[发明专利]高取向性硅薄膜形成方法、三维半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及高取向性硅薄膜形成方法、三维半导体器件制造方法及三维 半导体器件，特别涉及适用于制造具有多层结构的三维半导体器件的高取向 性硅薄膜形成方法、使用该高取向性硅薄膜制造三维半导体器件的方法以及 使用上述方法制造的三维半导体器件。

背景技术

随着对半导体器件高集成度需求的增加，具有多个晶体管或存储器层的 三维半导体器件不断得到发展。图1为传统三维半导体器件10的截面视图。 参考图1，三维半导体器件10具有如下结构，即，绝缘层12、14和16以及 硅薄膜层13和15交替地堆叠在硅衬底11上。在硅衬底11和硅薄膜层13 及15的上表面上形成诸如CMOS或存储器的多个薄膜晶体管TR。硅层11、 13及15通过导电插塞(plug)17而相互电连接。

为了制造该三维半导体器件，堆叠在绝缘层12及14上的硅薄膜层13 及15需要具有高的电荷迁移率。因此，需要将硅薄膜层13及15制造成为 几乎接近单晶的高取向性硅薄膜。然而，仍未发展出在绝缘层上外延生长高 取向性硅薄膜的技术。

在现有技术中，为了在绝缘层上制造具有高的电荷迁移率的硅薄膜，已 经采用了下述方法：在绝缘层12及14上形成非晶硅或多晶硅之后通过激光 退火技术将该硅薄膜重结晶形成单晶硅、从导电插塞17沿横向方向生长硅 薄膜、或将单独生长的单晶硅薄膜结合到绝缘层12及14。然而，这些传统 方法在过高的温度下进行，需要较长的加工时间，且制造成本高。另外，无 法完全控制取向并产生晶界。

使用外延方法在γ(伽马)-Al₂O₃层上生长沿<100>方向取向的硅层的技 术已经在Japan Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.831-835中被公开。图2为用于形 成高取向性硅薄膜的传统结构的截面视图。根据上述文献并参考图2，当在 沿<100>方向取向的硅衬底21上形成Al₂O₃层22时，Al₂O₃层22变为沿<100> 方向的γ-Al₂O₃。当在γ-Al₂O₃层22上进一步外延生长硅层23时，硅层23 沿<100>方向取向。如图2所示，可重复地堆叠γ-Al₂O₃层22和24以及(100) 硅层23和25。这之所以可能，因为γ-Al₂O₃晶体和(100)硅晶体之间的晶格 失配仅为2.4至3.5％。

然而，在现有技术中，要求硅衬底21已经沿<100>方向取向。因此，在 图1所示三维半导体器件中难以使用该传统技术在绝缘层上形成硅薄膜。

发明内容

本发明提供了形成高取向性硅薄膜的方法，该方法可以在低温下进行， 与传统半导体制造工艺兼容，并可有效地控制硅薄膜的取向。

本发明还提供了使用高取向性硅薄膜制造三维半导体器件的方法以及 使用上述方法制造的三维半导体器件。

根据本发明的一个方面，提供了形成高取向性硅薄膜的方法，该方法包 含：在衬底上形成沿某一方向取向的高取向性AlN薄膜；通过氧化该高取向 性AlN薄膜而在该AlN薄膜表面上形成高取向性Al₂O₃层；以及在该高取向 性Al₂O₃层上生长硅薄膜。

该衬底可以由选自Si、SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃以及绝缘材料构成的组的至 少一种材料制成。

该高取向性AlN薄膜可以在衬底上沿c轴取向，且优选地，该高取向性 AlN薄膜可以沿<002>方向取向。

可以使用溅射方法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法、物理 气相沉积(PVD)方法、或化学气相沉积(CVD)方法形成该高取向性AlN 薄膜。

可通过在氧气或臭氧气体气氛中热氧化该高取向性AlN薄膜而形成该 高取向性Al₂O₃层。