[发明专利]Ge/Si量子环电荷存储器制备方法

说明书

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(MOCVD)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、高压、高速定向脉冲离子体(T≥10⁴K)。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248nm波长的脉冲，作用时间为25ns，激光功率在300mJ/cm²-1.2J/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。

所述的p-硅衬底是指采用3～5Ω·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SiO₂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SiO₂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1.1J/cm²，衬底温度300℃，工作气压10^-6Pa。

所述的二维的Ge量子环结构为：直径1.2-1.4μm，环宽155-158nm；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MOS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0.85～2.5eV。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。

附图说明

图1是本发明脉冲激光沉积原理图；

图2是本发明量子环电镜照片示意图；

图3是本发明Ge量子点的原子含量测定图；

图4是本发明量子环电镜照片放大图；

图5是本发明电压双向扫描条件下C-V特征曲线图。

具体实施方式

实施例1