CN102931231A - 一种高迁移率iii-v族半导体mos场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高迁移率III-V族金属氧化物半导体场效应晶体管,包括一单晶衬底,在单晶衬底上形成的缓冲层,在缓冲层中形成的平面掺杂层,在缓冲层上形成的高迁移率沟道层,在高迁移率沟道层上形成的掺杂界面控制层,在掺杂界面控制层上形成的高掺杂半导体层,在高掺杂半导体层上形成的窄带隙欧姆接触层,在窄带隙欧姆接触层上形成的源漏金属电极,刻蚀至掺杂界面控制层的栅槽结构位于二个源漏金属电极中间,高K栅介质均匀覆盖栅槽内表面,栅金属电极形成于高K栅介质上。本发明公开的III-V MOS器件结构不仅能降低MOS界面态密度、提高沟道迁移率,而且可以提高沟道中二维电子(空穴)气浓度,满足高速低电压工作高迁移率CMOS技术的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域,具体涉及一种以掺杂界面控制层、平面掺杂与重掺杂源漏等技术来实现高驱动电流、低源漏电阻的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管,可应用于高性能III-V族MOS器件与电路。
背景技术
硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)技术进入到22纳米技术节点之后,依靠等比例缩小已经很难提升器件性能,采用新材料,新器件成为继续提高CMOS器件性能的一个重要研究方向。III-V族半导体材料由于拥有出色的电子输运特性,成为当前研究的热点问题。但是,由于III-V MOS界面态密度较高,界面库仑散射使III-V反型层MOS器件中沟道迁移率依然很低。最新研究报道表明:在InGaAs沟道表面生长InP势垒层,并采用原子层沉积(ALD)技术沉积高k栅介质材料所制成的MOSFET器件已经表现出优越的沟道迁移率。然而,由于势垒层的加入,增加了MOS器件的等效氧化层厚度,并提高了MOS器件的源漏寄生电阻,这在一定程度上限制了器件的驱动电流和开关速度的提高。
因此,需要一种新的技术在III-V族半导体材料上在降低界面态密度的同时,又使得器件的驱动电流和开关速度得以提高,以满足高性能III-V族半导体CMOS技术的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的公开了一种高迁移率III-V族半导体MOS场效应晶体管,以同时实现高驱动电流与低MOS界面态密度,满足高性能III-V族半导体CMOS技术的应用需求。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明提供了一种高迁移率III-V族金属氧化物半导体场效应晶体管,包括:
单晶衬底101;
在所述单晶衬底101上形成的缓冲层102;
在所述缓冲层102中形成的平面掺杂层103;
在所述缓冲层102上形成的高迁移率沟道层104;
在所述高迁移率沟道层104上形成的掺杂界面控制层105;
在所述掺杂界面控制层105上形成的高掺杂半导体层106;
在所述高掺杂半导体层106上形成的窄带隙欧姆接触层107;
在所述窄带隙欧姆接触层107上形成的源金属电极108和漏金属电极112;
在所述源金属电极108和漏金属电极112中间对所述窄带隙欧姆接触层107和所述高掺杂半导体层106进行刻蚀,并刻蚀至所述掺杂界面控制层105表面而形成的栅槽结构109;
形成于所述栅槽结构109内表面的高K栅介质110;以及
形成于高K栅介质110上的栅金属电极111。
上述方案中,所述单晶衬底101是硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底、磷化镓衬底或磷化铟衬底。
上述方案中,所述缓冲层102用于释放所述单晶衬底101与所述高迁移率沟道层104之间晶格失配应力,所述缓冲层102由III-V族半导体及其多元合金材料构成,其电学性能为绝缘或者半绝缘材料,且所述缓冲层102的禁带宽度大于所述高迁移率沟道层104的禁带宽度。
上述方案中,所述平面掺杂层103形成于所述缓冲层102中,所述的平面掺杂层103为N型掺杂或P型掺杂,从所述平面掺杂层103到缓冲层102与高迁移率沟道层104界面处的距离为1~10纳米。
上述方案中,所述高迁移率沟道层104采用III-V族半导体薄层材料,该III-V族半导体薄层材料包括由砷化镓、磷化铟、锑化铟、砷化铟或锑化镓构成的群组中的任一种化合物,以及该群组中多个化合物的多元合金;该高迁移率沟道层104包含一种III-V族半导体或者多种III-V族半导体的多元合金,或者包含由多种III-V族半导体及其合金薄层组合而成的复合沟道。
上述方案中,所述掺杂界面控制层105的禁带宽度大于所述高迁移率沟道层104,其晶格为匹配或者赝配关系,并且其能带具有第一类量子阱的对准关系,电子或者空穴在所述高迁移率沟道层104中具有量子限制效应;所述掺杂界面控制层105的厚度范围介于1nm到20nm之间,所述掺杂界面控制层105的掺杂浓度在从1016到1019cm-3量级;所述掺杂界面控制层105采用III-V族半导体薄层材料,该III-V族半导体薄层材料包括由磷化铟、磷化镓、磷化铝和砷化铟构成的群组中的任一种化合物,以及该群组中多个化合物的多元合金。
上述方案中,所述高掺杂半导体层106采用重掺杂的III-V半导体材料来降低源漏寄生电阻,所述的窄带隙欧姆接触层107的禁带宽度从下至上逐渐变小,且所述窄带隙欧姆接触层107在表面处的禁带宽度最小。
上述方案中,所述栅槽结构109形成于所述源金属电极108和漏金属电极112的中间,采用选择性腐蚀技术使栅槽刻蚀自动终止于所述掺杂界面控制层105表面。
上述方案中,所述高K栅介质110形成于所述栅槽结构109的内表面,其K值高于SiO2,其材料组成包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化镧、氧化钛、氧化钽、氧化钇或氧化镥,以及上述各氧化物的任意组合。
上述方案中,所述栅金属电极111包括底部的功函数调节层与上部的金属导电层。
(三)有益效果
本发明提供的高迁移率III-V族半导体MOS场效应晶体管,利用新型掺杂界面控制层来钝化MOS界面处的悬挂键,实现了低界面态密度,并降低了沟道中载流子的散射;通过底部势垒层中的平面掺杂和顶部势垒层的掺杂,提高了沟道层中的二维电子气浓度或二维空穴气浓度;并进一步提高了器件的驱动电流,掺杂界面控制层(介电常数大于10)与高介电常数栅介质相结合来降低等效氧化层厚度(EOT),最终在高迁移率III-V族半导体上实现了低界面态密度和高驱动电流的MOS场效应晶体管,满足了高速低电压工作高迁移率CMOS技术的应用需求。
附图说明
图1是依照本发明实施例的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管的结构示意图;
图2是依照本发明实施例的掺杂InGaP界面控制层对MOS场效应晶体管输出特性影响的测试结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本发明提供的具有掺杂界面控制层的MOS场效应晶体管,采用界面控制层降低沟道中载流子的散射,实现高有效沟道迁移率;并同时采用在底部势垒层中加入平面掺杂和界面控制层掺杂的方法,提高沟道层中的载流子浓度,从而提高器件驱动电流。
如图1所示,图1是依照本发明实施例的高迁移率III-V族半导体MOS场效应晶体管的结构示意图,该场效应晶体管包括:单晶衬底101;在所述单晶衬底101上形成的缓冲层102;在所述缓冲层102中形成的平面掺杂层103;在所述缓冲层102上形成的高迁移率沟道层104;在所述高迁移率沟道层104上形成的掺杂界面控制层105;在所述掺杂界面控制层105上形成的高掺杂半导体层106;在所述高掺杂半导体层106上形成的窄带隙欧姆接触层107;在所述窄带隙欧姆接触层107上形成的源金属电极108和漏金属电极112;在所述源金属电极108和漏金属电极112中间对所述窄带隙欧姆接触层107和所述高掺杂半导体层106进行刻蚀,并刻蚀至所述掺杂界面控制层105表面而形成的栅槽结构109;形成于所述栅槽结构109内表面的高K栅介质110;以及形成于高K栅介质110上的栅金属电极111。
其中,所述单晶衬底101是硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底、磷化镓衬底或磷化铟衬底。所述缓冲层102用于释放所述单晶衬底101与所述高迁移率沟道层104之间晶格失配应力,所述缓冲层102由III-V族半导体及其多元合金材料构成,其电学性能为绝缘或者半绝缘材料,且所述缓冲层102的禁带宽度大于所述高迁移率沟道层104的禁带宽度。
所述平面掺杂层103形成于所述缓冲层102中,所述的平面掺杂层103为N型掺杂或P型掺杂,从所述平面掺杂层103到缓冲层102与高迁移率沟道层104界面处的距离为1~10纳米。
所述高迁移率沟道层104采用III-V族半导体薄层材料,该III-V族半导体薄层材料包括由砷化镓、磷化铟、锑化铟、砷化铟或锑化镓构成的群组中的任一种化合物,以及该群组中多个化合物的多元合金;该高迁移率沟道层104包含一种III-V族半导体或者多种III-V族半导体的多元合金,或者包含由多种III-V族半导体及其合金薄层组合而成的复合沟道。
所述掺杂界面控制层105的禁带宽度大于所述高迁移率沟道层104,其晶格为匹配或者赝配关系,并且其能带具有第一类量子阱的对准关系,电子或者空穴在所述高迁移率沟道层104中具有量子限制效应;所述掺杂界面控制层105的厚度范围介于1nm到20nm之间,所述掺杂界面控制层105的掺杂浓度在从1016到1019cm-3量级;所述掺杂界面控制层105采用III-V族半导体薄层材料,该III-V族半导体薄层材料包括由磷化铟、磷化镓、磷化铝和砷化铟构成的群组中的任一种化合物,以及该群组中多个化合物的多元合金。
所述高掺杂半导体层106采用重掺杂的III-V半导体材料来降低源漏寄生电阻,所述的窄带隙欧姆接触层107的禁带宽度从下至上逐渐变小,且所述窄带隙欧姆接触层107在表面处的禁带宽度最小。
所述栅槽结构109形成于所述源金属电极108和漏金属电极112的中间,采用选择性腐蚀技术使栅槽刻蚀自动终止于所述掺杂界面控制层105表面。
所述高K栅介质110形成于所述栅槽结构109的内表面,其K值高于SiO2,其材料组成包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化镧、氧化钛、氧化钽、氧化钇或氧化镥,以及上述各氧化物的任意组合。
所述栅金属电极111包括底部的功函数调节层与上部的金属导电层。
基于图1所示的高迁移率III-V族半导体MOS场效应晶体管的结构示意图,以下对本发明提供的高迁移率III-V族半导体MOS场效应晶体管的制作方法进行详细描述,该方法包括以下步骤:
步骤1:在单晶衬底101(包括硅与III-V族半导体衬底)上外延生长III-V族半导体缓冲层102,通过晶格弛豫将晶格常数调整到与高迁移率沟道层104相当,采取柔性衬底、渐变缓冲层以及超晶格过滤等技术来降低缓冲层顶部的位错密度;
步骤2:在高阻的缓冲层102中生长平面掺杂层103,通常对于N型沟道,采用平面掺杂Si,以提高沟道层中的电子浓度。
步骤3:在高阻的缓冲层102上生长高迁移率沟道层104,通常采用含铟和镓的材料(例如InGaAs)作为高电子迁移率N型沟道、含锑和镓的材料(例如InGaSb)作为高空穴迁移率P型沟道,通过在P型沟道中引入双轴压缩应力可以进一步提高空穴迁移率。
步骤4:在N型电子高迁移率沟道层104上外延生长超薄掺杂界面控制层InGaP 105,该势垒层与沟道材料晶格匹配或者赝配,并且异质界面平滑、界面态密度低。掺杂界面控制层InGaP 105和缓冲层102的禁带宽度大于N型电子高迁移率沟道层104,第一型能带对准关系保证沟道的导带与价带存在能量差,这样的能带结构使载流子的运动被束缚在沟道薄层中。掺杂界面控制层InGaP层将高迁移率沟道层104与高K栅介质110物理隔离,高K栅介质110中的电离中心与缺陷对载流子的散射作用被大大削弱,从而在沟道中实现高迁移率。例如,如果量子阱沟道层为In0.4Ga0.6As材料,界面控制层为In0.49Ga0.51P的III-V族化合物半导体材料,导带的能量差为0.4eV,电子被束缚在In0.4Ga0.6As沟道中,高K栅介质中的电离中心散射被InGaP界面层所削弱。如图2所示,掺杂InGaP界面控制层可以将MOS器件的驱动电流提高3倍以上。
步骤5:在界面控制层105上沉积栅介质材料,通常为高介电常数氧化物,如Al2O3、HfO2、ZrO2、La2O3等,沉积的方法主要为原子层沉积(ALD)。较高的介电常数(K值大于20)允许采用较厚的栅介质层来降低栅电极的漏电流。
步骤6:最后在高K栅介质110表面沉积栅金属电极111(包括功函数金属层与低电阻栅电极)。
步骤7:高掺杂半导体层GaAs 106其功能是作为降低扩展电阻的抬高源漏结构,采用“后栅”工艺,抬高源漏结构可以采用湿法或干法选择性刻蚀形成;如果采用“前栅”工艺,重掺杂GaAs抬高源漏层可以采用选区外延的方法形成。
步骤8:窄带隙欧姆接触层InGaAs 107外延生长在高掺杂半导体层106上,该层为重掺杂层,例如In0.54Ga0.46As,其禁带宽度只有0.75eV,并且费米能级钉扎在导带附近,易与不同的金属形成良好的欧姆接触。
步骤9:TiPtAu源漏金属电极108、112与窄带隙欧姆接触层InGaAs107可以形成良好的欧姆接触,接触电阻率小于10-7Ωcm2,以满足高性能MOS器件的源漏电阻。
因此,本发明提供的高迁移率III-V族半导体MOS场效应晶体管,利用新型掺杂界面控制层来钝化MOS界面处的悬挂键,实现了低界面态密度,并降低了沟道中载流子的散射;通过底部势垒层中的平面掺杂和顶部势垒层的掺杂,提高了沟道层中的二维电子气浓度或二维空穴气浓度;并进一步提高了器件的驱动电流,掺杂界面控制层(介电常数大于10)与高介电常数栅介质相结合来降低等效氧化层厚度(EOT),最终在高迁移率III-V族半导体上实现了低界面态密度和高驱动电流的MOS场效应晶体管,满足了高速低电压工作高迁移率CMOS技术的应用需求。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高迁移率III-V族金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,包括:
单晶衬底(101);
在所述单晶衬底(101)上形成的缓冲层(102);
在所述缓冲层(102)中形成的平面掺杂层(103);
在所述缓冲层(102)上形成的高迁移率沟道层(104);
在所述高迁移率沟道层(104)上形成的掺杂界面控制层(105);
在所述掺杂界面控制层(105)上形成的高掺杂半导体层(106);
在所述高掺杂半导体层(106)上形成的窄带隙欧姆接触层(107);
在所述窄带隙欧姆接触层(107)上形成的源金属电极(108)和漏金属电极(112);
在所述源金属电极(108)和漏金属电极(112)中间对所述窄带隙欧姆接触层(107)和所述高掺杂半导体层(106)进行刻蚀,并刻蚀至所述掺杂界面控制层(105)表面而形成的栅槽结构(109);
形成于所述栅槽结构(109)内表面的高K栅介质(110);以及
形成于高K栅介质(110)上的栅金属电极(111)。
2.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述单晶衬底(101)是硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底、磷化镓衬底或磷化铟衬底。
3.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述缓冲层(102)用于释放所述单晶衬底(101)与所述高迁移率沟道层(104)之间晶格失配应力,所述缓冲层(102)由III-V族半导体及其多元合金材料构成,其电学性能为绝缘或者半绝缘材料,且所述缓冲层(102)的禁带宽度大于所述高迁移率沟道层(104)的禁带宽度。
4.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述平面掺杂层(103)形成于所述缓冲层(102)中,所述的平面掺杂层(103)为N型掺杂或P型掺杂,从所述平面掺杂层(103)到缓冲层(102)与高迁移率沟道层(104)界面处的距离为1~10纳米。
5.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述高迁移率沟道层(104)采用III-V族半导体薄层材料,该III-V族半导体薄层材料包括由砷化镓、磷化铟、锑化铟、砷化铟或锑化镓构成的群组中的任一种化合物,以及该群组中多个化合物的多元合金;该高迁移率沟道层(104)包含一种III-V族半导体或者多种III-V族半导体的多元合金,或者包含由多种III-V族半导体及其合金薄层组合而成的复合沟道。
6.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述掺杂界面控制层(105)的禁带宽度大于所述高迁移率沟道层(104),其晶格为匹配或者赝配关系,并且其能带具有第一类量子阱的对准关系,电子或者空穴在所述高迁移率沟道层(104)中具有量子限制效应;所述掺杂界面控制层(105)的厚度范围介于1nm到20nm之间,所述掺杂界面控制层(105)的掺杂浓度在从1016到1019cm-3量级;所述掺杂界面控制层(105)采用III-V族半导体薄层材料,该III-V族半导体薄层材料包括由磷化铟、磷化镓、磷化铝和砷化铟构成的群组中的任一种化合物,以及该群组中多个化合物的多元合金。
7.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述高掺杂半导体层(106)采用重掺杂的III-V半导体材料来降低源漏寄生电阻,所述的窄带隙欧姆接触层(107)的禁带宽度从下至上逐渐变小,且所述窄带隙欧姆接触层(107)在表面处的禁带宽度最小。
8.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述栅槽结构(109)形成于所述源金属电极(108)和漏金属电极(112)的中间,采用选择性腐蚀技术使栅槽刻蚀自动终止于所述掺杂界面控制层(105)表面。
9.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述高K栅介质(110)形成于所述栅槽结构(109)的内表面,其K值高于SiO2,其材料组成包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化镧、氧化钛、氧化钽、氧化钇或氧化镥,以及上述各氧化物的任意组合。
10.根据权利要求1所述的高迁移率III-V族半导体金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,所述栅金属电极(111)包括底部的功函数调节层与上部的金属导电层。
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