使用钛种子层在不含氮化硅界面的硅衬底上生长氮化钛的方法与流程

1.本发明一般涉及在硅衬底上生长氮化钛(tin)。更具体地说，本发明涉及在不含氮化硅界面的硅衬底上生长tin之前生长钛(ti)种子(seed)层。


背景技术：

2.图1a-c描绘了在硅衬底上生长氮化物的现有技术方法。图1a描绘了si《100》/sio
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晶片或si《111》/sio
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晶片。
3.图1b描绘了经由湿法蚀刻(例如，缓冲的氧化物蚀刻)去除sio
x
的si《100》或si《111》衬底。
4.图1c描绘了在氩-氮(ar-n2)等离子体存在下通过溅射金属(例如ti、v、mo等)形成的氮化物层(例如tin层、vn层、mon
x
层等)。图1c还描绘了使用这种现有技术氮化物生长技术的问题。该工艺中通常使用的高温(～500℃或更高)和/或包含反应性氮基等离子体物质的等离子体使硅衬底顶表面反应并在氮化物层(例如tin层、vn层、mon
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层等)与si《100》或si《111》衬底的界面处形成sin
x
。
5.图1d-1e描绘了在tin层和si衬底层之间形成sin
x
层的一个示例。
6.形成这种中间氮化硅层是不希望的。
7.本发明的实施例是对现有技术系统和方法的改进。


技术实现要素：

8.在一个实施例中，本发明提供了一种方法，包括：直接在反应性衬底的表面上由钛ti源形成ti种子层，所述表面基本上不含氧化物和氮化物；以及从氮等离子体源引入反应性氮物质并从所述ti源引入附加的ti，所述氮等离子体：(a)与所述ti种子层反应以形成tin，以及(b)与所述附加的ti反应以形成附加的tin，所述tin和所述附加的tin共同形成直接接触所述衬底的所述表面的tin超导层。
9.在另一实施例中，本发明提供了一种器件，包括：衬底；以及tin超导层，其覆盖所述衬底并与所述衬底接触，其中所述衬底基本上不含ti和氮两者，以及其中所述tin超导层通过以下步骤形成：直接在衬底的表面上由钛ti源形成ti种子层，所述表面基本上不含氧化物和氮化物；以及从氮等离子体源引入反应性氮物质并从所述ti源引入附加的ti，所述氮等离子体：(a)与所述ti种子层反应以形成tin，以及(b)与所述附加的ti反应以形成附加的tin，所述tin和所述附加的tin共同形成直接接触所述衬底的所述表面的tin超导层。
10.在又一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：将钛(ti)沉积到底层的表面上以在其上形成ti层，其中所述底层的所述表面被选择为基本上不含氧化物和氮化物；以及在反应性氮物质的存在下，朝向所述ti层引导附加的ti以形成与所述底层的所述表面接触的tin超导层，所述氮与所述附加的ti和所述ti层两者反应，从而形成与所述底层的所述表面接触的所述tin超导层。
11.在另一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：直接在衬底的表面上由钛ti源形成ti种子层，所述表面基本上不含氧化物和氮化物；从氮等离子体源引入反应性氮物质并从所述ti源引入附加的ti，所述氮等离子体：(a)与所述ti种子层反应以形成tin，以及(b)与所述附加的ti反应以形成附加的tin，所述tin和所述附加的tin共同形成直接接触所述衬底的所述表面的具有第一厚度的tin超导层；以及将所述衬底的温度升高到100℃以上，同时将所述tin层的厚度增加到第二厚度。
12.在又一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：直接在衬底的表面上由金属源形成种子层，所述源选自以下中的任一者：钛(ti)、钒(v)、锆(zr)、钨(w)、钽(ta)和钼(mo)，所述表面基本上不含氧化物和氮化物；以及从氮等离子体源引入反应性氮物质并从选自钛(ti)、钒(v)、锆(zr)、钨(w)、钽(ta)和钼(mo)中的所述金属源引入附加的金属，所述氮等离子体：(a)与所述种子层反应以形成氮化物，以及(b)与所述附加的金属反应以形成附加的氮化物，所述氮化物和所述附加的氮化物共同形成直接接触所述衬底的所述表面的氮化物超导层。
13.在另一实施例中，本发明提供了一种包含：衬底；以及tin超导层，其覆盖所述衬底并与所述衬底接触，其中所述衬底基本上不含ti和氮两者，以及其中所述tin超导层通过以下步骤形成：直接在衬底的表面上由钛ti源形成ti种子层，所述表面基本上不含氧化物和氮化物；以及从氮等离子体源引入反应性氮物质并从所述ti源引入附加的ti，所述氮等离子体：(a)与所述ti种子层反应以形成tin，以及(b)与所述附加的ti反应以形成附加的tin，所述tin和所述附加的tin共同形成直接接触所述衬底的所述表面的tin超导层，以及其中所述tin超导层已被蚀刻以形成超导谐振器，以及其中所述超导谐振器的品质因数在100,000与十亿之间。
附图说明
14.根据一个或多个不同的示例，参考以下附图详细描述本公开。附图仅出于说明的目的而提供，并且仅描绘本公开的示例。提供这些附图是为了便于读者理解本公开，而不应被认为是对本公开的广度、范围或适用性的限制。应当注意，为了清楚和容易说明，这些附图不一定按比例绘制。
15.图1a-c描绘了在硅衬底上生长氮化物的现有技术方法。
16.图1b描绘了其中经由湿法蚀刻去除sio
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的硅衬底。
17.图1c描绘了在氮等离子体存在的情况下通过溅射金属形成的氮化物层。
18.图1d-1e描绘了在tin层和si衬底层之间不期望地形成sin
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层的一个示例。
19.图2a-b描绘了本发明方法的一个实施例，其中钛(ti)种子层直接形成在衬底的表面上。
20.图2c-2d描绘了形成tin层和si衬底层而没有任何中间氮化硅层的一个示例。
21.图3a描绘了根据本发明教导的这种裸谐振器的计算机辅助设计(cad)。
22.图3b描绘了根据本发明的教导由在衬底的顶部上生长的超导氮化钛(tin)形成的裸谐振器的光学图像。
23.图4描绘了q(单位为103)相对于ti种子厚度(单位为nm)的图。
具体实施方式
24.虽然在优选实施例中示出和描述了本发明，但是本发明可以以许多不同的配置来生产。在附图中示出并将在此详细描述本发明的优选实施例，应当理解，本公开应被认为是本发明的原理及其构造的相关联功能性说明的示例，而不是将本发明限制于所示的实施例。本领域技术人员将预见本发明范围内的许多其它可能的变化。
25.注意，在本说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着所引用的特征被包括在本发明的至少一个实施例中。此外，在本说明书中对“一个实施例”的单独引用不一定是指同一实施例；然而，除非说明并且除非对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，否则这些实施例也不是相互排斥的。因此，本发明可以包括本文所述实施例的任何各种组合和/或结合。
26.图2a描绘了本发明的方法的一个实施例。首先，直接在衬底(例如si《100》或si《111》衬底)的表面上由ti源形成钛(ti)种子层，其中衬底的表面不含氧化物和氮化物。ti种子在衬底的表面的厚度范围为0.5至1nm。接着，从氮等离子体源引入反应性氮物质，并从ti源引入附加的ti。氮等离子体(a)与ti种子层反应以形成氮化钛(tin)以及(b)与附加的ti反应以形成附加的tin，tin和附加的tin共同形成直接接触衬底的表面的tin超导层，如图2b所示。所形成的tin层具有范围在1nm与2000nm之间的最终厚度。
27.应注意，虽然描述了由ti种子层形成tin，但也可以设想其它种子层和对应的氮化物层。例如，具有0.5nm至1nm范围内的厚度的钒(v)、锆(zr)、钨(w)、钽(ta)和钼(mo)可以用于种子层，并且它们的对应氮化物(例如vn、zrn、wn
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、tan
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、mon
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)可以形成在硅衬底之上。氮化物层的厚度可以在1nm到2000nm的范围内。
28.图2c-d描绘了形成tin层和si衬底层而没有任何中间氮化硅层的一个示例。观察到如果tin是在si上由ti种子生长的，则没有sin
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被形成。
29.在另一实施例中，本发明提供了一种器件，包括：衬底；以及tin超导层，其覆盖衬底并与衬底接触，其中衬底基本上不含ti和氮两者，以及其中tin超导层通过以下步骤形成：直接在衬底的表面上由ti源形成钛(ti)种子层，表面基本上不含氧化物和氮化物；以及从氮等离子体源引入反应性氮物质并从ti源引入附加的ti，氮等离子体(a)与ti种子层反应以形成tin，以及(b)与附加的ti反应以形成附加的tin，tin和附加的tin共同形成直接接触衬底的表面的tin超导层。
30.由这种不含sin
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界面的tin膜形成的超导谐振器的品质因数(q)在100,000和十亿之间。图3a描绘了根据本发明的教导的这种裸谐振器的计算机辅助设计(cad)。图3b描绘了根据本发明的教导由在硅衬底的顶部上生长的超导氮化钛(tin)形成的裸谐振器的光学图像。
31.图4描绘品质因数q(单位为103)相对于ti种子厚度(单位为nm)的图。从图中可以看出，当ti种子层的厚度从0.6nm至0.7nm时，q逐渐升高，然后当ti种子层的厚度为0.8nm时，q急剧下降。
32.在又一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：将钛(ti)沉积到底层的表面上以在其上形成ti层，其中底层的表面被选择为基本上不含氧化物和氮化物；以及在氮等离子体的存在下，朝向ti层引导附加的ti以形成与底层的表面接触的tin超导层，氮等离子体与附加的ti和ti层两者反应，从而形成与底层的表面接触的tin超导层。
33.在另一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：直接在衬底的表面上由ti源形成钛(ti)种子层，该表面基本上不含氧化物和氮化物；从氮等离子体源引入反应性氮物质并从ti源引入附加的ti，氮等离子体：(a)与所述ti种子层反应以形成tin，以及(b)与附加的ti反应以形成附加的tin，tin和附加的tin共同形成直接接触衬底的表面的具有第一厚度的tin超导层；以及将衬底温度升高到100℃以上，同时将tin层的厚度增加到第二厚度。
34.应当理解，所公开的过程中的步骤的任何特定顺序或层次是示例性方法的说明。基于设计偏好，应理解，可重新布置过程中的步骤的特定顺序或层次，或执行所有说明的步骤。一些步骤可以同时执行。
35.对这些方面的各种修改将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可被应用于其他方面。因此，权利要求不旨在被限制于本文所示的方面，而是要被赋予与语言权利要求一致的全部范围，其中除非特别地陈述，否则以单数形式对元件的引用不旨在表示“一个且仅一个”，而是表示“一个或多个”。除非另有具体说明，术语“一些”是指一个或多个。男性代词(例如，他的)包括女性和中性(例如，她的和它的)，反之亦然。标题和副标题，如果有的话，仅为了方便而使用，并不限制本主题技术。
36.例如，短语“方面”并不暗示该方面对于主题技术是必要的或者该方面适用于主题技术的所有配置。与一个方面相关的公开内容可以应用于所有配置，或者一个或多个配置。例如，短语一个方面可以指一个或多个方面，反之亦然。例如，短语“配置”并不暗示这样的配置对于主题技术是必要的，或者这样的配置适用于主题技术的所有配置。涉及一种配置的公开内容可以应用于所有配置，或者一个或多个配置。配置可以指一个或多个配置，反之亦然。
37.上述各种实施例仅以说明的方式提供，并且不应被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将容易地认识到，在不遵循本文图示和描述的示例实施例和应用并且不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文所描述的原理进行各种修改和改变。
38.虽然本说明书包含许多具体实现细节，但是这些不应被解释为对任何发明的范围或者可以要求保护的范围的限制，而是作为可以专用于特定发明的特定实施例的特征的描述。在本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中被去除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
39.结论
40.在上述实施例中已经示出了用于在si衬底上生长tin之前生长ti种子层的系统和方法。尽管已经示出和描述了各种优选实施例，但是应当理解，这并不意味着通过这种公开内容来限制本发明，而是意味着覆盖落入如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改。