含有位於應力層上的應變超晶格的半導體器件及其相關方法

2023-04-22 20:12:26 3

專利名稱：含有位於應力層上的應變超晶格的半導體器件及其相關方法
含有位於應力層上的應變超晶格 的半導體器件及其相關方法技術領域


圖1是根據本發明的包括應力層和位於應力層上的應變 層的半導體器件的示意的橫切面圖。
圖9是根據本發明的包括超晶格和位於超晶格上的應力 層的另一半導體器件實施例的示意橫切面圖。
圖10是根據本發明的包括非半導體單層的MOSFET的示意橫切面圖。
現在將參照附圖更加充分地對本發明進行描述，其中顯 示了本發明的優選實施例。然而，可以以不同的方式體現本發明並且 不應當理解成受限於此處所提出的實施例。相反，提供上述實施例是 為了使本發明徹底和完全，並充分地向本領域技術人員傳達本發明的 範疇。相似的號碼從頭到尾指相似的元件，加撇和多撇符號用於在替 代實施例中表示相似的元件。
以下進一步討論了可以用於MOSFET 20中的各種超晶 格結構。就矽-鍺超晶格而言，超晶格層25的晶格間距通常小於矽 鍺應力層26的晶格間距。然而，本實例中的應力層26在超晶格層25 內誘發拉伸應變，這可以用於例如在N型溝道FETs中進一步提供遷 移率增強。或者，可以選擇超晶格層25和應力層26的成分，使得超 晶格具有比應力層更大的晶格間距。這會有優勢地在超晶格層25內誘發壓縮應變，其中超晶格層25可以有優勢地在例如P型溝道FET 器件內提供超晶格的遷移率增強。
在所說明的實施例中，應力層是在垂直方向上分級的分 級半導體層，應變超晶格層25在分級半導體層上被垂直地疊加。在 圖6中所說明的替換的實施例中，MOSFET 20，進一步包括位於分級 半導體層26，和應變超晶格層425，之間的基本上未分級的半導體層 42，。即，基本上未分級的半導體層42，具有從頂部到底部成份基本上 一致的半導體材料(例如，矽鍺)並在應力層26，和超晶格層425，之間提 供緩衝區。更具體而言，基本上未分級的半導體層42，可以具有與應 力層42，頂部的半導體材料一致的成分。可以在Lei等人的公布號為 第2005/0211982號、Bauer等人的第2005/0054175號、Lindert等人 的第2005/0224800號和Arena等人第2005/0051795號美國專利中找 到關於使上覆半導體層(例如，矽)發生應變的分級和未分級層的使用 的進一步信息，因此此處引入其全部內容，作為參考。
在某些實施例中，超晶格25可以有優勢地充當用於柵極 電介質層37的界面。例如，溝道區可以被限定於超晶格25的下部分 內(儘管有些溝道也可以被限定於超晶格下的半導體材料中)，而其上 部分使溝道與電介質層37絕緣。在另一實施例中，溝道可以被單獨 地限定於應力層26中，應變超晶格層25可以僅作為絕緣/界面層被包 括在內。
超晶格25的每個層組45a-45n說明性地包括用於限定各自的基礎半導體部分46a-46n的多個疊加的基礎半導體單層46及其上 的能帶修改層50。為了說明清楚，能帶修改層50，在圖2中以點劃 線表示。
現在再參照圖4，現在描述根據本發明的具有不同特性的 超晶格25，的另一實施例。在該實施例中，說明了重複模式3/1/5/1。更具體而言，最下層的基礎半導體部分46a，具有三個單層，次最下層的基礎半導體部分46b，具有五個單層。這種模式在整個超晶格25，範圍內重複。能帶修改層50，可以每個包括單一的單層。對於包括Si/0的上述超晶格25，來說，電荷載流子遷移率的提高不依賴於層平面內的取向。沒有具體提及的圖4的上述其他元件與參照圖2的上面所討論的元件相似，此處不需要進一步的討論。
圖5A顯示了由伽馬點(G)計算所得的體矽(以連續線表示) 和圖1-3中所示的4/1 Si/0超晶格25(以點線表示)的能帶結構。儘管 圖中的(001)方向與Si的傳統晶胞的(001)方向對應，方向指4/1 Si/O 結構的晶胞，而不是Si的傳統晶胞，從而顯示了 Si導電能帶最低值 的期望位置。圖中的(100)和(010)方向與傳統的Si晶胞的(110)和(-llO) 方向對應。本領域的技術人員會理解圖上的Si能帶被摺疊而將其自身 在4/1 Si/0結構的適當的倒易點陣方向上表示出來。
說明性地包括非半導體單層81的MOSFET 80示意地顯 示於圖10中，其中半導體單層位於分別處於半導體單層下方和上方 的部分82a，82b內。柵極電介質83說明性地位於溝道85上，柵極電極84位於柵極電介質上。柵極電介質83的下部分和溝道85的上部 分之間的區域限定了界面86。源和漏(未顯示)將被與溝道85橫向相 鄰地布置，這一點會為本領域技術人員所理解。
可以基於MOSFET設計選擇非半導體材料81的單層離 界面86的深度，這一點會為本領域技術人員所理解。例如，可以為 矽溝道內的氧層的典型的MOSFET 86選擇大約4-100個單層的深 度，更優選地，選擇大約4-30個單層的深度。非半導體材料的至少 一個單層可以包括在如上所描述的未充分佔有的所有可獲得的位置 的一個或多個單層。0079如上所討論，可以從包括例如氧、氮、氟和碳-氧的組選 擇非半導體。可以利用例如同樣是上述的原子層沉積技術沉積非半導體材料81的至少一個單層，這一點會為本領域技術人員所理解。其 他的沉積和/或注入方法也可以用於形成溝道85,以在相鄰的半導體 層82a、 82b的晶格內包括至少一種非半導體材料層81。[0080圖11中顯示了界面處的密度與以埃為單位的氧層的深度 的模擬曲線90。會為本領域技術人員所理解的是，在諸如所說明的 MOSFET 80的實施例中，不必使用超晶格的重複組，然而至少一個 非半導體單層81仍可以提供遷移率的增強。另外，申請人也提出了 上述實施例也將具有較低的隧道柵極洩漏，這是界面86處的波函數 的量級降低的結果的理論但不希望受限於此。同樣，提出了上述實施 例的更加可取的特徵包括亞帶之間增加的能量分離和亞帶的空間分 離，從而降低了亞帶的散射的理論。[0081當然在其他實施例中，也可以結合底下的超晶格使用至 少一個單層81。此外，具有前面描述和相關附圖中所給出的教導益 處的許多修改和本發明的其他實施例會為本領域的技術人員所理解。 因此，可以理解本發明不是為了受限於所披露的具體實施例，修改和 實施例是預期的。
權利要求
1.一種半導體器件，包括應力層；以及應變超晶格層，位於所述應力層上並且包括多個疊加的層組；所述應變超晶格層的每個層組包括用於限定基礎半導體部分的多個疊加的基礎半導體單層和限制於相鄰基礎半導體部分的晶格內的至少一個非半導體單層。
2. 權利要求l的半導體器件，其中所述應力層包括分級的半導體層。
3. 權利要求2的半導體器件，其中所述分級的半導體層在垂直 方向上被分級；以及其中所述應變超晶格在所述分級半導體層上被垂 直地疊加。
4. 權利要求2的半導體器件，進一步包括定位於所述分級半導 體層和所述應變超晶格層之間的基本上未分級的半導體層。
5. 權利要求2的半導體器件，其中所述分級的半導體層包括分 級的珪鍺。
6，權利要求l的半導體器件，其中所述應力層包括多個應變誘 發柱形物。
7. 權利要求l的半導體器件，進一步包括定位於所述應力層和 所述應變超晶格層之間的絕緣層。
8. 權利要求l的半導體器件，進一步包括使電荷栽流子的傳輸 以相對於疊加的層組平行的方向穿過所述應變超晶格層的區。
9. 權利要求l的半導體器件，進一步包括在與所述應變超晶格 層相對的側面上與所述應力層相鄰的半導體基片。
10. 權利要求l的半導體器件，其中每個基礎半導體部分包括選 自包含族IV半導體、族III - V半導體和族II - VI半導體的組的基礎 半導體；以及其中每個非半導體單層包括選自包括氧、氮、氟和碳-氧的組的非半導體。
11. 權利要求l的半導體器件，其中相鄰的基礎半導體部分被化 學地結合在一起。
12. —種半導體器件，包括 應力層；以及應變層，位於所述應力層上並且包括多個基礎半導體部分和限制 於相鄰基礎半導體部分的晶格內的至少一個非半導體單層。
13. 權利要求16的半導體器件，其中所述應力層包括分級半導體層。
14. 權利要求17的半導體器件，其中所述分級半導體層在垂直 方向上被分級；以及其中所述應變超晶格層在所述分級半導體層上被 垂直地疊加。
15. 權利要求17的半導體器件，進一步包括定位於所述分級半 導體層和所述應變層之間的基本上未分級的半導體層。
16. 權利要求17的半導體器件，其中所述分級的半導體層包括 分級的矽鍺。
17. 權利要求16的半導體器件，其中所述應力層包括多個應變 誘發柱形物。
18. 權利要求16的半導體器件，其中相鄰的基礎半導體部分被 化學地結合在一起。
19. 製造半導體器件的方法，包括 形成應力層；以及應變超晶格層，在應力層上形成並且包括多個疊加的層組； 應變超晶格層的每個層組包括用於限定基礎半導體部分的多個 疊加的基礎半導體單層和限制於相鄰基礎半導體部分的晶格內的至少一個非半導體單層。
20. 權利要求19的方法，其中應力層包括分級的半導體層。
21. 權利要求20的方法，其中分級的半導體層在垂直方向上被 分級；以及其中應變超晶格在所述分級半導體層上被垂直地疊加。
22. 權利要求20的方法，進一步包括在分級半導體層上形成基本上未分級的半導體層；以及其中形成應變超晶格層包括在基本上未 分級的半導體層上形成應變超晶格層。
23. 權利要求20的方法，其中分級半導體層包括分級的矽鍺。
24. 權利要求19的方法，其中應力層包括多個應變誘發柱形物。
25. 權利要求19的方法，其中每個基礎半導體部分包括選自包 括族IV半導體、族III - V半導體和族II - VI半導體的組的基礎半導 體；以及其中每個非半導體單層包括選自包括氧、氮、氟和碳-氧的 組的非半導體。
26. 權利要求19的方法，其中相鄰的基礎半導體部分被化學地 結合在一起。
27. 製造半導體器件的方法，包括 形成應力層；以及應變層，在應力層上形成並且包括多個基礎半導體部分和限制於 相鄰基礎半導體部分的晶格內的至少一個非半導體單層。
28. 權利要求27的方法，其中應力層包括分級的半導體層。
29. 權利要求28的方法，其中分級的半導體層在垂直方向上被 分級；以及其中應變超晶格在分級半導體層上被垂直地疊加。
30. 權利要求28的方法，進一步包括在分級半導體層上形成基 本上未分級的半導體層；以及其中形成應變層包括在基本上未分級的 半導體層上形成應變層。
31. 權利要求28的方法，其中分級半導體層包括分級的矽鍺。
32. 權利要求27的方法，其中應力層包括多個應變誘發柱形物。
33. 權利要求27的方法，其中相鄰的基礎半導體部分被化學地 結合在一起。
全文摘要
半導體器件，可以包括應力層(26』)和位於應力層上的應變超晶格層(425)並包括多個疊加的層組。更具體而言，應變超晶格層的每一個層組可以包括用於限定基礎半導體部分的多個疊加的基礎半導體單層和限制於相鄰的基礎半導體部分的晶格內的至少一個非半導體單層。
文檔編號H01L29/02GK101253632SQ200680025682
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月14日 優先權日2005年7月15日
發明者斯科特·A.·柯瑞普斯, 羅伯特·J.·梅爾斯 申請人:梅爾斯科技公司