專利名稱：包括具有非半導(dǎo)體單層的溝道的半導(dǎo)體器件及其相關(guān)方法
包括具有非半導(dǎo)體單層的溝道 的半導(dǎo)體器件及其相關(guān)方法技術(shù)領(lǐng)域[oooii本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，以及，更具體而言，涉及具有基于能帶工程的增強(qiáng)特性的半導(dǎo)體和相關(guān)方法。
技術(shù)背景
Takagi等人的第6,472,685 B2號美國專利披露了包括硅 和夾在硅層之間碳層的半導(dǎo)體器件，使得第二硅層的導(dǎo)電帶和價帶接 收彈性應(yīng)變。具有較小有效質(zhì)量并由施加到柵極電極的電場感應(yīng)所產(chǎn) 生的電子，被限定在第二硅層內(nèi)，從而斷定n溝道MOSFET具有更 高的遷移率。
Wang、 Tsu和Lofgren的第WO 02/103,767 Al號公開的 國際專利申請披露了由薄硅和氧、碳、氮、磷、銻、砷或氫形成的用 以使垂直流過晶格的電流降低超過4個數(shù)量級的阻擋層構(gòu)建區(qū)。絕緣 層/阻擋層允許緊鄰絕緣層沉積低缺陷外延生長硅。
Mears等人的第2,347,520號公開的GB專利申請披露了 非周期光子能帶隙(APBG)結(jié)構(gòu)的原則，可以適用于電子能帶隙工程。 尤其是，該申請披露了可以調(diào)整材料參數(shù)，例如，能帶最小值的位置、 有效質(zhì)量等，以產(chǎn)生具有理想能帶結(jié)構(gòu)特征的新的非周期材料。披露 了將其他參數(shù)，諸如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和介電常數(shù)或?qū)Т怕试O(shè)計到材料中去也是可能的。盡管在材料工程上付出相當(dāng)大的努力以增加半導(dǎo)體器件中電荷 載流子的遷移率，對更大的改進(jìn)仍有著需求。更高的遷移率可以增加器件速度和/或降低器件功率損耗。盡管不斷的向更小的器件和新的器 件構(gòu)造轉(zhuǎn)變，有了更高的遷移率，也可以保持器件的性能。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面是用于制造半導(dǎo)體器件。本發(fā)明可以包括在 半導(dǎo)體基片上形成至少一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，至少 一個MOSFET包括分隔開來的源和漏區(qū)以及位于源 和漏區(qū)之間的溝道。溝道可以包括多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制 于相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層。MOSFET 可以進(jìn)一步包括位于溝道上的柵極并與其一起限定界面，柵極包括位 于溝道上的柵極電介質(zhì)和位于柵極電介質(zhì)上的柵極電極。此外，可以將至少一個非半導(dǎo)體單層定位于相對溝道和柵極電介質(zhì)之間的界面大約4 - 100個單層的深度處。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的包括應(yīng)力層和位于應(yīng)力層上的應(yīng)變 超晶格的半導(dǎo)體器件的示意橫切面圖。
圖3是圖1中所示的超晶格的一部分的透視示意原子圖。
超晶格25的每個層組45a-45n說明性地包括用于限定各 自的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n的多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)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(diǎn)劃線表示o
目前硅和氧被廣泛地用于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體處理中，因此，制 造商將容易地能夠使用此處所描述的上述材料。原子或單層沉積現(xiàn)在也4皮廣泛地使用。因此，可以容易地采用和實(shí)現(xiàn)包含超晶格25的半導(dǎo) 體器件，這一點(diǎn)會被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
此外，絕緣層143(為便于清楚說明，以點(diǎn)劃線表示)，諸 如Si02層，也可以被布置于應(yīng)力層125和應(yīng)變超晶格層之間，以提供 所示的絕緣體上半導(dǎo)體實(shí)施例，盡管在所有實(shí)施例中不需要使用絕緣 層。在序列號為11/381,835的共同未決的美國專利申請中提供了有關(guān) 在絕緣體上半導(dǎo)體基片上形成以上所提出的超晶格結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步的描 述，該專利轉(zhuǎn)讓于本受讓人，并因而在此處引入其全部內(nèi)容，作為參 考。當(dāng)然，也可以在此處所討論的其他實(shí)施例中使用絕緣體上半導(dǎo)體 實(shí)現(xiàn)。[0068參照圖8，在MOSFET 220中，區(qū)域327、 328限定了一 對被分隔開來的應(yīng)力區(qū)，該應(yīng)力區(qū)用于在定位于其間的超晶格層125中誘發(fā)應(yīng)變。更具體而言，應(yīng)力區(qū)的一個或兩個都可以包括在超晶格層225上誘發(fā)理想的應(yīng)變的材料。利用上面提到的實(shí)例，對于硅-氧 超晶格層225來說，區(qū)327、 328的一個或兩個可以包括硅鍺。然而， 盡管當(dāng)硅鍺在被定位在超晶格層25下時，其在MOSFET 20中誘發(fā)拉 伸應(yīng)變，當(dāng)被定位于超晶格層225的一側(cè)或兩側(cè)時上時，硅鍺具有相 反的效應(yīng)，并壓縮超晶格。[0069j因此，在所述的實(shí)施例中，應(yīng)力區(qū)227、 228中的硅鍺對 于P型溝道實(shí)現(xiàn)來說是有利的，這是由于其誘發(fā)壓縮應(yīng)變?；蛘撸?上所述，通過適當(dāng)?shù)剡x擇超晶格的成分和應(yīng)力區(qū)227、 228,可以在N 型溝道器件的超晶格層225中有利地誘發(fā)拉伸應(yīng)變。應(yīng)當(dāng)指出的是在 有些實(shí)施例中，被分隔開來的應(yīng)力區(qū)227、 228不必包括相同的材料。 即，應(yīng)變可以當(dāng) 一個應(yīng)力區(qū)"推"或"拉"充當(dāng)錨的另 一個應(yīng)力區(qū)時被誘 發(fā)。[0070在上述實(shí)施例中，對一對應(yīng)力區(qū)227、 228進(jìn)行摻雜，以 提供源和漏區(qū)222、 223。此外，應(yīng)力區(qū)227、 228 ^兌明性地包括與應(yīng) 變超晶格的相對部分相鄰的傾斜表面或小平面245、 246。傾斜表面 245、 246可以通過用于對超晶格225進(jìn)行構(gòu)圖的刻蝕工藝產(chǎn)生，使得 應(yīng)力誘發(fā)材料可以緊鄰地沉積于其上。然而，在所有的實(shí)施例中不必 使表面245、246傾斜。在Yu等人的第6,495,402號美國專利和Lindert 等人的出版號為第2005/0142768的美國專利中披露了制造具有應(yīng)變誘 發(fā)源和漏區(qū)的應(yīng)變溝道器件的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，在此引入兩篇專利的全部 內(nèi)容，作為參考。[0071參照圖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。例如，應(yīng)力層可以是沉積于MOSFET 320的源、 漏和柵極區(qū)上的SiN層，MOSFET 320在下面的半導(dǎo)體材料(包括超晶 格層325)內(nèi)誘發(fā)應(yīng)變。如上所提到的，可以使用拉伸或壓縮氮化物材 料，這取決于超晶格層325內(nèi)所期望的應(yīng)變的類型。當(dāng)然，對應(yīng)力層 347來說，也可以使用其他適合的材料，并且在有些實(shí)施例中可以使 用多個應(yīng)力層。此外，在某些實(shí)施例中，超晶格層325可以"記住，，由上面的應(yīng)力層347所誘發(fā)的應(yīng)變，且隨后可以除去應(yīng)力層，這一點(diǎn)會 為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。在Chau等人的出版號為2005/0145894 和Sun等人的出版號為2005/0247926的美國專利中可以找到有關(guān)利用 上應(yīng)力層在半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，因此在此處引入兩 篇專利的全部內(nèi)容，作為參考。[0072J現(xiàn)在描述才艮據(jù)本發(fā)明用于制造諸如MOSFET 20的半導(dǎo) 體器件的第一方法方面。該方法包括形成應(yīng)力層26和在應(yīng)力層上形成 應(yīng)變超晶格層25。另一方法方面是用于制造半導(dǎo)體器件，諸如 MOSFET 220，包括形成超晶格層225和在超晶格層的相對的側(cè)面上 形成至少一對被分隔開來的應(yīng)力區(qū)227、 228以在其中誘發(fā)應(yīng)變。另一 方法方面是用于制造半導(dǎo)體器件，諸如MOSFET 320，包括形成超晶 格層325和在應(yīng)變超晶格層上形成應(yīng)力層347，以在其中誘發(fā)應(yīng)變。 通過前面的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解各種其他方法步驟和方 面，因此此處不需要進(jìn)一步的討論。[0073J應(yīng)當(dāng)指出的是在上述實(shí)施例中，應(yīng)變層不必總是超晶格 25。相反，應(yīng)變層可以僅包括多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n和限制于 相鄰半導(dǎo)體部分(即，如上所述，相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分化學(xué)地結(jié)合在 一起)的晶格內(nèi)的一個或多個非半導(dǎo)體單層50。在本實(shí)施例中，基礎(chǔ) 半導(dǎo)體部分46a-46n不必包括多個半導(dǎo)體單層，即，每個半導(dǎo)體部分 可以包括例如單一層或多個單層。[0074i兌明性地包括非半導(dǎo)體單層81的MOSFET 80示意地顯 示于圖10中，其中半導(dǎo)體單層位于分別處于半導(dǎo)體單層下方和上方的 部分82a，82b內(nèi)。柵極電介質(zhì)83說明性地位于溝道85上，柵極電極 84位于柵極電介質(zhì)上。柵極電介質(zhì)83的下部分和溝道85的上部分之 間的區(qū)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(diǎn)會為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。[OO75可以基于MOSFET設(shè)計選擇非半導(dǎo)體材料81的單層離 界面86的深度，這一點(diǎn)會為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。例如，可以為硅 溝道內(nèi)的氧層的典型的MOSFET 86選擇大約4 - 100個單層的深度，更優(yōu)選地，選擇大約4-30個單層的深度。非半導(dǎo)體材料的至少一個 單層可以包括在如上所描述的未充分占有的所有可獲得的位置的一個 或多個單層。[0076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(dǎo)體?？梢岳美缤瑯邮巧鲜龅脑訉映练e技術(shù)沉積非半導(dǎo)體材料81的至少一個單層，這一點(diǎn)會為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。其他 的沉積和/或注入方法可以可以用于形成溝道85,以在相鄰的半導(dǎo)體層 82a、 82b的晶格內(nèi)包括至少一種非半導(dǎo)體材料層81。[0077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(lǐng)域技術(shù)人員所理解的是，在諸如所說明的 MOSFET 80的實(shí)施例中，不必使用超晶格的重復(fù)組，然而至少一個 非半導(dǎo)體單層81仍可以提供遷移率的增強(qiáng)。另外，申請人也提出了上 述實(shí)施例也將具有較低的隧道柵極泄漏，這是界面86處的波函數(shù)的量 級降低的結(jié)果的理論但不希望受限于此。同樣，提出了上述實(shí)施例的 更加可取的特征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。[0078當(dāng)然在其他實(shí)施例中，也可以結(jié)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(guān)附圖中所給出的教導(dǎo)益處 的許多修改和本發(fā)明的其他實(shí)施例會為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。因 此，可以理解本發(fā)明不是為了受限于所披露的具體實(shí)施例，修改和實(shí) 施例是預(yù)期的。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體基片；以及其上的至少一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，該至少一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管包括被分隔開來的源和漏區(qū)，位于源和漏區(qū)之間的溝道，所述溝道包括多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制于相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層，以及柵極，位于所述溝道之上并與其限定界面，所述柵極包括位于所述溝道之上的柵極電介質(zhì)和位于所述柵極電介質(zhì)上的柵極電極；所述至少一個非半導(dǎo)體單層被定位于相對于所述溝道和所述柵極電介質(zhì)之間的界面大約4-100個單層的深度處。
2. 權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層 被定位于相對于所述溝道和所述柵極電介質(zhì)之間的界面大約4到30 個單層的深度處。
3. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層包括硅。
4. 權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層包括選 自包含族IV半導(dǎo)體、族III - V半導(dǎo)體和族II - VI半導(dǎo)體的組的基礎(chǔ) 半導(dǎo)體。
5. 權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層 包括氧。
6. 權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層 包括選自包含氧、氮、氟和碳-氧的組的非半導(dǎo)體。
7. 權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中位于至少所述一個非半導(dǎo)體 單層的相反面上的相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層化學(xué)地結(jié)合在一起。
8. 權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層 包括單一非半導(dǎo)體單層。
9. 制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在半導(dǎo)體基片上形成至少一個金屬氧化物場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，該至少一個MOSFET包括 4皮分隔開來的源和漏區(qū)，位于源和漏區(qū)之間的溝道，溝道包括多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層 和限制于相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層,柵 極位于溝道之上并與其限定界面，以及柵極，包括位于溝道之上的柵極電介質(zhì)和位于柵極電介質(zhì)上的柵 極電極；至少一個非半導(dǎo)體單層被定位于相對于溝道和柵極電介質(zhì)之 間的界面大約4 - 100個單層的深度處。
10. 權(quán)利要求9的方法，至少一個非半導(dǎo)體單層被定位于相對于 溝道和柵極電介質(zhì)之間的界面大約4到30個單層的深度處。
11，權(quán)利要求9的方法，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層包括硅。
12. 權(quán)利要求9的方法，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層包括選自包含 族IV半導(dǎo)體、族III - V半導(dǎo)體和族II - VI半導(dǎo)體的組的基礎(chǔ)半導(dǎo)體。
13. 權(quán)利要求9的方法，其中至少一個非半導(dǎo)體單層包括氧。
14. 權(quán)利要求9的方法，其中至少一個非半導(dǎo)體單層包括逸自包 含氧、氮、氟和碳-氧的組的非半導(dǎo)體。
15. 權(quán)利要求9的方法，其中位于至少一個非半導(dǎo)體單層的相反 面上的相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層化學(xué)地結(jié)合在一起。
16. 權(quán)利要求9的方法，其中至少一個非半導(dǎo)體單層包括單一非 半導(dǎo)體單層。
全文摘要
半導(dǎo)體器件，可以包括半導(dǎo)體基片和其上的至少一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。MOSFET可以包括被分隔開來的源和漏區(qū)、位于源和漏區(qū)之間的溝道以及位于溝道之上用于與其一起限定界面的柵極。柵極可以包括位于溝道之上的柵極電介質(zhì)和位于柵極電介質(zhì)之上的柵極電極。溝道可以包括多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制于相鄰基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層?？梢詫⒅辽僖粋€非半導(dǎo)體單層定位于相對溝道和柵極電介質(zhì)之間的界面大約4-100個單層的深度處。
文檔編號H01L29/02GK101273460SQ200680025735
公開日2008年9月24日 申請日期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, 邁爾柯·伊薩 申請人:梅爾斯科技公司