專利名稱：具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別涉及一種具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，為了獲得高集成度的芯片，采用三維結(jié)構(gòu)是發(fā)展方向之一。例如，具有多層堆疊結(jié)構(gòu)的存儲器芯片是目前高密度存儲技術(shù)的重要技術(shù)趨勢。為了制備多層堆疊的器件結(jié)構(gòu)，方法之一是首先制備多層絕緣介質(zhì)層和多層單晶半導(dǎo)體層交替堆疊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，再在其中的單晶半導(dǎo)體層制備器件。然而，具有多層絕緣介質(zhì)層和多層單晶半導(dǎo)體層交替堆疊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)多年來一直沒有明顯進展。這主要是因為常見的單晶半導(dǎo)體材料與常見的絕緣介質(zhì)材料之間難以形成合適的晶格匹配。形成單晶半導(dǎo)體薄膜的常用方法是外延，為了在絕緣介質(zhì)材料上通過外延生長高質(zhì)量的單晶半導(dǎo)體薄膜，絕緣介質(zhì)材料不但要具有單晶結(jié)構(gòu)，還要與半導(dǎo)體薄膜之間具有良好的晶格匹配。以目前最 常用的單晶硅半導(dǎo)體材料為例，目前熟知的絕緣介質(zhì)材料大多具有無定形結(jié)構(gòu)或者其晶體的晶格常數(shù)與硅差異很大。例如，常見的絕緣介質(zhì)材料如Si02、Si3N4、Hf02、Zr02、Al203等可以形成為單晶，但與硅單晶的晶格常數(shù)相差巨大，在這類單晶介質(zhì)層上外延生長硅薄膜將會產(chǎn)生非常多的缺陷，甚至無法外延生長出單晶硅薄膜，從而導(dǎo)致在這樣的半導(dǎo)體薄膜上制備出來的器件無法使用。另一方面，隨著半導(dǎo)體器件的集成密度的提高，散熱將會是一個嚴峻問題，尤其是三維邏輯器件對散熱的要求非常高，要求填充在器件之間的隔離介質(zhì)的熱導(dǎo)率越大越好，從而可以改善器件尤其是邏輯器件的性能。但是傳統(tǒng)的二氧化硅或者氮氧化硅等絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性能很差，不能滿足高密度半導(dǎo)體邏輯器件的散熱要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是提供一種具有多層絕緣介質(zhì)層和多層單晶半導(dǎo)體層交替堆疊的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，具有較低的晶體缺陷密度和較大的隔離介質(zhì)熱導(dǎo)率，用于制備高性能、高密度的三維半導(dǎo)體器件，同時充分滿足高密度半導(dǎo)體器件的散熱要求。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；和形成在所述半導(dǎo)體襯底上的交替堆疊的多層絕緣氧化物層和多層單晶半導(dǎo)體層，其中，與所述半導(dǎo)體襯底接觸的所述絕緣氧化物層的材料為稀土氧化物或者二氧化硅，其余的所述絕緣氧化物層的材料為單晶稀土氧化物。在本發(fā)明的一個實施例中，所述半導(dǎo)體襯底的材料包括單晶Si、單晶SiGe、單晶Ge。在本發(fā)明的一個實施例中，每層所述絕緣氧化物層的厚度不小于50nm。在本發(fā)明的一個實施例中，所述絕緣氧化物層的材料包括(GdhErx) 203、(GdhNdx)2O^ (EivxNdx)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx)2O3' (Er1^xLax) 203 中的一種或多種的組合，其中X的取值范圍為0-1。稀土元素中，錒(Ac)系元素大部分具有放射性，因此，常用的稀土氧化物以鑭(La)系稀土的氧化物為主。稀土氧化物晶體與常見的半導(dǎo)體材料如Si、Ge、SiGe、GaAs等同為立方晶系，同時,鑭(La)系稀土的氧化物晶體如La203、Pr203、Nd203> Er2O3, Gd2O3等的晶格常數(shù)相差不大，其晶格常數(shù)大約為Si和Ge晶體的兩倍，即一個稀土氧化物晶體單胞正好與兩個Si和Ge晶體的單胞相匹配，即其晶格常數(shù)是基本匹配的，有利于在稀土氧化物上外延形成半導(dǎo)體薄膜，也有利于在半導(dǎo)體薄膜上外延形成稀土氧化物單晶薄膜。在本發(fā)明的一個實施例中，所述單晶半導(dǎo)體層的材料包括Si、Ge、SiGe、III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體中的任意一種或多種的組合。在本發(fā)明的一個實施例中，每層所述單晶半導(dǎo)體層包括一層或多層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，每層所述絕緣氧化物層包括一層或多層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，至少一層所述單晶半導(dǎo)體層的材料與其他所述單晶半導(dǎo)體層不同。 在本發(fā)明的一個實施例中，至少一層所述絕緣氧化物層的材料與其他所述絕緣氧化物層不同。在本發(fā)明的一個實施例中，所述單晶半導(dǎo)體層具有應(yīng)變。在本發(fā)明的一個實施例中，至少一層所述單晶半導(dǎo)體層具有與其他所述單晶半導(dǎo)體層不同的應(yīng)變度。在本發(fā)明的一個實施例中，至少一層所述單晶半導(dǎo)體層具有與其他所述單晶半導(dǎo)體層不同的應(yīng)變類型。在本發(fā)明的一個實施例中，所述半導(dǎo)體襯底的晶面指數(shù)包括(100 )、( 110 )、( 111)。在本發(fā)明的一個實施例中，所述半導(dǎo)體襯底的晶面指數(shù)為(100)，所述單晶半導(dǎo)體層的晶面指數(shù)為(110)。在本發(fā)明的一個實施例中，所述絕緣氧化物層和所述單晶半導(dǎo)體層均通過外延生長形成。根據(jù)本發(fā)明實施例的具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，至少具有以下優(yōu)點(I)本發(fā)明提供一種交替堆疊的多層絕緣氧化物層和多層單晶半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，可以用于制備高密度的三維器件，大幅度提高器件的集成密度，同時也可以實現(xiàn)不同器件的三維集成；(2)通過半導(dǎo)體薄膜和稀土氧化物交替外延，形成交替堆疊的多層絕緣氧化物層和多層單晶半導(dǎo)體層，由于單晶稀土氧化物與單晶半導(dǎo)體的晶格常數(shù)相匹配，故可以顯著降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的晶體缺陷，從而有利于在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上進一步形成高性能的半導(dǎo)體器件；(3)可通過控制稀土氧化物的組分來控制其晶格常數(shù)。例如，La2O3的晶格常數(shù)比Ge的兩倍略大，而Er203、Gd2O3比Si的兩倍略小，Pr203、Nd2O3介于Si和Ge的兩倍之間，通過調(diào)整稀土氧化物中La、Er等稀土元素的含量，可以使其晶格常數(shù)比Si、Ge、SiGe、GaAs等半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)的兩倍略大、略小或者相等，從而可以控制在單晶稀土氧化物上外延的單晶半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)變類型和應(yīng)變度，即可以在稀土氧化物上外延生長形成具有張應(yīng)變或壓應(yīng)變的，且具有不同應(yīng)變度的單晶半導(dǎo)體薄膜；(4)單晶稀土氧化物的熱導(dǎo)率較之傳統(tǒng)的二氧化硅或者氮氧化硅等氧化物高，單晶稀土氧化物的熱導(dǎo)率為熱生長SiO2介質(zhì)的3倍以上，從而可以顯著地改善器件之間的散熱問題，改善器件的性能；(5)盡管稀土氧化物的介電常數(shù)比二氧化硅高，單晶稀土氧化物具有良好的絕緣性能，可以作為兩層半導(dǎo)體器件之間的絕緣介質(zhì)。當作為器件層之間的絕緣介質(zhì)時，可以采用較厚的稀土氧化物層，來消除其高介電常數(shù)的影響；(6)該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備工藝可以采用常見的外延工藝，如金屬有機化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、固相源外延(SSE)、超高真空化學(xué)氣相淀積(UHVCVD)、分子束外延(MBE)等，這些制備工藝與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制備工藝相兼容，簡單易實現(xiàn)，成本低。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明一個實施例的具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為本發(fā)明另一個實施例的具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；和圖3為本發(fā)明另一個實施例的具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。進一步地，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上，“多層”的含義是兩層或兩層以上。圖I所示為本發(fā)明實施例的具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖I所示，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底100 ;和形成在半導(dǎo)體襯底100上的交替堆疊的多層絕緣氧化物層201,202……20x和多層單晶半導(dǎo)體層301,302……30x。其中，與半導(dǎo)體襯底100接觸的絕緣氧化物層201的材料為稀土氧化物或者二氧化硅，其余的絕緣氧化物層202至20x的材料為單晶稀土氧化物。為了后續(xù)形成三維器件結(jié)構(gòu)，提高器件密度器件的集成密度，單晶半導(dǎo)體層為兩層或兩層以上。通過在單晶半導(dǎo)體層上形成單晶稀土氧化物層，由于單晶稀土氧化物與單晶半導(dǎo)體的晶格常數(shù)相匹配，故可以顯著降低該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體缺陷，從而有利于在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上進一步形成高性能的半導(dǎo)體器件。在本發(fā)明實施例中，半導(dǎo)體襯底100的材料包括單晶Si、單晶SiGe、單晶Ge。與半導(dǎo)體襯底100接觸的絕緣氧化物層201的材料可以為單晶或者無定形結(jié)構(gòu)的稀土氧化物或者二氧化硅，從而使半導(dǎo)體襯底100、絕緣氧化物層201和單晶半導(dǎo)體層301形成SOI (絕緣體上半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。絕緣氧化物層202……20x的材料為單晶稀土氧化物。具體地，稀土氧化物包括=(GdhErx)2Op (GdhNdx)2Op (EivxNdx)2O3' (PivxLax)2O3'(ΡινχΝ(1χ)203、(PivxGdx)2Op (Er1^xLax)2O3中的一種或多種的組合，其中x的取值范圍為0_1。稀土元素中，錒(Ac)系元素大部分具有放射性，因此，常用的稀土氧化物以鑭(La)系稀土的氧化物為主。稀土氧化物晶體與常見的半導(dǎo)體材料如Si、Ge、SiGe、GaAs等同為立方晶系，同時，鑭(La)系稀土的氧化物晶體如La203、Pr203、Nd203、Er2O3、Gd2O3等的晶格常數(shù)相差不大，其晶格常數(shù)大約為Si和Ge晶體的兩倍，即一個稀土氧化物晶體單胞正好與兩個Si和Ge晶體的單胞相匹配，即其晶格常數(shù)是基本匹配的，有利于在稀土氧化物上外延形成半導(dǎo)體薄膜，也有利于在半導(dǎo)體薄膜上外延形成稀土氧化物單晶薄膜。需要說明的是，為保證稀土氧化物層的絕緣性能，消除稀土氧化物層具有較高介電常數(shù)的影響，每層絕緣氧化物層厚度不小于50nm，優(yōu)選地，每層絕緣氧化物層厚度不小于500nm。另外，每層絕緣氧化物層可以為單層，也可以為多層結(jié)構(gòu)。各層絕緣氧化物層的材料可以相同，也可以至少其中一層絕緣氧化物層的材料與其他絕緣氧化物層不同。單晶半導(dǎo)體層301、302……30x的材料包括Si、Ge、SiGe、III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體中的任意一種或多種的組合。需要說明的是，每層單晶半導(dǎo)體層可以··為單層，也可以為多層結(jié)構(gòu)，例如Si/SiGe/Si、AlGaAs/InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)。各層單晶半導(dǎo)體層的材料可以相同，也可以至少其中一層單晶半導(dǎo)體層的材料與其他單晶半導(dǎo)體層不同。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，絕緣氧化物層201、202......20x和單晶半導(dǎo)體層301、
302……30x均可以通過外延生長形成，從而可以得到高質(zhì)量低缺陷的氧化物薄膜和半導(dǎo)體薄膜。例如，采用固相外延技術(shù)，以稀土金屬元素和氧氣為反應(yīng)前驅(qū)物，在10_5至10_12Torr的真空度中，在反應(yīng)溫度為600-1200° C下，生長60分鐘，可以得到500nm厚的單晶稀土氧化物薄膜。可選地，絕緣氧化物層201、202……20x和單晶半導(dǎo)體層301、302……30x可以通過常規(guī)的淀積方式形成，例如超高真空化學(xué)氣相淀積(UHVCVD)、金屬有機化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、物理氣相淀積(PVD)以及分子束外延(MBE)等其他生長方法。半導(dǎo)體襯底100的晶面指數(shù)可以是(100)、(110)或者(111)。當絕緣氧化物層具有與半導(dǎo)體襯底100相同的晶面指數(shù)時，例如，半導(dǎo)體襯底100的晶面指數(shù)為(100)，絕緣氧化物層的晶面指數(shù)可以是與之對應(yīng)的(100)，相應(yīng)地，單晶半導(dǎo)體層的晶面指數(shù)也可以是(100)，即單晶半導(dǎo)體層的晶面指數(shù)與半導(dǎo)體襯底100—致。在本發(fā)明的一個實施例中，以(100)晶面的Si為半導(dǎo)體襯底，在其上交替外延具有(100)晶面的稀土氧化物晶體(GdhNdx)2O3和具有(100)晶面的Si單晶半導(dǎo)體層，通過調(diào)整(GdhNdx)2O3中Nd的含量使其晶格常數(shù)是Si的兩倍，以形成高質(zhì)量的絕緣氧化物層和Si單晶半導(dǎo)體層的交替結(jié)構(gòu)，非常適合用于制作三維NAND閃存器件。在本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，由于單晶半導(dǎo)體層與半導(dǎo)體襯底100之間具有絕緣氧化物層作中間過渡，故單晶半導(dǎo)體層的晶面指數(shù)可以與半導(dǎo)體襯底100相同，也可以不同。稀土氧化物中存在有氧鍵，氧鍵可以作為中間鍵，協(xié)調(diào)半導(dǎo)體襯底100與稀土氧化物層的晶面指數(shù)，使得晶面指數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)換。例如，當半導(dǎo)體襯底100的晶面指數(shù)為(100)時，通過氧鍵作為中間鍵的調(diào)整作用，可以發(fā)生晶面再構(gòu)，生長出晶面指數(shù)為(110)的稀土氧化物層，再在(110)晶面的稀土氧化物層外延生長形成(110)晶面的單晶半導(dǎo)體層，由此實現(xiàn)了晶面指數(shù)的轉(zhuǎn)換。例如圖2所示的本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從下至上依次包括半導(dǎo)體襯底100，其材料為晶面指數(shù)(100)的單晶硅；第一絕緣氧化物層201，其材料為晶面指數(shù)為(110)的(PivxLax)2O3 (O彡x彡I)(例如La2O3);第一單晶半導(dǎo)體層301，其材料為晶面指數(shù)(110)的單晶鍺；第二絕緣氧化物層202，其材料為晶面指數(shù)為(110)的(PivxLax)2O3(O彡X彡I)(例如La2O3);以及第二單晶半導(dǎo)體層302，其材料為晶面指數(shù)(110)的單晶鍺。在本發(fā)明的一個實施例中，可以在同一襯底的不同區(qū)域形成具有不同晶面指數(shù)的單晶半導(dǎo)體層以適應(yīng)不同的器件需求。例如，在具有(100)晶面的Si襯底上，可以在一部分區(qū)域交替外延形成具有(100)晶面的稀土氧化物層和具有(100)晶面的Si單晶半導(dǎo)體層交替結(jié)構(gòu)，這部分用于制作NM0SFET器件，另一部分區(qū)域外延形成具有(110)晶面的稀土氧化物層和具有(110)晶面的Si單晶半導(dǎo)體層。由于(110)晶面/〈110〉晶向的Si具有比常見的(100)晶面/〈110〉晶向的Si高出一倍以上的空穴遷移率，可以用于制作PM0SFET器件。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，單晶半導(dǎo)體層可以具有應(yīng)變?？赏ㄟ^控制稀土氧化物層中的稀土元素含量來控制其晶格常數(shù)。例如，La2O3的晶格常數(shù)比Ge的兩倍略大，而Er2O3^Gd2O3比Si的兩倍略小，Pr203、Nd203介于Si和Ge的兩倍之間，通過調(diào)整稀土氧化物中 La, Er等稀土元素的含量，可以使其晶格常數(shù)比Si、Ge、SiGe、GaAs等半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)的兩倍略大、略小或者相等，相應(yīng)地，在稀土氧化物層上生長的半導(dǎo)體晶體薄膜可以為壓應(yīng)變、張應(yīng)變或者無應(yīng)變，從而可以控制在稀土氧化物晶體上外延單晶半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)變類型和應(yīng)變度。具有應(yīng)變的半導(dǎo)體層有益于改善溝道層的遷移率，例如對NM0SFET而言，張應(yīng)變有助于提高電子的遷移率，而對PM0SFET而言，壓應(yīng)變有助于提高空穴的遷移率。進一步地，在一些實施例中，至少一層單晶半導(dǎo)體層具有與其他單晶半導(dǎo)體層不同的應(yīng)變類型，其中張應(yīng)變的單晶半導(dǎo)體層可以用于制備NM0SFET器件，壓應(yīng)變的單晶半導(dǎo)體層可以用于制備PM0SFET器件；以及，在另一些實施例中，至少一層單晶半導(dǎo)體層具有與其他單晶半導(dǎo)體層不同的應(yīng)變度，其中低應(yīng)變的單晶半導(dǎo)體層可以用于制備存儲器件，而高應(yīng)變的單晶半導(dǎo)體層能夠獲得高載流子遷移率，可以用于制備邏輯器件。為更好地說明本發(fā)明在引入具有應(yīng)變的單晶半導(dǎo)體層方面的應(yīng)用，進一步舉例如圖3所示。圖3所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在從下至少依次包括半導(dǎo)體襯底100 ;第一絕緣氧化物層201，第一單晶半導(dǎo)體層301 ;第二絕緣氧化物層202，第二單晶半導(dǎo)體層302 ;頂層鈍化層400。其中半導(dǎo)體襯底100為Si (100)，頂層鈍化層400為Si或者氮化物等，依據(jù)第二單晶半導(dǎo)體層302的材料而定。在一個實施例中，第一絕緣氧化物層201和第二絕緣氧化物層202均為(EivxLax)2O3 (O彡X彡1)，其晶格常數(shù)與襯底100匹配(即為Si晶格常數(shù)的兩倍)，第一單晶半導(dǎo)體層301的材料為應(yīng)變硅碳Sii_yCy (O < y < 1，其中C為替代原子而非間隙原子)，而第二單晶半導(dǎo)體層302的材料為應(yīng)變SipyGey (O ^ y ^ 1)，表層鈍化層400為Si，可以使材料表層具有很好的穩(wěn)定性。該實施例中，由于碳原子半徑比硅小、鍺原子半徑比硅大，則第一單晶半導(dǎo)體層301 (即應(yīng)變Sii_yCy層)具有張應(yīng)變，具有高的電子遷移率，可以用于制備NM0SFET器件，第二單晶半導(dǎo)體層302 (即應(yīng)變SipyGey層)具有壓應(yīng)變，具有高的空穴遷移率，可以用于制備PM0SFET器件，即兩個單晶半導(dǎo)體層具有不同的應(yīng)變類型，分別用于制作不同類型的器件。在另一個實施例中，第一絕緣氧化物層201和第二絕緣氧化物層202均為(EivxLax)2O3 (O彡X彡1)，其晶格常數(shù)與襯底100匹配(即為Si晶格常數(shù)的兩倍)，第一單晶半導(dǎo)體層301的材料為Si，而第二單晶半導(dǎo)體層302的材料為應(yīng)變Sii_yGey(0 ^ I),表層鈍化層400為Si，可以使材料表層具有很好的穩(wěn)定性。該實施例中，由于鍺原子半徑比硅原子大，而第二單晶半導(dǎo)體層302中含有Ge，故第一單晶半導(dǎo)體層301 (Si層)為無應(yīng)變層，第二單晶半導(dǎo)體層302 (應(yīng)變SipyGey層)為壓應(yīng)變層，即兩個單晶半導(dǎo)體層具有不同的應(yīng)變度。其中無應(yīng)變的第一單晶半導(dǎo)體層301 (Si層)可以用于制作NM0SFET器件，而具有壓應(yīng)變的第二單晶半導(dǎo)體層302 (應(yīng)變SipyGey層)可以用于制作PM0SFET器件。再一個實施例中，第一絕緣氧化物層201和第二絕緣氧化物層202均為(EivxLax)2O3，但其中每層中的X值不相同，其中，第一絕緣氧化物層201的La含量低，而第二絕緣氧化物層202的La含量高，使得第一絕緣氧化物層201晶格常數(shù)小于第二絕緣氧化物層202，第一絕緣氧化物層201晶格常數(shù)與Si匹配(即為Si晶格常數(shù)的兩倍)，第二絕緣氧化物層202晶格常數(shù)與Ge匹配(即為Ge晶格常數(shù)的兩倍)，第一單晶半導(dǎo)體層301的材料為弛豫Si，而第二單晶半導(dǎo)體層302的材料為弛豫Ge，表層鈍化層400 為非晶態(tài)的氮化硅，可以使材料表層具有很好的穩(wěn)定性。該實施例中，通過調(diào)整絕緣氧化物層中的稀土元素含量，調(diào)整其晶格常數(shù)，使第一單晶半導(dǎo)體層301和第二單晶半導(dǎo)體層302基本無應(yīng)變，有利于控制單晶半導(dǎo)體層中的應(yīng)變度，獲得高質(zhì)量的單晶半導(dǎo)體層。其中，第二單晶半導(dǎo)體層302 (即Ge層)可以用于制作Ge探測器，第一單晶半導(dǎo)體層301 (即Si層)可以用于制備MOSFET器件以形成控制Ge探測器的電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)Ge探測器和控制電路的三維集成。本發(fā)明提供一種具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，通過形成交替堆疊的多層絕緣氧化物層和多層單晶半導(dǎo)體層，由于單晶稀土氧化物與單晶半導(dǎo)體的晶格常數(shù)相匹配，故可以顯著降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體缺陷，從而有利于在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上進一步形成高性能、高密度的三維半導(dǎo)體器件，大幅度提高器件的集成密度，同時也可以實現(xiàn)不同器件的三維集成。并且，由于單晶稀土氧化物的熱導(dǎo)率較之傳統(tǒng)的二氧化硅或者氮氧化硅等氧化物高，從而顯著地改善器件之間的散熱問題，改善器件的性能。另外，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備工藝可以與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制備工藝相兼容，簡單易實現(xiàn)，成本低。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括 半導(dǎo)體襯底；和 形成在所述半導(dǎo)體襯底上的交替堆疊的多層絕緣氧化物層和多層單晶半導(dǎo)體層，其中，與所述半導(dǎo)體襯底接觸的所述絕緣氧化物層的材料為稀土氧化物或者二氧化硅，其余的所述絕緣氧化物層 的材料為單晶稀土氧化物。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的材料包括單晶Si、單晶SiGe、單晶Ge。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，每層所述絕緣氧化物層的厚度不小于 50nmo
4.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣氧化物層的材料包括(GdhErx)2O3' (GdhNdx)2O3' (EivxNdx)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx)2O3'(Er1^xLax)2O3中的一種或多種的組合，其中x的取值范圍為0_1。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述單晶半導(dǎo)體層的材料包括Si、Ge、SiGe、III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體中的任意一種或多種的組合。
6.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，每層所述單晶半導(dǎo)體層包括一層或多層結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，每層所述絕緣氧化物層包括一層或多層結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一層所述單晶半導(dǎo)體層的材料與其他所述單晶半導(dǎo)體層不同。
9.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一層所述絕緣氧化物層的材料與其他所述絕緣氧化物層不同。
10.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述單晶半導(dǎo)體層具有應(yīng)變。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一層所述單晶半導(dǎo)體層具有與其他所述單晶半導(dǎo)體層不同的應(yīng)變度。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一層所述單晶半導(dǎo)體層具有與其他所述單晶半導(dǎo)體層不同的應(yīng)變類型。
13.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的晶面指數(shù)包括(100),(110),(Ill)0
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的晶面指數(shù)為(100)，所述單晶半導(dǎo)體層的晶面指數(shù)為(110)。
15.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣氧化物層和所述單晶半導(dǎo)體層均通過外延生長形成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；和形成在半導(dǎo)體襯底上的交替堆疊的多層絕緣氧化物層和多層單晶半導(dǎo)體層，其中，與半導(dǎo)體襯底接觸的絕緣氧化物層的材料為稀土氧化物或者二氧化硅，其余的絕緣氧化物層的材料為單晶稀土氧化物。根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，通過絕緣氧化物層和單晶半導(dǎo)體層之間的晶格匹配，可以顯著降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體缺陷，從而有利于在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上進一步形成高性能、高密度的三維半導(dǎo)體器件，大幅度提高器件的集成密度，同時也可以實現(xiàn)不同器件的三維集成。
文檔編號H01L29/24GK102903739SQ20121040176
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者王敬, 梁仁榮, 郭磊, 許軍 申請人:清華大學(xué)