專利名稱：Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體納電子和光電子集成將是21世紀(jì)新一代半導(dǎo)體器件的核 心，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件基礎(chǔ)。鍺、硅材料發(fā)光一直是光電子集 成研究的重要內(nèi)容，人們期望通過這方面的研究實(shí)現(xiàn)硅光電子集成電 路，以現(xiàn)有成熟的超大規(guī)模集成電路工藝制造廉價(jià)光電子集成器件。 但由于Ge與Si的晶格失配高達(dá)4. 1%，外延生長比較困難，采用分 子束外延(MBE)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)工藝生長，工藝復(fù) 雜， 一般生長速率低、成本昂貴，不適用大批量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方 法，本發(fā)明具有工藝簡單，生長速率高、生產(chǎn)成本低，適用大批量生 產(chǎn)和工業(yè)化使用。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)是將準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的高強(qiáng)度脈沖 激光束聚焦于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生熔融及汽化，產(chǎn)生高溫、高
4壓、高速定向脈沖離子體(T》10410。這些等離子體射向基片后迅速
冷卻，從而形成納米薄膜。它產(chǎn)生248rnn波長的脈沖，作用時(shí)間為
25ns，激光功率在300 mj/cm2-1.2 J/cm2連續(xù)可調(diào)。該套沉積裝置的
主要優(yōu)點(diǎn)是在薄膜沉積過程中，激光能量、重復(fù)頻率、基片溫度、真
空等可采用配套的控制和監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行控制。膜層厚度可通過激光能
量和脈沖數(shù)控制。
一種Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，首先應(yīng)用準(zhǔn)分子激光
器產(chǎn)生的KeF脈沖激光作為激光源在p-硅襯底上熱氧化5nm厚的Si02
層，在600。C高溫下引入Ar作為緩沖氣體，快速退火，激光沉積得
到10nm厚二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜，最后在量子環(huán)上面脈沖激光
濺射10nm厚Si02保護(hù)層并進(jìn)行熱氧化，對Ge量子環(huán)進(jìn)行鈍化，然后
對襯底進(jìn)行切割減薄后，上、下蒸電極，形成歐姆接觸，得到MOS結(jié)
構(gòu)的電荷存儲器。
所述的P-硅襯底是指采用3 5Q.cm的低阻拋光p-Si (100)硅片做
襯底(100指襯底晶面方向)，經(jīng)常規(guī)清洗后，在稀釋后濃度〈5。/。的HF
中浸2 3分鐘，去離子水漂洗后、高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃腩A(yù)處理室，
再進(jìn)行真空脫附處理。
所述的真空脫附處理后，將P-Si襯底送入主沉積室，在室溫下 應(yīng)用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的KeF脈沖激光作為激光源在p-Si襯底上熱 氧化5nm厚的Si02層，再激光沉積10nm厚的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜； 最后在量子環(huán)上面激光覆蓋10nm厚Si02保護(hù)層，通過調(diào)節(jié)激光沉積 Ge量子薄膜時(shí)的生長時(shí)間、激光能量、襯底溫度、工作氣壓等控制 薄膜的表面形貌。所述的生長時(shí)間為5分鐘，激光能量為1. 1 J/cm2，襯底溫度 300°C，工作氣壓l()6pa。
所述的二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)為直徑1.2-1.4 um，環(huán)寬 155-158 nm;具有均勻環(huán)寬、光滑表面的完美納米環(huán)；環(huán)內(nèi)只含有 1. 33% Ge原子，環(huán)中達(dá)到了 63. 21% Ge原子。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明創(chuàng)新性地應(yīng)用脈沖激光沉積的微液
滴(Droplets)技術(shù)成功制備了 Ge量子環(huán)。 一般地，脈沖激光方法 的Droplets技術(shù)只能制備納米晶體、微球和量子環(huán)的混合薄膜，要 制備只含單一的量子環(huán)的薄膜是很困難的。通過優(yōu)化沉積工藝，引入 Ar作為緩沖氣體和快速退火方法，成功制備了不含納米晶體的Ge量 子環(huán)薄膜，Ge量子環(huán)尺寸均勻、單分散，較好地解決了量子環(huán)尺寸 的控制和應(yīng)變的問題。在此基礎(chǔ)上，研究和改進(jìn)了nc-Si量子點(diǎn)的表 面鈍化和異質(zhì)界面特性，制備了 Ge量子點(diǎn)/量子環(huán)M0S結(jié)構(gòu)的電荷存 儲器，其MOS結(jié)構(gòu)的電荷存儲特性的電荷轉(zhuǎn)移特性達(dá)到O. 85 2. 5 eV。
對發(fā)展納米電荷存儲器件是極其重要的。此制備方法工藝簡單，生長 速率高、生產(chǎn)成本低，適用大批量生產(chǎn)和工業(yè)化使用。


圖1是本發(fā)明脈沖激光沉積原理圖2是本發(fā)明量子環(huán)電鏡照片示意圖3是本發(fā)明Ge量子點(diǎn)的原子含量測定圖4是本發(fā)明量子環(huán)電鏡照片放大圖5是本發(fā)明電壓雙向掃描條件下C- Z特征曲線圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
本實(shí)施例所指的一種Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，首先應(yīng) 用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的KeF (氣體)脈沖激光作為激光源在p-硅襯底 上熱氧化5nm厚的Si02層，在600°C高溫下退火，激光沉積得到10nm 厚二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜，最后在量子環(huán)上面脈沖激光濺射 10mn厚Si02保護(hù)層并進(jìn)行熱氧化，對Ge量子環(huán)進(jìn)行鈍化，然后對襯 底進(jìn)行切割減薄后，上、下蒸電極，形成歐姆接觸，得到MOS結(jié)構(gòu)(即 半導(dǎo)體金屬氧化物結(jié)構(gòu))的電荷存儲器。
如圖1所示，圖1為脈沖激光沉積原理框圖；其中P-硅襯底是 指采用3 5Q.cm的低阻拋光P-Si (100)硅片做襯底，經(jīng)常規(guī)清洗后， 在稀釋后濃度<5%的冊中浸2 3分鐘，去離子水漂洗后、高純氮?dú)?吹干后放入預(yù)處理室，進(jìn)行真空脫附處理。預(yù)處理室為進(jìn)樣和取樣通 道(一般處于10—'Pa真空狀態(tài))。真空脫附處理后的p-硅襯底被送入 主沉積室，主沉積室是樣品制備室，在機(jī)械泵、分子泵作用下可達(dá)到 10一7pa超高真空，質(zhì)譜儀用于精確控制、分析主沉積室內(nèi)工作氣體成 分，溫度控制系統(tǒng)用于控制沉積溫度和襯底溫度)；在室溫下應(yīng)用準(zhǔn) 分子激光器產(chǎn)生的KeF脈沖激光作為激光源在p-硅襯底上熱氧化5rnn 厚的Si02層，再激光沉積10nm厚的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜；最后在量 子環(huán)上面激光覆蓋lOnm厚Si02保護(hù)層，控制脈沖激光的能量及脈沖 頻率激光能量1. 1 J/cm2，靶與襯底的距離為8. 0 cm，沉積時(shí)間5分 鐘。生長襯底溫度300。C、工作氣壓10—6pa使激光作用于Ge靶時(shí)，其處于熔融狀態(tài)。則從靶材發(fā)射的等離子體中包含許多Ge微液滴 (droplet)。當(dāng)這些Ge微液滴沉積于Si表面受到?jīng)_擊力、Ge/Si應(yīng) 變力形成島狀分布，在600°C高溫下引入Ar作為緩沖氣體，快速退 火，得到二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2至3所示，圖片上均勻分布了 許多直徑、環(huán)寬、厚度幾乎相等的Ge納米環(huán)，二維Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)為 直徑1. 2-1. 4 u m，環(huán)寬155-158 nm，環(huán)的密度大約為2. 3 X 107 cm'.; 具有均勻環(huán)寬、光滑表面的完美納米環(huán)，顯然，Ge納米環(huán)呈二維平 面結(jié)構(gòu)，其厚度遠(yuǎn)小于其直徑，進(jìn)行原子含量測定，見圖4所示，環(huán) 內(nèi)只含有1. 33% Ge原子，環(huán)中達(dá)到了 63， 21% Ge原子。圖3為放大 的量子環(huán)的電鏡照片，具有近乎完美的圓形形狀，環(huán)表面非常均勻、 平整，沒有任何缺陷和破裂，更沒有雜散粒子。在強(qiáng)激光作用下首先 形成Ge微液滴，這些微液滴在硅襯底上形成半球形島，由于Ge/Si 間存在很大的應(yīng)力，以及熱的橫向擴(kuò)散力作用下，半球島發(fā)生了質(zhì)量 的重新分布，形成了如圖3所示的量子環(huán)。
Ge量子環(huán)電荷存儲器件的電壓雙向掃描條件下C-^特征曲線 圖，見圖5所示。電壓掃描方式從5 V到-8V， 再從-8 V到5 V， 順時(shí)針旋轉(zhuǎn),擦除電壓-5V。在電壓雙向掃描作用下，電壓閾值偏移(電 荷存儲窗口)達(dá)到2.5 V，表明該存儲器具有顯著的電荷存貯效應(yīng)。在 邏輯設(shè)計(jì)上足夠可以定義為1或0。大電壓偏移量與二氧化硅中的陷 阱態(tài)、庫侖阻塞效應(yīng)有關(guān)，最重要的是，與Ge/Si復(fù)合勢壘有關(guān)。與 傳統(tǒng)的浮動?xùn)?FG)存儲器相比，Ge量子環(huán)的阻塞效應(yīng)使納米環(huán)存 儲器件較低的電容耦合，在保證書寫和擦除時(shí)間不變的情況下，表現(xiàn)出更長的電荷保持特性。該存儲器完全達(dá)到非易失性滿足電荷存儲器 件或邏輯電路的要求，為新一代的納米環(huán)電荷存儲器件。
權(quán)利要求
1、一種Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，其特征在于首先應(yīng)用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的KeF脈沖激光作為激光源在p-硅襯底上熱氧化5nm厚的SiO2層，在600℃高溫下引入Ar作為緩沖氣體，快速退火，激光沉積得到10nm厚二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜，最后在量子環(huán)上面脈沖激光濺射10nm厚SiO2保護(hù)層并進(jìn)行熱氧化，對Ge量子環(huán)進(jìn)行鈍化，然后對襯底進(jìn)行切割減薄后，上、下蒸電極，形成歐姆接觸，得到MOS結(jié)構(gòu)的電荷存儲器。
2、 如權(quán)利要求1所述的Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，其 特征在于所述的p-硅襯底是指采用3-5Q.cm的低阻拋光P-Si (100) 硅片做襯底，經(jīng)常規(guī)清洗后，在稀釋后濃度<5%的HF中浸2 3分鐘， 去離子水漂洗后、高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃腩A(yù)處理室，再進(jìn)行真空脫附處 理。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法， 其特征在于所述的真空脫附處理后的P-硅襯底被送入主沉積室， 在室溫下應(yīng)用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的KeF脈沖激光作為激光源在p-硅 襯底上熱氧化5nm厚的Si02層，再激光沉積10nm厚的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu) 的薄膜；最后在量子環(huán)上面激光覆蓋10nm厚Si02保護(hù)層，通過調(diào)節(jié) 激光沉積Ge量子薄膜時(shí)的生長時(shí)間、激光能量、襯底溫度、工作氣壓等控制薄膜的表面形貌。
4、 如權(quán)利要求3所述的Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，其 特征在于所述的生長時(shí)間為5分鐘，激光能量為1. 1 J/cm2，襯底溫度300。C，工作氣壓10，a。
5、如權(quán)利要求1所述的Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，其 特征在于所述的二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)為直徑1.2-1.4 um，環(huán) 寬155-158 nrn;具有均勻環(huán)寬、光滑表面的完美納米環(huán)；環(huán)內(nèi)只含 有1. 33% Ge原子，環(huán)中達(dá)到了 63. 21% Ge原子。
全文摘要
本發(fā)明公開一種Ge/Si量子環(huán)電荷存儲器制備方法，首先應(yīng)用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的KeF脈沖激光作為激光源在p-硅襯底上熱氧化5nm厚的SiO₂層，在600℃高溫下引入Ar作為緩沖氣體，快速退火，激光沉積得到10nm厚二維的Ge量子環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜，最后在量子環(huán)上面脈沖激光濺射10nm厚SiO₂保護(hù)層并進(jìn)行熱氧化，對Ge量子環(huán)進(jìn)行鈍化，然后對襯底進(jìn)行切割減薄后，上、下蒸電極，形成歐姆接觸，得到MOS結(jié)構(gòu)的電荷存儲器。本發(fā)明具有工藝簡單，生長速率高、生產(chǎn)成本低，適用大批量生產(chǎn)和工業(yè)化使用。
文檔編號H01L21/02GK101431014SQ200810163270
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者馬錫英 申請人:紹興文理學(xué)院