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TWI805620B - 具可調功函數之金屬電極 - Google Patents

具可調功函數之金屬電極 Download PDF

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TWI805620B
TWI805620B TW107133489A TW107133489A TWI805620B TW I805620 B TWI805620 B TW I805620B TW 107133489 A TW107133489 A TW 107133489A TW 107133489 A TW107133489 A TW 107133489A TW I805620 B TWI805620 B TW I805620B
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里蒂斯 達吉斯
理查德 哈蒙德
安德魯 克拉克
羅德尼 佩佐
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英商Ｉｑｅ有限公司
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Abstract

本文公開的結構及方法包含改變磊晶電極材料中的金屬合金層的組成，以實現電極的可調功函數。在一個示例中，使用分層結構實現可調功函數，其中結晶稀土氧化物(REO)層磊晶在基板或半導體上，金屬層在結晶稀土氧化物層上。因此，半導體層依次在金屬層上磊晶生長，在半導體層上具有金屬合金層，透過調整金屬合金中的成分比例來調節金屬層的功函數。

Description

具可調功函數之金屬電極
相關申請案之交互參照： 本申請要求於2017年9月21日提交的美國臨時申請案第62/561,617號的優先權。
上述申請案之全部內容於此併入全文作為參考。
磊晶，磊晶生長及磊晶沉積是指在結晶基板上生長或沉積結晶層。結晶層稱為磊晶層。結晶基板用作為模板並決定結晶層的方向及晶格間距。在一些示例中，結晶層能是晶格匹配的或是晶格重合的。匹配結晶層的晶格能具有與結晶基板的頂表面相同或非常相似的晶格間距。晶格重合結晶層的晶格間距可以是結晶基板的晶格間距的整數倍。磊晶的品質部分則基於結晶層的結晶度。實際上，高質量的磊晶層將是具有最小缺陷及很少或沒有粒界的單晶。傳統上，金屬接觸層在上游製程的某些點處被施加到磊晶結構。由於今天的複雜磊晶結構通常包含多個裝置功能，因此需要在具有大量形態的晶片上進行大量金屬蝕刻及沉積。
金屬及半導體之間的相互作用通常對裝置操作是關鍵的。通常，金屬-半導體接面位障高(barrier height)由金屬功函數及半導體電子親和力定義。 例如，對於n型半導體，q×φ Bn =q(φ m -χ)。並且對於p型半導體，q×φ Bp =E g -q(φ m -χ)，其中，q表示基本電荷(電子電荷)；φ Bn 及φ Bp 分別表示與n型及p型半導體的金屬接面的位障高；φ m 表示金屬功函數；χ表示半導體的電子親和力。傳統上，由單種金屬元素形成的裝置受限於特定金屬的功函數，因此具有固定的金屬-半導體接面位障高，這限制了所形成裝置的適用性。
本文公開的結構及方法包含改變磊晶電極材料中的金屬合金的成分以實現電極的可調功函數。用於具有可調功函數的集成電極的分層結構包含由第一金屬元素組成的第一金屬層、在第一金屬層上的第一半導體層、在第一半導體層上的第一稀土氧化物層、第一稀土氧化物層上的第一金屬合金層及第一金屬合金層上的第二金屬層。第一金屬合金層是由第一成分及第二成分組成，第一成分及第二成分之間的第一比例是用於調節第二金屬層的功函數。
在一些實施方式中，第一成分包含金屬元素，及第二成分包含非金屬元素。
在一些實施方式中，第一成分或第二成分是選自一組金屬氧化物及金屬氮化物。
在一些實施方式中，第一金屬合金層包含由具有第一氧對金屬比例的第一氧化鉬(molybdenum oxide)組成的第一子層以及由具有第二氧對金屬比例的第二氧化鉬組成的第二子層，並且第一子層到第二子層的轉變(gradient)是偕同從第一氧對金屬比例至第二氧對金屬比例的梯度變化。
在一些實施方式中，第一金屬合金層包含第一子層以及第二子層，第一子層由具有第一氮對金屬比例的第一氮化鉬組成，且第二子層由具有第二氮對金屬比例的第二氮化鉬組成，並且第一子層到第二子層的轉變是偕同從第一氮對金屬比例至第二氮對金屬比例的梯度變化。
在一些實施方式中，分層結構包含第二金屬合金層以及第二金屬合金層上的第二稀土氧化物層，其中第二金屬合金層以及第二稀土氧化物層是位於第一金屬層以及第一半導體層之間。第二金屬合金層由金屬元素及非金屬元素組成，金屬元素及非金屬元素之間的第二比例是用於調節第一金屬層的功函數。
在一些實施方式中，分層結構包含在第二金屬層上的第二金屬合金層，其中第二金屬合金層是由一種或多種類型的金屬矽化物組成。
在一些實施方式中，分層結構進一步包含在第二金屬層上的第三金屬層。
在一些實施方式中，分層結構被實現為一裝置，該裝置是以第一金屬層作為第一接觸點以連接另一裝置，並且以第二金屬層作為第二接觸點以連接再另一裝置。
在一些實施方式中，第一金屬層及第二金屬層是由不同金屬元素組成。
100、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1202、1300、1302、1304、1306、1400、1402、1500、1606、2201、2202、2203、2301、2303、2304、2305、2306、2401、2402、2501、2601、2602、2701、2702、2801、2802、2901、2902、3001、3002、3003、3101、3201、3301、3401、3501、3601、3701、3801:結構
1406:部分
1502:組合
102:基板
104、131、142、602、604、702、704、706、708:結晶稀土氧化物層
106:金屬層、第一金屬層、磊晶金屬層、第一磊晶金屬層
136:第二磊晶金屬層、金屬層、第二金屬層
302:第一金屬層、第一層、第一磊晶金屬層
304:第二金屬層、第二磊晶金屬層
402:磊晶金屬層、第一磊晶金屬層
404:磊晶金屬層、第二磊晶金屬層
406:磊晶金屬層、第一磊晶金屬層
408:磊晶金屬層、第二磊晶金屬層
1404:第二磊晶金屬層
1602:第二金屬層
108、1408:半導體層
135、140、150:金屬合金層
138、138a、138b:氧化鉬層
139、139a、139b:氮化鉬層
200:示意圖
502、504、802、804:區域
1002、1102:中間層
1004:稀土矽化物
1006:稀土氮化物
1104:金屬氮化物
1106:稀土磷族化物
1110:電極
1204、1504:層堆疊
2100:流程圖
2102、2104、2106、2108、3901、3902、3903、3904、3905:步驟
1700、1800、1900、2000:圖表
2502:偏壓裝置
通過結合所附圖式考慮以下的詳細描述，本公開的其他特徵，其本質及各種優點將變得顯而易見，其中，相同的元件符號始終表示相同的部件，並且其中：根據說明性實施例，第1圖繪示了在基板及半導體層之間生長磊晶金屬層的分層結構；根據說明性實施例，第2圖繪示了生長第1圖中所示的分層結構的流程圖；根據說明性實施例，第3圖到第16圖繪示了分層結構的各種示例，每個分層結構是第1圖中所示的分層結構的具體示例；根據習知技術的實施例，在不同厚度的金屬電極下，第17圖繪示了共振頻率是氮化鋁厚度的函數；第18圖繪示了有磊晶金屬電極以及沒有磊晶金屬電極的計算的分佈式布拉格反射器(DBR)的反射率，其中在標準III族氮化物分佈式布拉格反射器下增加結晶稀土氧化物及金屬使峰值反射率增加2%；根據說明性實施例，第19圖示出了如何從11個AlN及GaN週期構建分佈式布拉格反射器。
根據說明性實施例，第20圖繪示了對於AlN-GaN分佈式布拉格反射器及AlN-GaN分佈式布拉格反射器在450nm的計算反射率，其中AlN-GaN分佈式布拉格反射器及AlN-GaN分佈式布拉格反射器是以在Mo上構建單對的AlN來構建；以及根據說明性實施例，第21圖繪示了用於生長在第1圖中示出的分層結構的方法的流程圖。
根據本文描述的一些實施例，第22圖示出說明使用在半導體層上的氧化物層來設置新的金屬層的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第23圖示出說明使用金屬層作為附加磊晶層的基礎層的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第24圖示出了在結構的頂部生長金屬電極的分層結構的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第25圖示出了在結構的頂部及底部生長金屬電極的分層結構的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第26圖示出了從結晶氧化物層磊晶生長氮摻雜金屬(例如，Mo)或金屬氮化物(Mo2N)的過程的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第27圖示出了從結晶氧化物層磊晶生長氧缺陷(例如，MoOx)的過程的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第28圖示出了多層閘極的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第29圖示出說明多層閘極的示例圖，該多層閘極生長多個層，該多個層從結晶氧化物形成一逐步的轉變(gradual transition)；根據本文描述的一些實施例，第30圖示出了使用氮的非原位注入以在氧化物層上形成金屬氮化物層的示例圖；根據本文描述的一些實施例，第31圖示出了使用金屬合金層以調整金屬層的功函數的分層結構的方塊圖；根據說明性實施例，第32到35圖描繪了分層結構的各種示例，每個分層結構是第31圖中所示的分層結構的具體示例； 根據本文描述的一些實施例，第36圖示出了包含在第一磊晶金屬層及第一半導體層之間的兩個附加層的分層結構的方塊圖；根據本文描述的一些實施例，第37圖示出了第31圖包含第二磊晶金屬層上的第二金屬合金層的分層結構的方塊圖；根據本文描述的一些實施例，第38圖示出了第36圖包含第一接觸點及第二接觸點的分層結構；以及根據說明性實施例，第39圖描繪了第31圖中所示的生長分層結構的一部分的方法的流程圖。
本文公開的結構及方法包含改變磊晶電極材料中的金屬合金的成分以使電極的功函數可調。在一個示例中，以分層結構實現可調的功函數，其中結晶稀土氧化物(REO)層磊晶在基板或半導體上，且金屬層在結晶稀土氧化物層上。從而輪到半導體層在金屬層上磊晶生長，在半導體層上具有金屬合金層，並利用金屬合金中的成分比例來調節金屬層的功函數。與分層結構有關的進一步細節將描述在第1圖到第16圖中，以及在共同擁有及共同未定的美國非臨時申請案第15/712,002號中。在同一天所提交的標題為「Integrated Epitaxial Metal Electrodes」的美國專利申請案之全部內容通過引用明確併入本文。能以各種方式選擇分層結構中的金屬合金層的組成，以實現所得結構的不同功函數。
例如，具有較小功函數的金屬更適合n型半導體，以及具有較大功函數的金屬更適合p型半導體。因此，可以調整金屬及/或金屬氮化物的功函數以適合特定類型的半導體。藉由摻入碳或氮離子，能以某些能量區間調節金 屬功函數。例如，鉬功函數約為4.7eV，可藉由注入氮以在4eV及5eV之間調節其功函數，如參考文獻1中所描述的。氮化鉬(MoNx)的功函數可取決於其實際組成，並且可以在5.1-5.23eV的區間內調節，如參考文獻2中所述，其適合用於p型半導體。此外，還可以在4.9及5.1eV之間調節減少的氧化鉬(MoOx)功函數，如參考文獻3中所述。(參考文獻1：Electrochemical and Solid-State Letters，4(11)G85-G87(2001)and Mat.Res.Soc.Symp.611,C3.2.1(2011)；參考文獻2：ECS Journal of Solid State Science and Technology，3(12)N161(2014)；參考文獻3：Journal of The Electrochemical Society，155(7)H481(2008))
能生長單晶介電質及閘極堆疊以用於互補金屬氧化物半導體(CMOS)。氧化物是藉由分子束磊晶(MBE)生長的單晶層，其能夠控制與半導體的界面。閘極材料是藉由分子束磊晶生長的單晶層，且介電質及電極在真空中生長(沒有額外的光刻)，這有助於避免或減少介電閘極界面(dielectric-gate interface)污染。然後可以在1eV的範圍內調諧閘極功函數，這適用於pMOS及nMOS電晶體。閘極與高k介電材料相容(k是材料的介電常數)。
具有上述可調功函數的金屬電極可以透過包含有高品質磊晶金屬層的層狀結構以及在磊晶金屬層上連續生長半導體材料的能力來實現。在一個示例中，結晶稀土氧化物層可在基板或半導體上磊晶生長，並且可在結晶稀土氧化物層上磊晶生長金屬層。可在磊晶金屬層上生長半導體層。稀土氧化物層是包含一種或多種稀土(RE)物質及氧的層。稀土物質包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)、鈧(Sc)及釔(Y)。
已知稀土氧化物具有螢石型結構。在任何其他因子中，這些結構表現出形態差異，該形態差異是氧化物中的稀土陽離子態的原子量的函數。
尤其，由於可能的離子狀態為+2及/或+3及/或+4，包含較輕的稀土物質的氧化物形成立方CaF2型晶體結構。具有這種晶體結構的氧化物由於多種可能的氧化態(對於稀土氧化物)而表現出顯著的淨電荷缺陷。
另一方面，由較重的稀土物質(例如，RE2O3等)形成的氧化物則表現出扭曲的CaF2型晶體結構，其包含由於離子狀態RE+3引起的陰離子空位。與含有較重稀土物質的稀土氧化物相關的晶體結構也稱為「Bixbyite」。
具有化學式RE2O3的稀土氧化物的說明性示例是Er2O3。Er2O3的單位晶胞的晶體結構是源自氧空位的螢石衍生物(oxygen-vacancy-derived fluorite derivative)(亦即，Bixbyite結構)。稀土氧化物介電層可包含這些單位晶胞的組合。
陰離子空位的數量及位置決定了RE2O3單位晶胞的晶體形狀。可設計此晶胞的晶體形狀以提供與下面的半導體基板的晶格常數適當的匹配。沿著主體對角線及/或面對角線的氧空位導致C型立方結構。例如，每個螢石單位晶胞的兩個陰離子空位使得Er2O3的單位晶胞尺寸增加到接近兩倍的Si單位晶胞尺寸。這進而使低應變、單相Er2O3能夠直接在矽基板上磊晶生長。
此外，可以設計陰離子空位的數量及位置以在介電層及/或過度生長層中誘發所需的應變(拉伸或壓縮)。例如，在一些實施例中，為了影響載子遷移率，需要半導體層中的應變。
每個螢石單位晶胞有兩個氧空位，位於主體對角線上。這兩個氧空位的存在導致Er2O3單位晶胞尺寸加倍，從而使晶格常數加倍，這提供了與矽晶體取向<100>的晶格常數適當的匹配。
在一些示例中，氧空位位於面對角線的末端。在一些其他示例中，氧空位分佈在面部對角線的末端及主體對角線之間。
在半導體層上進行金屬磊晶沉積可以生長嵌入的金屬接觸層。磊晶金屬層可以直接生長在半導體層上及/或直接生長在基板上。在一些示例中，可以在磊晶金屬層及下面的半導體層之間設置非必須的(optional)過渡層，及/或是設置在磊晶金屬層及下面的基板之間。除了嵌入的接觸層將帶來的電性益處之外，可以利用金屬及上覆的半導體間經常存在的交互作用。當金屬及半導體(以及任何位於其中的界面)具有高品質且缺陷很少時，這些交互作用(例如在RF濾波器中)更有用。此外，磊晶金屬可製成比濺鍍金屬更薄，同時保持高的膜品質。這有一部分是因為磊晶界面品質較高，並且隨著層變薄，界面成為整體材料的較大比例。因此，雖然厚的膜較少受到較差品質界面的影響，且其性質主要受主體材料性質的影響，但薄膜的性質更多地受界面性質的支配。因此，在沉積薄膜時高品質的界面是重要的。
此外，磊晶金屬層可用於改變磊晶疊層的反射率。對於從頂表面發射光的元件，通常認為因為朝向基板發射的光的浪費而對整體輸出功率產生影響。例如，在垂直腔面發射雷射(VCSEL)中，後鏡必須具有>99.8%的反射率。這很難僅通過半導體材料來實現。
第1圖示出了根據說明性實施例的分層結構100說明的示例圖。結構100包含基板102、在基板102上生長的稀土氧化物層104、在稀土氧化物層104上磊晶生長的磊晶金屬層106、以及在磊晶金屬層106上磊晶生長的半導體層108。稀土氧化物層104的厚度定義為tox，其中氧化物的厚度通常可定義為0
Figure 107133489-A0305-02-0011-29
tox
Figure 107133489-A0305-02-0011-30
500nm。第1圖中描繪的分層結構100可以在單磊晶製程(single epitaxial process)中製造，或是分子束磊晶(MBE)、金屬有機氣相磊晶(MOCVD)或任何其他眾所周知的磊晶沉積技術。根據製程要求，沉積材料的沉積工具可以是單腔室，或者使用任何眾所周知的集群工具形式，其中製程的特定部分在不同的互連腔室中完成，或者可以使用多個沉積工具。結晶稀土氧化物層104是磊晶金屬層106的模板，其可包含一個或多個組成磊晶金屬層。半導體層108可包含III族氮化物材料、III-V族材料及IV族材料中的一種或多種。III-V族材料包含從週期表III族的一種或多種物質(如B、Al、Ga、In及Tl)及從週期表第V族的一種或多種物種(如N、P、As、Sb及Bi)。III族氮化物是III-V材料並且包含來自III族的物質和氮。III族氮化物材料的示例包含GaN、InxAlyGa1-x-yN(0
Figure 107133489-A0305-02-0012-27
x，y
Figure 107133489-A0305-02-0012-26
1)及/或AlN。其他III-V族材料的示例包含GaAs、InP、InAs、InSb、InGaAs、GaAsP、InGaAsP及其他類似材料中的一種或多種。在一些實施例中，稀土氧化物層104的氧對金屬比例在1到2的範圍內。在一些實施例中，稀土氧化物層104的氧對金屬的比例可以在1.4到1.6之間。
可以在諸如矽基板的基板102上生長第1圖的分層結構100。如果濾波器中的半導體材料是磊晶的，那麼它有助於集成可以在濾波器上生長的其他半導體元件(不必直接電連接到濾波器)。例如，可以在濾波器上生長電晶體(其示例包含場效電晶體、高電子遷移率電晶體及異質接面雙極電晶體)，從而減小給定系統所需的晶片面積。
第2圖描繪了製程示意圖200，其說明了用於製程第1圖中描繪的結構的單磊晶過程。在基板102上磊晶生長結晶稀土氧化物層104。在結晶稀土氧化物層104上磊晶生長金屬層106。在金屬層106上磊晶生長半導體層108。在一些實施例中，可在半導體層108上磊晶生長附加金屬層210。第2圖中描述 的每一個層可包含一個或多個子層。每層的組成在第3到13圖中進一步詳細描述。
所用的磊晶金屬可以是稀土金屬或者像是釕或鉬的金屬，或是在表1中所列出的其它代表性金屬。用於考慮如何選擇磊晶金屬層210的金屬元素的屬性包含電阻率、以及決定該層的光學及聲學特性的密度、楊氏係數及折射率。也可以使用表1中未列出的其他金屬。
Figure 107133489-A0305-02-0013-1
表一：代表金屬及選擇的特性(hcp-六方最密堆積，fcc-面心立方，bcc-體心立方，dhcp-雙六方最密堆積)
例如，基板102可以由矽組成；稀土氧化物層104可以氧對金屬比例為1.5(ErO1.5)的氧化鉺組成，以及第一金屬層106可以由鉬(Mo)組成。第一 半導體層可以由AlxSc1-xN(0
Figure 107133489-A0305-02-0014-24
x<1)組成。當基板102由Si組成時，其可具有晶體取向<111>，以及當第一金屬層由Mo組成時，其具有晶體取向<110>。在此示例中，稀土氧化物中的氧對金屬比例可在1.4及1.6之間的範圍內。
又例如，由矽組成的基板102可以具有<100>的取向；當稀土氧化物層104由ErO1.5組成時，其可具有<110>的晶體取向；以及，當第一金屬層106由Mo構成組成時，其可具有<211>的晶體取向。在此示例中，稀土氧化物中的氧對金屬比可以在1.4及1.6之間的範圍內，且半導體層108可具有各種組成物。
第3圖到第5圖描繪了在結晶稀土氧化物層104上包含有多個磊晶金屬層的結構。第3圖到第5圖所繪示的磊晶金屬層可包含多個金屬層。多個金屬層可如第3圖到第4圖中那樣堆疊生長，例如，從一種類型的金屬到另一種類型的金屬的階梯式變化，或者如第5圖中所示的漸變方式。只出於說明的目的，第3圖到第5圖中描繪了兩種類型的金屬層，但是，可以類似於第3圖到第5圖所示方式在結構中使用兩種以上的金屬層。
第3圖示出了根據說明性實施例說明分層結構300的示例圖。結構300包含在稀土氧化物層104上磊晶生長的第一金屬層302，以階梯式配置在第一金屬層302上磊晶生長的第二金屬層304。在一些實施例中，第一金屬層302及第二金屬層304中的金屬可以是相同的。在一些實施例中，第一層302及第二金屬層304中的金屬可以是不同的。在一些實施例中，第一金屬層302及第二金屬層304可以具有相同的厚度。在一些實施例中，第一金屬層302可以具有與第二金屬層304不同的厚度。
第4圖示出了根據說明性實施例說明分層結構400的示例圖。結構400以超晶格類型配置包含了在稀土氧化物層104上磊晶生長的第一磊晶金屬層(磊晶金屬層402、406)及第二磊晶金屬層(磊晶金屬層404、408)的多個交替層。在一些實施例中，第一磊晶金屬層402、406及第二磊晶金屬層404、408中的金屬可以是相同的。在一些實施例中，第一磊晶金屬層402、406中的金屬及第二磊晶金屬層404及408中的金屬可以是不同的。在一些實施例中，第一磊晶金屬層402、406及第二磊晶金屬層404、408可以具有相同的厚度。在一些實施例中，第一磊晶金屬層402、406可以具有與第二磊晶金屬層404及408不同的厚度。應注意，第4圖示出了以兩種不同類型的磊晶金屬層的兩次重複，這只用於說明目的，在結構中可使用不同數量的重複(例如，三次、四次、五次等)。
第5圖示出了根據說明性實施例說明分層結構500的示例圖。結構500包含在稀土氧化物層104上磊晶生長的磊晶金屬層106，其中磊晶金屬層106具有第一區域502及第二區域504，其中第一金屬的第一濃度及第二金屬的第二濃度以漸變(graded)狀態改變。第5圖中第一金屬的第一濃度及第二金屬的第二濃度的漸變可以是線性的(例如，從第一金屬到第二金屬，成分的線性變化)、超線性(例如，高階多項式)、次線性或階梯式(例如，不連續變化的材料成分)。在一些實施例中，第一濃度在第一區域502中可以具有第一值，且在第二區域504中具有第二值。第一金屬的濃度可以從磊晶金屬層106的厚度的一邊變化至另一邊。類似地，第二金屬的第二濃度可以在第一區域502中具有第三值，且在第二區域504中具有第四值。第二金屬的濃度可以從磊晶金屬層106的厚度的一邊變化至另一邊。
第3圖到第5圖中所描繪的分層結構300、400及500可以被包含於射頻(RF)濾波器中。在磊晶金屬層106上生長的半導體層108可以是作為耦合的機電共振器(coupled electro-mechanical resonator)的壓電材料。第一磊晶金屬層(302、402)可以是用於RF濾波器的第一電極，且第二磊晶金屬層(304、404)可以是用於RF濾波器的第二電極。將磊晶金屬層用於RF濾波器中的電極特別有利，因為它們提供具有單晶結構的金屬的高導電性，所述單晶結構是作為後續在磊晶金屬層上生長單晶層(例如，半導體層)的模板。將單晶半導體層用作為在RF濾波器中的半導體材料是有利的，因為它們提供更高的壓電係數、更窄的帶寬及更低的損耗。性能的提高有一部分是因為磊晶金屬電極的品質及結晶配準(crystalline registry)，這導致後續膜的更高品質。
第3圖至第5圖中所繪示的任何結構可包含於光學元件中。一種這樣的應用是在分散式布拉格反射器中(DBR)。對於分佈式布拉格反射器，一個關鍵考慮因素是組成層之間的折射率。折射率越相異，所需的週期(period)越少，阻帶(stop band)越寬。這提供了減少堆疊層的總厚度從而降低製造成本/複雜性的途徑。例如，在採用半導體AlN及GaN的分佈式布拉格反射器中，420nm處的折射率差量(△n)為0.34。如果在磊晶Mo上的兩種材料變為AlN，則該差量將增加到0.85。
在許多光子元件中，所有光都不是垂直於磊晶表面傳播。當分佈式布拉格反射器由只提供折射率差量很小的半導體構成時，反射率對入射角有很強的依賴性。分佈式布拉格反射器性能的例子繪示於第18圖到第20圖中。
第6圖到第8圖繪示了包含有在基板102上的多個結晶稀土氧化物層的結構。第6圖及第7圖中的稀土氧化物層104包含多個稀土氧化物層。多 個稀土氧化物層可以如第6圖及第7圖中那樣堆疊生長，例如，從一種類型的稀土氧化物到另一種類型的稀土氧化物的階梯式變化，或者如第8圖中所示的漸變。只是出於說明的目的，在第6圖到第8圖中描繪了兩種類型的稀土氧化物層，但是可以類似於第6到8圖中所示的方式在結構中使用兩種以上類型的稀土氧化物層。
第6圖描繪了層結構600，其包含了在基板102上以階梯式配置磊晶生長的第一稀土氧化物層602以及在第一稀土氧化物層602上磊晶生長的稀土氧化物層604。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602及第二稀土氧化物層604中的稀土金屬可以是相同的。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602及第二稀土氧化物層604中的稀土金屬可以是不同的。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602及第二稀土氧化物層604可以具有相同的厚度。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602可以具有與第二稀土氧化物層604不同的厚度。在一些實施例中，第一稀土金屬可以在第一稀土氧化物層602中具有第一濃度而在第二稀土氧化物層604中具有第二濃度。同樣地，第二稀土金屬可以在第一稀土氧化物層602中具有第三濃度以及在第二稀土氧化物層604中具有第四濃度。在一些實施例中，在第一稀土氧化物層602及第二稀土氧化物層604中氧的濃度可以不同。
第7圖描繪了層結構700，其包含了以超晶格類型配置在基板102上磊晶生長的第一稀土氧化物層(稀土氧化物層702、706)及第二稀土氧化物層(稀土氧化物層704、708)的多個交替層。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706及第二稀土氧化物層704、708中的稀土金屬可以是相同的。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706中的稀土金屬及第二稀土氧化物層704及 706中的稀土金屬可以是不同的。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706及第二稀土氧化物層704、708可以具有相同的厚度。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706可以具有與第二稀土氧化物層704及708不同的厚度。在一些實施例中，第一稀土金屬可以在第一稀土氧化物層702中具有第一濃度並且在第二稀土氧化物層704中具有第二濃度。同樣地，第二稀土金屬可以在第一稀土氧化物層702中具有第三濃度並且在第二稀土氧化物層704中具有第四濃度。在一些實施例中，氧的濃度在第一稀土氧化物層702及第二稀土氧化物層704中可以是不同的。只是用於說明目的，應該注意到第7圖中示出了兩種不同類型的稀土氧化物層的兩次重複，而在結構中可以使用不同次數的重複(例如，三次、四次、五次等)。
第8圖示出了根據說明性實施例說明分層結構800的示例圖。結構800包含了在基板102上磊晶生長的稀土氧化物層104，其中稀土氧化物層104具有第一區域802及第二區域804，其中第一稀土金屬的第一濃度及第二稀土金屬的第二濃度是漸變配置。第8圖中的第一稀土金屬及第二稀土金屬的第一濃度及第二濃度的漸變可以是線性的(例如，從第一金屬到第二金屬的線性成分漸變)、超線性(例如，高階多項式)、次線性或階梯式(例如，材料成分的不連續變化)。在一些實施例中，第一稀土金屬的第一濃度可以在第一區域802中具有第一值並且在第二區域804中具有第二值。第一稀土金屬的濃度可以從稀土氧化物層104的厚度的一端變化至另一端。同樣地，第二金屬的第二濃度可以在第一區域802中具有第三值並且在第二區域804中具有第四值。第二金屬的濃度可以從稀土氧化物層104的厚度的一端變化至另一端。
第9圖繪示了根據說明性實施例說明分層結構900的示例圖。結構800繪示了第1圖中所示結構的示例，其中半導體層108是III族氮化物層，特別是Al1-xScxN(0
Figure 107133489-A0305-02-0019-22
x
Figure 107133489-A0305-02-0019-21
1)層，金屬層106是Mo層，稀土氧化物層104是Er2O3層，且基板102是晶體取向<111>的矽基板。分層結構的其他可能示例繪示於第9圖，且其中的每個層可包含如第3圖到第8圖中所描述一個或多個子層。
在一些實施例中，如第1圖中所示的分層結構100可以修改成在磊晶金屬層106及半導體層108之間或在稀土氧化物層104及磊晶金屬層106之間包含中間層。設置這種層的目的是允許從氧化物到金屬或從金屬到半導體的轉變的化學工程或結晶工程。化學工程可以包含在半導體層或磊晶金屬層的初始磊晶沉積期間促進半導體或金屬原子的成核或遷移。結晶工程可包含幫助磊晶金屬層及半導體層之間的晶體結構或晶格常數的轉變。晶體結構轉變的一個例子是從六方晶型晶體結構到立方晶型晶體結構的轉變。
第10圖繪示了根據說明性實施例說明分層結構1000的示例圖。結構1000描繪了在結晶稀土氧化物層104上磊晶生長的中間層1002，中間層1002上的是磊晶金屬層106。在一些實施例中，中間層1002可以是稀土矽化物1004，以及在一些實施例中，中間層1002可以是稀土氮化物1006。
第11圖示出了根據說明性實施例說明分層結構1100的示例圖。結構1100繪示了在稀土氧化物層104上的磊晶金屬層106、在磊晶金屬層106上的磊晶中間層1102、以及在磊晶中間層1102上的磊晶半導體層108。在一些實施例中，磊晶中間層1102可由金屬矽化物組成。在一些實施例中，中間層可以由金屬氮化物1104組成。在一些實施例中，磊晶中間層1102可以由稀土磷族 化物1106組成，其通常包含稀土氮化物、稀土砷化物、及稀土磷化物。在一些實施例中，磊晶中間層1102可以由二維電極1110組成。
在一些實施例中，可以在另一半導體層108上磊晶生長更多不同組成/類型的半導體。在一些實施例中，可以在半導體層上生長第二金屬。對於此實施例，可以使用任何之前描述的金屬磊晶方法，並根據最終磊晶堆疊所需的特徵，能將在金屬及半導體之間磊晶生長的任何先前描述的中間層用於整體磊晶過程。半導體上的層不必與半導體下方的層匹配。例如，半導體上的層可以與半導體下方的層相同或不同。
在一些實施例中，可以在半導體層108上生長磊晶金屬層。在一些實施例中，可在半導體層108及磊晶金屬層之間生長三種可能的磊晶中間層、金屬矽化物、金屬氮化物以及稀土磷屬化物。如果選擇在半導體108上生長磊晶金屬層，則可以重複任何或所有上述示例以在金屬上磊晶生長另一個半導體層。
第12圖示出了根據說明性實施例說明由分層結構1202及1204為單元所組成的元件的示例圖。結構1200繪示了具有可選擇的中間層的重複的金屬/半導體結構的示例。第12圖描繪了三個單元1204的層堆疊。層堆疊可包含其他數量的單元，但是出於說明性目的，這裡示出三個。每個單元可以是相同的，或者層堆疊中的一個或多個單元可以是不同的。分層結構1202繪示了在層堆疊1204內的示例性單元。此示例性單元包含在第一磊晶金屬層上磊晶生長的第一中間層、在第一中間層上磊晶生長的半導體層108、在半導體層上磊晶生長的第二中間層、以及在第二中間層上磊晶生長的第二磊晶金屬層。在層堆疊內的任何單元可包含第一中間層及第二中間層中的任何一個或兩個或兩個都不 包含。此外，一個單元中的第二磊晶金屬層可以與上述單元中的第一磊晶金屬層相同。單元中的一個或兩個磊晶金屬層可以是單一金屬、漸變金屬層、具有多個子層的金屬層、及/或具有多個金屬層的超晶格。如在層堆疊1204中描繪的那些層堆疊可以用在光子應用中。例如，層堆疊可以是金屬-半導體鏡子(metal-semiconductor mirror)，例如分佈式布拉格反射器。
第13圖繪示了根據說明性實施例之說明性分層結構1302、1304、1306。結構1302、1304及1306描繪了最終磊晶層的示例，以匹配非原位處理(ex-situ processing)及/或裝置操作下的層。這些包含但不限於使用金屬矽化物來保護上部金屬層免受氧化，如第13圖的分層結構1302所示；可以增加石墨烯或其他二維結構以增強導電性，如第13圖的分層結構1304所示；以及可以增加結晶稀土氧化物層作為介電質或絕緣體以電隔離下面的磊晶堆疊，如第13圖的分層結構1306所示。在一些實施例中，可以在稀土氧化物層上生長第二磊晶金屬層，像是在半導體108上生長。注意，儘管這三個最上面的層以單層實體的形式示出，可以預期尚需要此處未示出的附加層來達成這樣的層的提供。
第14圖示出了根據說明性實施例之示例圖以說明對分層結構100的修改。結構1402繪示了在半導體層108上的第二磊晶金屬層1404。部分1406繪示了在第二磊晶金屬層1404上生長的第二半導體層1408。在一些實施例中，第二磊晶金屬層1404及第二半導體層1408的組合可以是鏡子。第二磊晶金屬層1404上的層可以是下一個磊晶相(phase of epitaxy)的模板以提供額外的功能。氧化物的生長可以電性隔離部分1406與於其上可生長部分1406的層結構100。
第15圖示出了根據說明性實施例說明分層結構1500的示例圖。結構1500繪示了在堆疊半導體層108之前，以稀土氧化層104及磊晶金屬層106 的組合(即組合1502)為單元的多次重複結構(即層堆疊1504)。在一些實施例中，在層堆疊1504上生長半導體108之前，組合1502可以1、2、3...20...或任何其他次數重複。
第16圖示出了根據說明性實施說明分層結構1600的示例圖。分層結構1600描繪了磊晶金屬層106，藉由在反應器內結合遮罩、氧化物表面上的圖案或金屬化學的控制來分段磊晶金屬層106，使得其生長是三維的而不是二維的。在一些實施例中，半導體層108可以連續形式在分段的磊晶金屬層106上生長。在一些實施例中，也可以藉由在反應器內結合遮罩、氧化物表面上的圖案或者金屬化學的控制來分段半導體層108，如結構1600中所示，使得半導體層108的生長是三維的而不是二維的。在一些實施例中，可以在分段的半導體層108上生長第二金屬層1602，其中磊晶金屬層106生長在半導體層108中的各種半導體區段之間的空腔中。第二金屬層1602可以生長在不同半導體層108的區段上。在一些實施例中，上游製程能使用第二金屬層1602並將其作為其他的製程步驟的模板/晶種(例如，電鍍厚觸點(electroplating of thick contacts))。在一些實施例中，如果半導體層108在金屬上生長或在氧化物上生長，其可以具有不同的功能。
根據習知技術的實施例，第17圖示出了共振頻率在不同厚度的金屬電極下為AlN厚度的函數(根據參考文獻4，其整體引用合併)。這裡，晶體品質也很重要，因為若沒有好的晶體品質，當厚度減小，由於缺陷的影響增加且在多晶金屬層中的晶粒邊界增加，電阻率會跟著增加。(參考文獻4：S.Tanifuji et al,Proceedings 2009 IEEE International Ultrasonic Symposium,p.2170)
第18圖繪示了在具有磊晶金屬電極及不具有磊晶金屬電極的情況下之計算的分佈式布拉格反射器反射率的曲線圖，其中在標準III族氮化物分佈式布拉格反射器下增加結晶稀土氧化物及金屬使峰值反射率增加2%。III族氮化物材料是由包含有III族元素及氮的材料組成。III族物質可包含元素週期表III族中的一種或多種元素，包含B、Al、Ga、In及Tl。III族氮化物層可以是包含多個III族元素的化合物。III族氮化物層可以包含如GaN的二元化合物、如AlxGa1-xN(0
Figure 107133489-A0305-02-0023-5
x
Figure 107133489-A0305-02-0023-8
1)以及如InxGa1-xN(0
Figure 107133489-A0305-02-0023-9
x
Figure 107133489-A0305-02-0023-11
1)的三元化合物、如InxAlyGa1-x-yN的四元化合物(0
Figure 107133489-A0305-02-0023-12
x，y
Figure 107133489-A0305-02-0023-13
1)、以及如GaxIn1-xAsySbzN1-y-z(0
Figure 107133489-A0305-02-0023-14
x，y，z
Figure 107133489-A0305-02-0023-18
1)的五元化合物。III族氮化物層可以是未摻雜的、無意摻雜的、或是摻雜有施體或受體的。
結晶稀土氧化物(REO)磊晶層可以用作為在半導體基板(例如矽)上磊晶金屬的模板。可使用除矽之外的基板，且其示例包含鍺、矽鍺合金、藍寶石、二氧化矽、絕緣體上矽(SOI)及半導體上矽(SOS)，以上述基板中的一個作為其頂層的基板、以及任何半導體基板。出於金屬磊晶的目的，與YSZ相比，結晶稀土氧化物是優異的材料。首先，將結晶稀土氧化物及基板之間的界面設置為磊晶製程的一部分。通過適當地選擇稀土氧化物，可以磊晶生長結晶稀土氧化物模板，且其為100%(或接近100%)立方體而沒有第二種相的。有益於整體磊晶堆疊的結晶稀土氧化物的其他參數及製程特性是氧化物-矽界面，其沒有任何寄生電荷，具有比YSZ更高的密度(YSZ密度：8.6~6.1g/cm3)，以及比YSZ優異5倍的導熱性。除了用作為磊晶金屬生長的模板之外，結晶稀土氧化物層也可防止磊晶金屬層與其下方的任何基板之間的相互擴散。這可以防止形成不想要的物質，例如金屬矽化物形成(這裡所指的基板是矽)。
第19圖示出了如何從11個AlN及GaN週期構建分佈式布拉格反射器。隨著入射角增加，有效的層厚度導致阻帶移向更低波長，這意味著在某個角度，設計波長(在本例中為450nm)將落在中心阻帶之外。
在金屬(在這種情況下為鉬)上增加AlN顯著降低了對入射角的敏感度。
第20圖繪示了對於11週期AlN-GaN分佈式布拉格反射器及10週期AlN-GaN分佈式布拉格反射器繪製的450nm處的計算的反射率，其在Mo上的單對AlN上構建。如在60度入射角處可以看到，附加的磊晶金屬層使反射率從30%增加到65%。
外延金屬層導致更大的晶粒尺寸及更少的晶粒邊界，這使得在與晶粒邊界及缺陷相關的損耗變得顯著之前能有更薄的金屬層。此外，金屬層及半導體之間的界面是乾淨且不連續的，與多晶/濺鍍分佈式布拉格反射器結構相比，兩者都減少了半導體-金屬分佈式布拉格反射器的損耗。
第21圖是根據說明性實施例的生長分層結構100的流程的流程圖2100。過程開始於步驟2102，此時取得基板102。在步驟2104，在基板102上生長第一稀土氧化物層104。在步驟2106，在第一稀土氧化物層104上磊晶生長第一金屬層106。在步驟2108，在第一金屬層106上磊晶生長半導體層108。
在步驟2102，取得基板(例如，參見第1圖中的基板102)。在一些實施例中，基板包含選自矽(Si)、鍺(Ge)、絕緣體上矽(SOI)及碳化矽(SiC)的IV族元素，其中基板具有<100>或<111>的晶體取向，在一個示例中，具有高達10度的錯切(miscut)。
在步驟2104，第一稀土氧化物層(例如，參見第1圖中的稀土氧化物層104)在基板上磊晶生長。
在步驟2106，第一金屬層(例如，參見第1圖中的金屬層106)在第一稀土氧化物層上磊晶生長。
在步驟2108，第一半導體層(例如，參見第1圖中的半導體層108)在第一金屬層上磊晶生長。
可以使用化學氣相沉積(CVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)、鹵化物氣相磊晶(HVPE)、脈衝雷射沉積(PLD)及/或物理氣相沉積(PVD)中的一種或多種來執行本文所述的生長及/或沉積。
根據本文描述的一些實施例，第22圖示出說明用半導體層上的氧化物層來設置新的金屬層的示例圖。在第22圖中所示的分層結構2201中，在包含有一個或多個金屬元素的第一磊晶金屬層上生長半導體層，所述金屬元素以Q1及Q2來表示。合金中的Q1及Q2的的組成比例是可調的。在結構2202中，在半導體層上生長氧化物層，使得能在結構2203中的氧化物層上生長新的磊晶金屬層。新的磊晶金屬層可以是具有金屬元素Q1及Q2的類似組成，如同第一金屬層。藉由在半導體層及新的金屬層之間引入氧化物層，該氧化物可以用作為閘極電介質，而新的金屬層可用作為電極的閘極觸點。
根據本文描述的一些實施例，第23圖示出說明使用金屬層作為附加金屬層的基座層的示例圖。在一個示例中，在結構2301中，在磊晶金屬層上生長的附加磊晶層可包含，但不限於，二維材料(例如，石墨烯、過渡金屬二硫化物以及其他類似物)、用於過程穩定的蓋層(例如，金屬氧化物、金屬矽化物 以及其他類似物)、用於隔離的絕緣體(例如，稀土氧化物以及其他類似物)。具體地，在結構2303到2306所示的示例中，當金屬層由鉬(Mo)組成時，附加層由MoS2、MoOx、MoSix(或其他金屬矽化物，例如，但不限於，RESix、TiSix、NiSix以及其他類似物)、MoNx(或其他金屬的氮化物，例如，但不限於，TiNx以及其他類似物)組成，及/或任何上述物質的組合，可以在Mo層上生長。
根據本文描述的一些實施例，第24圖示出說明在結構的頂部生長金屬電極的分層結構的示例圖。第24圖中所示的分層結構2401包含半導體層、在半導體層上生長的介電質稀土氧化物層、以及在介電質稀土氧化物層上生長的磊晶金屬電極。分層疊結構的進一步細節在第1圖到第16圖中描述。在一個示例中，分層結構能用作為具有平面元件結構2402的III-N場效電晶體(FET)，其適用於磊晶生長的結構。例如，稀土氧化物層能在半導體層表面的區域內生長，以用作為元件的介電質。再例如，金屬層可以在各自的區域內的稀土氧化物層上生長，其可以配置為元件的閘極，或者直接在半導體層上生長，其可以配置為元件的源極及汲極。在另一個示例中，儘管分層結構是逐層磊晶生長的，但是分層結構可以用於其他互補的金屬氧化物半導體(CMOS)型器件，例如鰭式場效電晶體，但不限於鰭式場效電晶體，其中結構可以是非平面的(如第25圖中的示例中進一步描述的)。
根據本文描述的一些實施例，第25圖示出說明在結構的頂部及底部生長金屬電極的分層結構的示例圖。在分層結構2501中，可以在半導體層的兩側對稱生長介電質稀土氧化物層。然後形成具有在其中之一介電質稀土氧化物層下方及在另一介電質稀土氧化物層上分別的金屬層的結構2501。分層結構2501能用於建立偏壓裝置2502。在偏壓裝置2502中，結構2501中的一個金 屬電極用於產生背閘極，以及結構2501中的另一個金屬電極用於產生元件的源極、閘極及汲極。
根據本文描述的一些實施例，第26圖示出說明從結晶氧化物層磊晶生長氮摻雜金屬(例如，Mo)或金屬氮化物(Mo2N)的過程的示例圖。在結構2601中，可以在結晶氧化物的表面上施加金屬、及氮氣或氮電漿以形成結構2602，在結構2602中，在結晶氧化物上形成由Mo或MoNx層組成的磊晶單晶層。
根據本文描述的一些實施例，第27圖示出說明從結晶氧化物層磊晶生長氧缺陷(例如，MoOx)的過程的示例圖。在結構2701中，可以在結晶氧化物的表面上施加金屬及氧氣以形成結構2702，在結構2702中，在結晶氧化物上形成由氧缺陷氧化鉬組成的磊晶單晶層。已經表明，氧缺陷氧化鉬是具有功函數接近5eV的導體。因此，具有MoOx層的結構602是適合用作為PMOS的閘電極。
根據本文中所描述的一些實施例，第28圖示出說明的多層閘極的示例圖。不是在結晶氧化物上生長單層(如第26圖到第27圖中所示)，而是能在結構2801及2802中的結晶氧化物上生長多個層。例如，金屬氧化物或金屬氮化物具有比其金屬更高的電阻(仍然低於多晶矽)。然而，與結晶氧化物接觸的層對半導體定義了功函數差值。因此，MoOx或MoNx層能非常薄(例如，小於100nm)且能在MoOx或MoNx層上磊晶生長附加層(金屬或矽化物)，並且能在相同的腔室中生長結構2801及2802的整個結構，而不破壞腔室的真空。可以從MoOx或MoNx層生長不同的金屬及/或矽化物。
根據本文描述的一些實施例，第29圖示出說明多層閘極的示例圖，該多層閘極生長多個層，該多個層係從結晶氧化物形成一逐步的轉變(gradual transition)。如結構2901中所示，能在結晶氧化物上生長多個層，例如MoOx層、MoOy層及金屬或矽化物層(結晶氧化物中的金屬及MoOx是不同的)。從MoOx層、MoOy層到金屬或矽化物層形成逐步的轉變。同樣地，在結構2902中，從MoNx層、MoNy層到金屬或矽化物層形成逐步的轉變。氧對金屬比例x及y的分級可定義為線性、超線性、階梯式及/或其他類似的形式。類似第28圖中的結構2801及2802，由於MoOx或MoNx層能製成非常薄，結構2901及2902的整個結構可以在相同腔室中生長而不必破壞生長腔室的真空。
根據本文描述的一些實施例，第30圖示出說明使用氮的非原位注入(ex situ implantation of nitrogen)以在氧化物層上形成金屬氮化物層的示例圖。在結構3001中，在氧化物層上形成磊晶單晶金屬(例如，Mo)層。在結構3002中，將氮的注入施加到磊晶單晶金屬層。在氮注入期間，可以擾亂金屬層的晶體結構並且接受氮的注入。在結構3003中，在金屬(與氮注入混合)層進行退火，例如，高達1050℃，這可能會導致金屬層的晶體結構的修復。因此，取決於氮的注入劑量，金屬層可以轉變為N摻雜的Mo或MoNx層。在一些實施例中，當結構3002處的氮注入劑量足夠高時，在結構3003處形成的N摻雜的Mo或MoNx層的所得結構能不同於結構3001處的金屬結構，如第30圖所示，在結構3003處的磊晶金屬+氮層及在結構3001處的原始磊晶金屬層的不同圖案。已經表明，氧化物介電特性不會因為氮注入而劣化，因此所得到的結構3003仍然能使用氧化物層作為元件的介電質。
根據本文描述的一個實施例，第31圖示出說明使用金屬合金層以調整金屬層的功函數的分層結構3101的方塊圖。如方塊圖中所示，分層結3101構具有基板102、基板102上的第一氧化物層104、第一氧化物層104上的第一磊晶金屬層106、以及第一磊晶金屬層106上的半導體層108，其可以是類似於第1圖中討論的結構100。此外，第二稀土氧化物層131在半導體層108上，以及金屬合金層135在第二稀土氧化物層131上。然後第二磊晶金屬層136在金屬合金層135上。
在一些實施例中，第一金屬層106及第二金屬層135具有相同的金屬元素。在一些實施例中，第一金屬層106及第二金屬層135具有不同的金屬元素。
金屬合金層135包含第一成分及第二成分，且兩種成分之間的比例能用於調節金屬層的功函數。例如，金屬合金層可包含金屬成分(例如鉬)及非金屬成分(例如氧或氮)，如第32圖到第35圖中進一步描述的。
例如，第32圖示出說明分層結構3201的方塊圖，該分層結構3201是第31圖中描述的結構3101的具體示例，其中分層結構3201內的金屬合金層138(類似於第31圖中的金屬合金層135)由氧化鉬(MoOx，其中0<x
Figure 107133489-A0305-02-0029-4
3)組成。
另一個示例，第33圖示出說明分層結構3301的區塊圖，該分層結構3301是第31圖中描述的結構3101的具體示例，其中金屬合金層138a~138b(類似於第32圖中的138)包含兩個或更多個子層138a~138b。每個子層138a或138b是由具有不同氧對金屬比例的MoOx所組成。在一些實施例中，在一層中，金屬合金層可由具有不同氧對金屬比例的混合氧化鉬組成。
另一個示例，第34圖示出說明分層結構3401的方塊圖，該分層結構3401是第31圖中描述的結構3101的具體示例，其中金屬合金層139(類似於第31圖中的金屬合金層135)由氮化鉬(MoNy，其中0<y
Figure 107133489-A0305-02-0030-2
2)組成。
另一個示例，第35圖示出說明分層結構3501的區塊圖，該分層結構3501是第31圖中描述的結構3101的具體示例。其中金屬合金層139a~139b(類似於第34圖中的金屬合金層139)包含兩個或更多個子層139a~139b。每個子層139a或139b由具有不同氮對金屬比例的MoNy組成。在一些實施例中，在一層中，金屬合金層可由具有不同氮對金屬比例的混合氮化鉬組成。
應該注意，第32圖到第35圖提供金屬合金層135的實例只用於說明目的。金屬合金層135可由任何金屬氧化物、金屬氮化物或金屬矽化物的混合物組成。
第36圖示出說明分層結構3601的方塊圖，該分層結構3601包含兩個額外的金屬合金層以調節金屬層的功函數。基於第31圖中所示的分層結構3101，在第二稀土氧化物層131及第二磊晶金屬層136之間插入金屬合金層135，可以在第一金屬層106及半導體層108之間插入重複的稀土氧化物層142及金屬合金層140。如方塊圖中所示，在第一磊晶金屬層106及半導體層108之間的是金屬合金層140及在金屬合金層140上的稀土氧化物層142結構的一次出現或多次重複出現。第二金屬合金層140能是由金屬元素(例如，鉬)及非金屬元素(例如，氧或氮)組成，且兩個元素之間的比例可用於調節金屬層的功函數。
例如，類似於第32圖到第35圖中討論的第一金屬合金層示例，第二金屬合金層140可由具有不同氧對金屬比例的一種或多種MoOx、具有不同 氮對金屬比例的MoNy的一種或多種、金屬矽化物的一種或多種或其任何組合組成。在一些實施例中，第二金屬合金140可具有與第一金屬合金135相同的組成，例如，兩者都具有相同的金屬及相同的非金屬成分以及相同的非金屬對金屬比例。在其他實施例中，第二金屬合金140可與第一金屬合金135具有相同的成分，例如，兩者都具有相同的金屬及相同的非金屬成分，但不同的非金屬對金屬比例。在其他實施例中，第二金屬合金140及第一金屬合金135可以具有不同的成分。
第37圖示出說明放置第二金屬合金層150的替代實施例的方塊圖。基於第31圖的分層結構3101，在分層結構3701中，第二金屬合金層150在第二磊晶金屬層136上。第二金屬合金層150可以類似於就第36圖而言所描述的金屬合金層140。
第38圖示出說明類似於第36圖的分層結構3601的結構的裝置集成的方塊圖3801。具體地，金屬層106及136能分別用作為裝置集成的觸點。如結構3801所示，將第36圖的分層結構3601實現為具有配置為與另一個裝置連接的第一接觸點的第一金屬層106的裝置，並且具有配置為用於與另一個裝置連接的第二接觸點的第二金屬層136。藉由改變金屬合金層135及140中的金屬及非金屬成分的比例，可相應地調整金屬層106及136的功函數。
第39圖示出用於製造第31圖中的分層結構的方法的流程圖。在步驟3901，配置由第一金屬元素(例如，表1中的金屬)組成的第一金屬層。在步驟3902，在第一金屬層上配置第一半導體層。在步驟3903，在第一半導體層上配置第一稀土氧化物層。在步驟3904，在第一稀土氧化物層上配置第一金屬合金層。在步驟3905，在第一金屬合金層上配置第二金屬層。在一個實施例中， 「配置」(configure)意味著生長(grow)或設置(dispose)，或任何其他方式以使層存在於另一層之上。
如本文所述，層是指覆蓋表面的材料的基本均勻厚度。層可以是連續或不連續的(亦即，在材料的區域之間具有間隙)。例如，層可以完全或部分覆蓋表面，或分段成不連續的區域，其共同定義層(亦即，使用選擇性區域磊晶形成的區域)。
通常藉由設置在表面上的沉積層，在基板的表面上形成單片集成。
設置是指「存在於下面材料或層之上」。此層可包含確保合適表面所必需的中間層、例如過渡層。例如，如果材料描述為「設置在基板上」，則這可以意味著(1)材料與基板緊密接觸；或(2)該材料與位於基底上的一個或多個過渡層接觸。
單晶指基本上僅包含一種單位晶胞的晶體結構。然而，單晶層可能表現出一些結晶缺陷，例如堆疊缺陷、位錯或其他常見的結晶缺陷。
單域指晶體結構，其基本上只包含單位晶胞的一種結構，並且基本上只包含該單位晶胞的一種取向。換句話說，單域晶體不表現孿晶或反相域。
單相指單晶及單域的晶體結構。
基板指在其上形成沉積層的材料。示例性基板包含但不限於：大塊矽晶片，其中晶片包含均勻厚度的單晶矽；複合晶片，例如絕緣體上矽晶片，其包含設置在大塊矽處理晶片上的二氧化矽層上的矽的層；或者用作基層上的任何其他材料，或在其中形成元件。作為應用的功能，適合用作基板層及大塊基板的這種其他材料的示例包含但不限於鍺，氧化鋁、砷化鎵、磷化銦、二氧 化矽、矽氧化物、硼矽酸鹽玻璃、派熱克斯玻璃、以及藍寶石。基板可以具有單一塊晶片或多個子層。具體地，矽基板可包含多個不連續的多孔部分。多個不連續多孔部分可具有不同的密度，並且可水平分佈或垂直分層。
錯切基板指包含表面晶體結構的基板，該表面晶體結構與基板的晶體結構的角度取向相關。例如，6°錯切<100>矽晶片包含<100>矽晶片，其已經以與<100>晶體取向成一角度朝向另一主要晶體取向(例如<110>)切割6°。通常但不一定，錯切將達到約20°。除非特別指出，否則術語「錯切基板(miscut substrate)」包含具有任何主要晶體取向的錯切晶片。也就是說，<111>晶片向<011>方向的錯切、<100>晶片向<110>方向的錯切、以及<011>晶片向<001>方向的錯切。
半導體指導電性介於絕緣體及大多數金屬之間的任何固體物質。示例半導體層由矽組成。半導體層可包含單一塊晶片或多個子層。具體地，矽半導體層可包含多個不連續的多孔部分。多個不連續的多孔部分可具有不同的密度，並且可以水平分佈或垂直分層。
絕緣體上半導體是指包含單晶半導體層、單相介電層及基板的組合物，其中介電層插入在半導體層及基板之間。此結構使人聯想到習知技術的絕緣體上矽(SOI)組合物，其通常包含單晶矽基板，非單相介電層(例如，不定形二氧化矽等)及單晶矽半導體層。習知技術之SOI晶片與本發明的絕緣體上半導體組合物之間的幾個重要區別在於：絕緣體上半導體組合物包含具有單相形態的介電層，然而SOI晶片則不包含。實際上，典型SOI晶片的絕緣層甚至不是單晶。
絕緣體上半導體組合物包含矽、鍺或矽-鍺「主動」層，然而現有技術的SOI晶片使用矽主動層。換句話說，示例性絕緣體上半導體組合物包含但不限於：絕緣體上矽、絕緣體上鍺、及絕緣體上矽-鍺。
本文描述及/或描繪為配置在第二層上的第一層，「上(on)」或「上方(over)」，可以緊鄰第二層，或一個或多個中間層可以在第一層及第二層之間。在本文中描述及/或描繪為「直接在第二層或基板上(directly on或directly over)」的第一層或緊鄰第二層的基板或基板不存在中間層，除了可能的中間合金層之外可由第一層與第二層或基板的混合形成。此外，在本文中描述及/或描繪為在第二層或基板「上(on)」、「上方(over)」或「直接在上(directly on)」上方的第一層可覆蓋整個第二層或基板，或者第二層或基底的一部分。
在層生長期間將基板放置在基板支架上，因此頂表面或上表面是離基板支架最遠的基板或層的表面，同時底表面或下表面是最靠近基板支架的基板或層的表面。本文描繪及描述的任何結構能是較大結構的一部分，在所描繪的那些之上及/或之下具有附加層。為清楚起見，這裡的附圖能省略這些附加層，儘管這些附加層能是公開結構的一部分。此外，所描繪的結構能以單位重複，即使這些重複未在圖中示出。
從以上描述中顯而易見的是，在不脫離本公開的範圍的情況下，可使用各種技術來實現本文描述的概念。所描述的實施例在所有方面都被認為是說明性而非限制性的。也應當理解，本文描述的技術及結構不限於本文描述的特定示例，而是能在不脫離本公開的範圍的情況下以其他示例實現。類似地，雖然在附圖中以特定順序描繪了操作，但這不應理解為要求以所示的特定順序或按順序執行這些操作，或執行所有示出的操作，以實現期望的結果。
100:結構
102:基板
104:結晶稀土氧化物層
106:金屬層
108:半導體層

Claims (20)

  1. 一種分層結構，其包含：一第一金屬層，係由一第一金屬元素組成；一第一半導體層，係在該第一金屬層上；一第一稀土氧化物層，係在該第一半導體層上；一第一金屬合金層，係在該第一稀土氧化物層上；以及一第二金屬層，係在該第一金屬合金層上；其中該第一金屬合金層係由一第一成分及一第二成分組成，以及其中在該第一成分及該第二成分之間的一第一比例係用以調節該第二金屬層的功函數。
  2. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一成分包含一金屬元素，以及該第二成分包含一非金屬元素。
  3. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一成分或該第二成分係選自包含有一金屬氧化物及一金屬氮化物的一組中。
  4. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一金屬合金層包含：一第一子層，係由具有一第一氧對金屬比例的一第一氧化鉬組成；以及一第二子層，係由具有一第二氧對金屬比例的一第二氧化鉬組成，以及其中該第一子層到該第二子層的轉變(gradient)係偕同從該第一氧對金屬比例至該第二氧對金屬比例的梯度變化。
  5. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一金屬合金層包含：一第一子層，係由具有一第一氮對金屬比例的一第一氮化鉬組成；以 及一第二子層，係由具有一第二氮對金屬比例的一第二氮化鉬組成，以及其中該第一子層到該第二子層的轉變係偕同從該第一氮對金屬比例至該第二氮對金屬比例的梯度變化。
  6. 如請求項1所述之分層結構，進一步包含：一第二金屬合金層；以及一第二稀土氧化物層，係在該第二金屬合金層上，其中該第二金屬合金層及該第二稀土氧化物層係放置在該第一金屬層及該第一半導體層之間，以及其中該第二金屬合金層係由一金屬元素及一非金屬元素組成，並且在該金屬元素及該非金屬元素之間的一第二比例係被用以調節該第一金屬層的功函數。
  7. 如請求項1所述之分層結構，進一步包含：一第二金屬合金層，係在該第二金屬層上，其中該第二金屬合金層係由一種或多種金屬矽化物組成。
  8. 如請求項1所述之分層結構，進一步包含：一第三金屬層，係在該第二金屬層上。
  9. 如請求項5所述之分層結構，其中該分層結構係被實現為一裝置，該裝置係以該第一金屬層作為一第一接觸點以連接另一裝置，並且以該第二金屬層作為一第二接觸點以連接再另一裝置。
  10. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一金屬層及該第二金屬層係由不同金屬元素組成。
  11. 一種分層結構的設置方法，其包含下列步驟：配置由一第一金屬元素組成的一第一金屬層； 在該第一金屬層上配置一第一半導體層；在該第一半導體層上配置一第一稀土氧化物層；在該第一稀土氧化物層上配置一第一金屬合金層；以及在該第一金屬合金層上配置一第二金屬層；其中該第一金屬合金層係由一第一成分以及一第二成分所組成；以及其中在該第一成分及該第二成分之間的一第一比例係用以調節該第二金屬層的功函數。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該第一成分包含一金屬元素，且該第二成分包含一非金屬元素。
  13. 如請求項11所述之方法，其中該第一成分或該第二成分係選擇自包含有一金屬氧化物及一金屬氮化物的一組中。
  14. 如請求項11所述之方法，其中配置該第一金屬合金層之該步驟進一步包含：配置一第一子層，該第一子層係由具有一第一氧對金屬比例的一第一氧化鉬組成；以及配置一第二子層，該第二子層係由具有一第二氧對金屬比例的一第二氧化鉬組成；以及其中該第一子層到該第二子層的轉變係偕同從該第一氧對金屬比例至該第二氧對金屬比例的梯度變化。
  15. 如請求項11所述之方法，其中配置該第一金屬層之該步驟進一步包含：配置一第一子層，該第一子層係由具有一第一氮對金屬比例的一第一氮化鉬組成；以及配置一第二子層，該第二子層係由具有一第二氮對金屬比例的一第二氮化鉬組成；以及 其中該第一子層到該第二子層的轉變係偕同從該第一氮對金屬比例至該第二氮對金屬比例的梯度變化。
  16. 如請求項11所述之方法，進一步包含：配置一第二金屬合金層以及在該第二金屬合金層上的一第二稀土氧化物層，其中該第二金屬合金層及該第二稀土氧化物層係放置在該第一金屬層及該第一半導體層之間，以及其中該第二金屬合金層係由一金屬元素及一非金屬元素組成，並且在該金屬元素及該非金屬元素之間的一第二比例係被用以調節該第一金屬層的功函數。
  17. 如請求項11所述之方法，進一步包含：配置一第二金屬合金層在該第二金屬層上，其中該第二金屬合金層係由一種或多種金屬矽化物組成。
  18. 如請求項11所述之方法，進一步包含：配置一第三金屬層在該第二金屬層上。
  19. 如請求項15所述之方法，其中該分層結構係被實現為一裝置，該裝置係以該第一金屬層作為一第一接觸點以連接另一裝置，並且以該第二金屬層作為一第二接觸點以連接再另一裝置。
  20. 如請求項11所述之方法，其中該第一金屬層及該第二金屬層係由不同金屬元素組成。
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