專利名稱：至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)之間包括應(yīng)變超晶格的半導(dǎo)體器件以及相關(guān)方法
至少 一 對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)之間包括應(yīng)變超晶格 的半導(dǎo)體器件以及相關(guān)方法技術(shù)領(lǐng)域
Wang等人的美國(guó)專利5,357,119號(hào)公開一種具有通過減 少擴(kuò)散在超晶格中的合金而實(shí)現(xiàn)的較高遷移率的Si-Ge短周期超晶 格。按照如此方法，Candelaria的美國(guó)專利5,683,934號(hào)公開一種包 括通道層的增強(qiáng)遷移率MOSFET,通道層包含硅與以將通道層置于拉伸應(yīng)力下的百分比替代地存在于硅晶格中的第二金屬的合金。
Wang、 Tsu和Lofgren的7>開國(guó)際申請(qǐng)WO 02/103,767 Al公開一種由薄的硅和氧、碳、氮、磷、銻、砷或氫制成的勢(shì)壘構(gòu) 建塊，從而減小垂直流過晶格的電流多于四個(gè)數(shù)量級(jí)。絕緣層/勢(shì)壘 層允許低缺陷的外延硅緊靠著絕緣層而沉積。
Mears等人的公開英國(guó)專利申請(qǐng)2，347，520公開，非周期 光子帶隙(APBG)結(jié)構(gòu)的原理可以適用于電子帶隙工程。特別地， 該申請(qǐng)公開可以設(shè)計(jì)材料參數(shù)，例如能帶最小值的位置、有效質(zhì)量等 以產(chǎn)生具有期望能帶結(jié)構(gòu)特征的新的非周期材料。其他參數(shù)，例如電 導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和介電常數(shù)或磁導(dǎo)率公開為也能夠設(shè)計(jì)到材料中。盡管關(guān)于材料工程進(jìn)行大量努力以增加半導(dǎo)體器件中電荷載流子 的遷移率，但是仍然存在對(duì)于更大改進(jìn)的需求。更大的遷移率可以增加器件速度和/或減小器件功耗。具有更大的遷移率，也可以維持器 件性能，盡管向較小器件和新器件構(gòu)造的連續(xù)移動(dòng)。發(fā)明內(nèi)容0010考慮到前述背景，因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有增強(qiáng)工作特性的半導(dǎo)體器件。
圖9是根據(jù)本發(fā)明包括超晶格以及位于超晶格上面的應(yīng) 力層的再一種半導(dǎo)體器件實(shí)施方案的示意橫截面視圖。
同樣建立理論，半導(dǎo)體器件例如說明的MOSFET 20將 享有比否則將存在的更高的基于較低電導(dǎo)率有效質(zhì)量的電荷載流子遷 移率。在一些實(shí)施方案中，并且作為能帶工程的結(jié)果，超晶格25可 以進(jìn)一步具有基本上直接能量帶隙，這對(duì)于例如光電子器件可能特別 有利，例如在標(biāo)題為"INTERGRATED CIRCUIT COMPRISING AN ACTIVE OPTICAL DEVICE HAVING AN ENERGY BAND ENGINEERED SUPERLATTIC (包括具有能帶設(shè)計(jì)超晶格的有源光 學(xué)器件的集成電路)，，的共同未決申請(qǐng)，轉(zhuǎn)讓給本受讓人的美國(guó)專利 申請(qǐng)序列號(hào)10/936，卯3中陳述的那些，在此引用其全部?jī)?nèi)容作為參 考。
如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，MOSFET 20的源極/漏 極區(qū)22, 23和柵極35可以看作使得電荷載流子在相對(duì)于層疊層組 45a-45n的平行方向上輸運(yùn)通過應(yīng)變超晶格層25的區(qū)域，如將在下面進(jìn)一步討論的。也就是，器件的通道限定在超晶格25中。其他這 種區(qū)域也由本發(fā)明考慮。申請(qǐng)人:建立理論，而不希望局限于此理論，能帶修改層 50和相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n使得超晶格25具有比否則將存在 的更低的平行層方向上電荷載流子的適當(dāng)電導(dǎo)率有效質(zhì)量。另一種方 法考慮，該平行方向垂直于層疊方向。能帶修改層50也可以使得超 晶格25具有普通能帶結(jié)構(gòu)。建立理論，而申請(qǐng)人不希望局限于此理論，對(duì)于超晶格 例如Si/O超晶格，硅單層的數(shù)目應(yīng)當(dāng)期望地是七個(gè)或更少，使得超 晶格的能帶普通或各處相對(duì)均勻，以實(shí)現(xiàn)期望的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，多于七 個(gè)硅層可以在一些實(shí)施方案中使用。已經(jīng)模擬圖2和3中所示對(duì)于 Si/O的4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)以指示X方向上電子和空穴的增強(qiáng)遷移率。例 如，計(jì)算的電子電導(dǎo)率有效質(zhì)量(對(duì)于體硅各向同性)是0,26，并且 對(duì)于X方向上的4/1 SiO超晶格，它是0.12,導(dǎo)致0.46的比值。類 似地，空穴的計(jì)算對(duì)于體硅產(chǎn)生0.36的值而對(duì)于4/1 Si/O超晶格產(chǎn) 生0.16的值，導(dǎo)致0.44的比值。
在上述實(shí)施方案中，摻雜該對(duì)應(yīng)力區(qū)227， 228以提供源 極和漏極區(qū)222， 223。而且，應(yīng)力區(qū)227， 228 i兌明性地包括與應(yīng)變 超晶格的相對(duì)部分相鄰的傾斜表面或小平面245, 246。傾斜表面245， 246可以由用來對(duì)超晶格225形成圖案的刻蝕工藝產(chǎn)生，使得 應(yīng)力誘導(dǎo)材料可以與其相鄰沉積。但是，表面245， 246不需要在所 有實(shí)施方案中都傾斜。關(guān)于制造具有應(yīng)變誘導(dǎo)源極和漏極區(qū)的應(yīng)變通 道器件的更多細(xì)節(jié)在Yu等人的美國(guó)專利6,495,402號(hào)和Lindert等人 的美國(guó)專利公開2005/0142768號(hào)中公開，在此引用二者的全部?jī)?nèi)容 作為參考。[0072參考圖9， MOSFET 320說明性地包括位于應(yīng)變超晶格 層325上的應(yīng)力層347。作為實(shí)例，應(yīng)力層可以是沉積在MOSFET 320的源極、漏極和柵極區(qū)上的SiN層，其在包括超晶格層325的底 層半導(dǎo)體材料中引起應(yīng)變。如上所述，依賴于超晶格層325中期望的 應(yīng)變類型，可以使用拉伸或壓縮氮化物材料。當(dāng)然，其他適當(dāng)材料也 可以用于應(yīng)力層347，并且在一些實(shí)施方案中可以使用多個(gè)應(yīng)力層。18而且，在某些實(shí)施方案中，超晶格層325可以"記憶，，由上覆應(yīng)力層 347引起的應(yīng)變，并且此后可以去除應(yīng)力層，如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員 理解的。關(guān)于在使用上覆應(yīng)力層的半導(dǎo)體區(qū)中產(chǎn)生應(yīng)變的更多細(xì)節(jié)可 以在Chau等人的美國(guó)專利公開2005/0145894號(hào)和Sun等人的 2005/0247926號(hào)中找到，在此引用二者的全部?jī)?nèi)容作為參考。[0073現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明用于制造半導(dǎo)體器件例如MOSFET 20的第一方法方面。該方法包括形成應(yīng)力層26，以及在應(yīng)力層上形 成應(yīng)變超晶格層25。另一個(gè)方法方面用于制造半導(dǎo)體器件，例如 MOSFET 220，其包括形成超晶格層225，以及在超晶格層的相對(duì)側(cè) 上形成至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)227， 228以便在其中引起應(yīng)變。再一 個(gè)方法方面用于制造半導(dǎo)體器件，例如MOSFET 320，其包括形成 超晶格層325，以及在應(yīng)變超晶格層上形成應(yīng)力層347以便在其中引 起應(yīng)變。各種其他方法步驟和方面將從前述描述中由本領(lǐng)域技術(shù)人員 理解，因此不需要進(jìn)一步在這里討論。[0074應(yīng)當(dāng)注意，在上述實(shí)施方案中，應(yīng)變層不需要總是超晶 格25。相反地，應(yīng)變層可以僅包括多個(gè)基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n，以 及限制在相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)非半導(dǎo)體單層 50 (也就是相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分化學(xué)地結(jié)合在一起，如上所述)。在 該實(shí)施方案中，基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n不需要包括多個(gè)半導(dǎo)體單 層，也就是，每個(gè)半導(dǎo)體部分可以包括例如單個(gè)層或多個(gè)單層。[0075說明性地包括半導(dǎo)體單層81的MOSFET 80在

圖10中 示意顯示，其中半導(dǎo)體單層在分別位于非半導(dǎo)體單層下面和上面的部 分82a， 82b中。柵極電介質(zhì)83說明性地位于通道85上，并且柵電 極84位于柵極電介質(zhì)上。柵極電介質(zhì)83的下部與通道85的上部之 間的區(qū)域限定界面86。源極和漏極(沒有顯示)位置將與通道85橫 向相鄰，如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。[0076可以基于MOSFET設(shè)計(jì)選擇非半導(dǎo)體材料81的單層距 離界面86的深度，如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。例如，大約4-100單層的深度，以及更優(yōu)地大約4-30單層的深度，可以對(duì)于典型MOSFET 86對(duì)于硅通道中的氧層而選擇。非半導(dǎo)體材料的該至少一 個(gè)單層可以包括沒有完全遍及所有可用位置的一個(gè)或多個(gè)單層，如上 所述。[0077如上討論的，非半導(dǎo)體可以選自例如氧、氮、氟和碳-氧。非半導(dǎo)體材料81的至少一個(gè)單層可以使用例如原子層沉積技術(shù)沉積，同樣如上所述并且如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。其他沉積和 /或注入方法也可以用來形成通道85以在相鄰半導(dǎo)體層82a， 82b的 晶格內(nèi)包括該至少一個(gè)非半導(dǎo)體材料層81。[0078j界面處的密度對(duì)比以埃為單位的氧層深度的仿真圖表90 在圖11中顯示。如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，在實(shí)施方案例如說 明的MOSFET80中，不需要使用超晶格的重復(fù)組，然而該至少一個(gè) 非半導(dǎo)體單層81仍然可以提供對(duì)遷移率的增強(qiáng)。另外，申請(qǐng)人也建 立理論，而不希望局限于此理論，作為界面86處波函數(shù)的減小振幅 的結(jié)果，這些實(shí)施方案也將具有較低的隧道效應(yīng)柵極泄漏。同樣建立 理論，這些實(shí)施方案的更多期望特征包括子能帶之間增加的能量間 距，以及子能帶的空間間距，從而減小子能帶擴(kuò)散。[0079當(dāng)然在其他實(shí)施方案中，該至少一個(gè)單層81也可以結(jié)合 底層超晶格使用，如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。此外，具有在前述 描述和相關(guān)附圖中提出的講授的益處的本發(fā)明許多修改和其他實(shí)施方 案將容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限 于公開的具體實(shí)施方案，并且修改和實(shí)施方案是預(yù)期的。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)；以及位于所述至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)之間并且包括多個(gè)層疊層組的應(yīng)變超晶格層；所述應(yīng)變超晶格層的每個(gè)層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層，以及限制在相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一對(duì)間隔的應(yīng) 力區(qū)包括至少一對(duì)源極和漏極區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)力區(qū)的至少一個(gè) 具有與所述應(yīng)變超晶格的相對(duì)部分相鄰的傾斜表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)力區(qū)的至少一個(gè) 包括硅和鍺。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括位于所述至少一對(duì)間 隔的應(yīng)力區(qū)以及所述應(yīng)變超晶格層下面的半導(dǎo)體襯底。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)變超晶格層具有 壓縮應(yīng)變。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)變超晶格層具有 拉伸應(yīng)變。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中每個(gè)基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包 括選自IV族半導(dǎo)體、III-V族半導(dǎo)體和II-VI族半導(dǎo)體的基礎(chǔ)半導(dǎo) 體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中每個(gè)非半導(dǎo)體單層包括 選自氧、氮、氟和碳-氧的非半導(dǎo)體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分化 學(xué)地結(jié)合在一起。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中每個(gè)非半導(dǎo)體單層是單個(gè)單層厚。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中每個(gè)基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分小 于八個(gè)單層厚。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)變超晶格層還包 括位于最高層組上面的基礎(chǔ)半導(dǎo)體蓋層。
14. 一種半導(dǎo)體器件，包括 至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)；以及位于所述至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)之間并且包括多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半 導(dǎo)體部分和限制在相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層的應(yīng)變層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一對(duì)間隔的 應(yīng)力區(qū)包括至少 一對(duì)源極和漏極區(qū)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)力區(qū)的至少一 個(gè)具有與所述應(yīng)變層的相對(duì)部分相鄰的傾斜表面。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體器件，其中所述應(yīng)力區(qū)的至少一 個(gè)包括硅和鍺。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體器件，其中相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分 化學(xué)地結(jié)合在一起。
19. 一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括 形成包括多個(gè)層疊層組的超晶格層；以及在超晶格層的相對(duì)側(cè)上形成至少 一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)以在其中引起 應(yīng)變；應(yīng)變超晶格層的每個(gè)層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊基 礎(chǔ)半導(dǎo)體單層，以及限制在相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè) 非半導(dǎo)體單層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)包 括至少一對(duì)源極和漏極區(qū)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中應(yīng)力區(qū)的至少一個(gè)具有與超 晶格層的相對(duì)部分相鄰的傾斜表面。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中應(yīng)力區(qū)的至少一個(gè)包括硅和鍺。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中每個(gè)基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包括選 自IV族半導(dǎo)體、III-V族半導(dǎo)體和II-VI族半導(dǎo)體的基礎(chǔ)半導(dǎo)體；以 及其中每個(gè)非半導(dǎo)體單層包括選自氧、氮、氟和碳-氧的非半導(dǎo)體。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分化學(xué)地 結(jié)合在一起。
25. —種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括形成包括多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分和限制在相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部 分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層的應(yīng)變層；以及在應(yīng)變層的相對(duì)側(cè)上形成至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)以在其中引起應(yīng)變。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)包 括至少一對(duì)源極和漏極區(qū)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中應(yīng)力區(qū)的至少一個(gè)具有與應(yīng) 變層的相對(duì)部分相鄰的傾斜表面。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中應(yīng)力區(qū)的至少一個(gè)包括硅和鍺。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分化學(xué)地 結(jié)合在一起。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，可以包括至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)(227，228)，以及位于該至少一對(duì)間隔的應(yīng)力區(qū)之間并且包括多個(gè)層疊層組的應(yīng)變超晶格層(225)。應(yīng)變超晶格層的每個(gè)層組可以包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層，以及限制在相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。
文檔編號(hào)H01L29/10GK101258604SQ200680025681
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者斯科特·A.·柯瑞普斯, 羅伯特·J.·梅爾斯 申請(qǐng)人:梅爾斯科技公司