帽層包含砷化鎵。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含蓋帽層之上的緩沖層。
14.一種微電子器件，使用權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)形成。
15.制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝，包含下列步驟給出單疇單晶襯底；在襯底上外延生長單晶適應(yīng)緩沖層；以及在適應(yīng)緩沖層上外延生長蓋帽層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的工藝，進(jìn)一步包含以下步驟將適應(yīng)緩沖層退火以使緩沖層從單晶變成至少部分非晶。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的工藝，其中退火步驟包含快速熱退火步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的工藝，其中快速熱退火步驟包含在大約700℃至大約800℃之間的快速熱退火。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的工藝，進(jìn)一步包含在襯底上形成模板的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的工藝，進(jìn)一步包含在適應(yīng)緩沖層上形成模板的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的工藝，進(jìn)一步包含在蓋帽層上形成附加單晶層的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的工藝，進(jìn)一步包含使用附加單晶層形成微電子元件的步驟。
23.根據(jù)權(quán)利要求15的工藝，進(jìn)一步包含使用襯底形成微電子元件的步驟。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的工藝，進(jìn)一步包含形成緩沖層覆蓋蓋帽層。
25.一種微電子器件，根據(jù)權(quán)利要求15的方法形成。
26.半導(dǎo)體器件，包含單疇硅襯底；第一部分，該第一部分包括使用單疇硅襯底形成的微電子元件；以及第二部分，該第二部分包括形成在單疇硅襯底上的單晶膜，具有使用該單晶膜形成的微電子元件。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包含插入單疇硅襯底和單晶膜之間的適應(yīng)緩沖層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的半導(dǎo)體器件，其中適應(yīng)緩沖層的至少一部分為非晶。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的半導(dǎo)體器件，其中適應(yīng)緩沖層為單晶。
全文摘要
通過形成柔順襯底來生長單晶層(34)，可以在單晶襯底(22)—例如大硅片—上生長單晶材料的高質(zhì)量外延層(34)。形成柔順襯底的一個方法包括首先在硅片(22)上生長適應(yīng)緩沖層(24)，在緩沖層(24)上生長材料的薄單晶層(26)，并將緩沖層(24)進(jìn)行退火處理以形成覆蓋有單晶材料(26)的非晶層(32)。適應(yīng)緩沖層(24)與下層硅片(22)和上層單晶材料層(26)都晶格匹配。另外，柔順襯底的形成可包括利用表面活化劑增強(qiáng)外延、單晶氧化物上單晶硅的外延生長，以及Zintl相材料的外延生長。
文檔編號H01L21/314GK1481578SQ01820833
公開日2004年3月10日 申請日期2001年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月18日
發(fā)明者林迪·L·西爾特, 加瑪爾·蘭姆達(dá)尼, 蘭姆達(dá)尼, 林迪 L 西爾特 申請人:摩托羅拉公司