专利名称：Ge/Si量子环电荷存储器制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法。
背景技术：
半导体纳电子和光电子集成将是21世纪新一代半导体器件的核 心，也是现代信息技术的硬件基础。锗、硅材料发光一直是光电子集 成研究的重要内容，人们期望通过这方面的研究实现硅光电子集成电 路，以现有成熟的超大规模集成电路工艺制造廉价光电子集成器件。 但由于Ge与Si的晶格失配高达4. 1%，外延生长比较困难，采用分 子束外延(MBE)金属有机化学气相沉积(M0CVD)工艺生长，工艺复 杂， 一般生长速率低、成本昂贵，不适用大批量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方 法，本发明具有工艺简单，生长速率高、生产成本低，适用大批量生 产和工业化使用。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是
脉冲激光沉积技术(PLD)是将准分子激光器产生的高强度脉冲 激光束聚焦于靶材表面，使靶材表面产生熔融及汽化，产生高温、高
4压、高速定向脉冲离子体(T》10410。这些等离子体射向基片后迅速
冷却，从而形成纳米薄膜。它产生248rnn波长的脉冲，作用时间为
25ns，激光功率在300 mj/cm2-1.2 J/cm2连续可调。该套沉积装置的
主要优点是在薄膜沉积过程中，激光能量、重复频率、基片温度、真
空等可采用配套的控制和监控设备进行控制。膜层厚度可通过激光能
量和脉冲数控制。
一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，首先应用准分子激光
器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的Si02
层，在600。C高温下引入Ar作为缓冲气体，快速退火，激光沉积得
到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜，最后在量子环上面脉冲激光
溅射10nm厚Si02保护层并进行热氧化，对Ge量子环进行钝化，然后
对衬底进行切割减薄后，上、下蒸电极，形成欧姆接触，得到MOS结
构的电荷存储器。
所述的P-硅衬底是指采用3 5Q.cm的低阻抛光p-Si (100)硅片做
衬底(100指衬底晶面方向)，经常规清洗后，在稀释后浓度〈5。/。的HF
中浸2 3分钟，去离子水漂洗后、高纯氮气吹干后放入预处理室，
再进行真空脱附处理。
所述的真空脱附处理后，将P-Si衬底送入主沉积室，在室温下 应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-Si衬底上热 氧化5nm厚的Si02层，再激光沉积10nm厚的Ge量子环结构的薄膜； 最后在量子环上面激光覆盖10nm厚Si02保护层，通过调节激光沉积 Ge量子薄膜时的生长时间、激光能量、衬底温度、工作气压等控制 薄膜的表面形貌。所述的生长时间为5分钟，激光能量为1. 1 J/cm2，衬底温度 300°C，工作气压l()6pa。
所述的二维的Ge量子环结构为直径1.2-1.4 um，环宽 155-158 nm;具有均匀环宽、光滑表面的完美纳米环；环内只含有 1. 33% Ge原子，环中达到了 63. 21% Ge原子。
本发明的有益效果为本发明创新性地应用脉冲激光沉积的微液
滴(Droplets)技术成功制备了 Ge量子环。 一般地，脉冲激光方法 的Droplets技术只能制备纳米晶体、微球和量子环的混合薄膜，要 制备只含单一的量子环的薄膜是很困难的。通过优化沉积工艺，引入 Ar作为缓冲气体和快速退火方法，成功制备了不含纳米晶体的Ge量 子环薄膜，Ge量子环尺寸均匀、单分散，较好地解决了量子环尺寸 的控制和应变的问题。在此基础上，研究和改进了nc-Si量子点的表 面钝化和异质界面特性，制备了 Ge量子点/量子环M0S结构的电荷存 储器，其MOS结构的电荷存储特性的电荷转移特性达到O. 85 2. 5 eV。
对发展纳米电荷存储器件是极其重要的。此制备方法工艺简单，生长 速率高、生产成本低，适用大批量生产和工业化使用。
图1是本发明脉冲激光沉积原理图2是本发明量子环电镜照片示意图3是本发明Ge量子点的原子含量测定图4是本发明量子环电镜照片放大图5是本发明电压双向扫描条件下C- Z特征曲线图。
具体实施例方式
实施例1
本实施例所指的一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，首先应 用准分子激光器产生的KeF (气体)脉冲激光作为激光源在p-硅衬底 上热氧化5nm厚的Si02层，在600°C高温下退火，激光沉积得到10nm 厚二维的Ge量子环结构的薄膜，最后在量子环上面脉冲激光溅射 10mn厚Si02保护层并进行热氧化，对Ge量子环进行钝化，然后对衬 底进行切割减薄后，上、下蒸电极，形成欧姆接触，得到MOS结构(即 半导体金属氧化物结构)的电荷存储器。
如图1所示，图1为脉冲激光沉积原理框图；其中P-硅衬底是 指采用3 5Q.cm的低阻抛光P-Si (100)硅片做衬底，经常规清洗后， 在稀释后浓度<5%的冊中浸2 3分钟，去离子水漂洗后、高纯氮气 吹干后放入预处理室，进行真空脱附处理。预处理室为进样和取样通 道(一般处于10—'Pa真空状态)。真空脱附处理后的p-硅衬底被送入 主沉积室，主沉积室是样品制备室，在机械泵、分子泵作用下可达到 10一7pa超高真空，质谱仪用于精确控制、分析主沉积室内工作气体成 分，温度控制系统用于控制沉积温度和衬底温度)；在室温下应用准 分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5rnn 厚的Si02层，再激光沉积10nm厚的Ge量子环结构的薄膜；最后在量 子环上面激光覆盖lOnm厚Si02保护层，控制脉冲激光的能量及脉冲 频率激光能量1. 1 J/cm2，靶与衬底的距离为8. 0 cm，沉积时间5分 钟。生长衬底温度300。C、工作气压10—6pa使激光作用于Ge靶时，其处于熔融状态。则从靶材发射的等离子体中包含许多Ge微液滴 (droplet)。当这些Ge微液滴沉积于Si表面受到冲击力、Ge/Si应 变力形成岛状分布，在600°C高温下引入Ar作为缓冲气体，快速退 火，得到二维的Ge量子环结构，如图2至3所示，图片上均匀分布了 许多直径、环宽、厚度几乎相等的Ge纳米环，二维Ge量子环结构为 直径1. 2-1. 4 u m，环宽155-158 nm，环的密度大约为2. 3 X 107 cm'.; 具有均匀环宽、光滑表面的完美纳米环，显然，Ge纳米环呈二维平 面结构，其厚度远小于其直径，进行原子含量测定，见图4所示，环 内只含有1. 33% Ge原子，环中达到了 63， 21% Ge原子。图3为放大 的量子环的电镜照片，具有近乎完美的圆形形状，环表面非常均匀、 平整，没有任何缺陷和破裂，更没有杂散粒子。在强激光作用下首先 形成Ge微液滴，这些微液滴在硅衬底上形成半球形岛，由于Ge/Si 间存在很大的应力，以及热的横向扩散力作用下，半球岛发生了质量 的重新分布，形成了如图3所示的量子环。
Ge量子环电荷存储器件的电压双向扫描条件下C-^特征曲线 图，见图5所示。电压扫描方式从5 V到-8V， 再从-8 V到5 V， 顺时针旋转,擦除电压-5V。在电压双向扫描作用下，电压阈值偏移(电 荷存储窗口)达到2.5 V，表明该存储器具有显著的电荷存贮效应。在 逻辑设计上足够可以定义为1或0。大电压偏移量与二氧化硅中的陷 阱态、库仑阻塞效应有关，最重要的是，与Ge/Si复合势垒有关。与 传统的浮动栅(FG)存储器相比，Ge量子环的阻塞效应使纳米环存 储器件较低的电容耦合，在保证书写和擦除时间不变的情况下，表现出更长的电荷保持特性。该存储器完全达到非易失性满足电荷存储器 件或逻辑电路的要求，为新一代的纳米环电荷存储器件。
权利要求
1、一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，其特征在于首先应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO2层，在600℃高温下引入Ar作为缓冲气体，快速退火，激光沉积得到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜，最后在量子环上面脉冲激光溅射10nm厚SiO2保护层并进行热氧化，对Ge量子环进行钝化，然后对衬底进行切割减薄后，上、下蒸电极，形成欧姆接触，得到MOS结构的电荷存储器。
2、 如权利要求1所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，其 特征在于所述的p-硅衬底是指采用3-5Q.cm的低阻抛光P-Si (100) 硅片做衬底，经常规清洗后，在稀释后浓度<5%的HF中浸2 3分钟， 去离子水漂洗后、高纯氮气吹干后放入预处理室，再进行真空脱附处 理。
3、 如权利要求1或2所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法， 其特征在于所述的真空脱附处理后的P-硅衬底被送入主沉积室， 在室温下应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅 衬底上热氧化5nm厚的Si02层，再激光沉积10nm厚的Ge量子环结构 的薄膜；最后在量子环上面激光覆盖10nm厚Si02保护层，通过调节 激光沉积Ge量子薄膜时的生长时间、激光能量、衬底温度、工作气压等控制薄膜的表面形貌。
4、 如权利要求3所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，其 特征在于所述的生长时间为5分钟，激光能量为1. 1 J/cm2，衬底温度300。C，工作气压10，a。
5、如权利要求1所述的Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，其 特征在于所述的二维的Ge量子环结构为直径1.2-1.4 um，环 宽155-158 nrn;具有均匀环宽、光滑表面的完美纳米环；环内只含 有1. 33% Ge原子，环中达到了 63. 21% Ge原子。
全文摘要
本发明公开一种Ge/Si量子环电荷存储器制备方法，首先应用准分子激光器产生的KeF脉冲激光作为激光源在p-硅衬底上热氧化5nm厚的SiO<sub>2</sub>层，在600℃高温下引入Ar作为缓冲气体，快速退火，激光沉积得到10nm厚二维的Ge量子环结构的薄膜，最后在量子环上面脉冲激光溅射10nm厚SiO<sub>2</sub>保护层并进行热氧化，对Ge量子环进行钝化，然后对衬底进行切割减薄后，上、下蒸电极，形成欧姆接触，得到MOS结构的电荷存储器。本发明具有工艺简单，生长速率高、生产成本低，适用大批量生产和工业化使用。
文档编号H01L21/02GK101431014SQ200810163270
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者马锡英 申请人:绍兴文理学院