CN103311306A - 带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 - Google Patents
带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种带有InAlP盖层的GeSn沟道MOSFET。该MOSFET(10)的特征在于:在基底(108)上的GeSn沟道(101),GeSn沟道上面为InAlP盖层(102),在InAlP盖层和栅(106)之间是绝缘介电质薄膜(103),绝缘间隙壁(107)隔开栅与源/漏极区域(104,105),绝缘间隙壁隔开InAlP盖层与源/漏区域。InAlP具有比GeSn更大的禁带宽度,在InAlP和GeSn的界面价带和导带处形成有效的带阶,将导电载流子限制在GeSn沟道层中。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有InAlP盖层的GeSn沟道MOSFET(Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)。
背景技术
随着集成电路技术的深入发展,为了提高芯片性能和集成度,金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor,MOSFET)沟道长度不断缩短,器件性能也不断提升。根据国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)的预测,当集成电路技术节点到10纳米以下的时候,应变Si材料已经不能满足需要,要引入高载流子迁移率材料MOSFET来提升芯片性能。理论和实验显示GeSn具有比纯Ge材料更高的载流子迁移率。实验已经证明p型应变GeSn沟道MOSFET器件具有比p型Ge沟道MOSFET更高的空穴迁移率(IEEEInternational Electron Devices Meeting,2011,p.398,p.402)。理论计算显示通过调节Sn组分和GeSn的应变,可以把间接带隙GeSn转变成直接带隙结构,这样导电电子由L能谷电子变成了Γ能谷的电子,导电电子的有效质量大大降低,从而电子迁移率大大提高(Physical Review B,vol.75,pp.045208,2007)。
制备GeSn沟道MOSFET器件时,当GeSn材料与绝缘介电质薄膜(通常为SiO2,Al2O3,HfO2,TaSiOx,HfLaOx等材料)直接接触的时候,会在GeSn和绝缘介电质薄膜界面上形成大量的界面态(Interface State)。这些界面态会对Ge沟道中的载流子形成散射,当界面态密度(Density of Interface States,Dit)太高的时候,会大大降低沟道有效载流子迁移率。而且当GeSn与绝缘介质薄膜接触的时候,会出现Sn在界面处偏析,影响沟道的结晶质量,进而影响沟道迁移率。
为解决以上问题,前人提出了在沉积绝缘介电质薄膜之前对Ge表面进行钝化处理。对于p型GeSn沟道MOSFET器件,利用低温生长Si钝化层的方法,可以得到较高的有效空穴迁移率。但是,对于n型GeSn沟道MOSFET器件,还没有找到合适的钝化方法实现高的有效电子迁移率。虽然,有人尝试利用GeSnO2钝化GeSn表面制备n型GeSn沟道MOSFET器件,但是在形成GeSnO2的过程中会出现Sn的偏析,降低电子迁移率。而且GeSnO2不能有效的将界面态和沟道载流子隔离开,界面态散射会降低沟道载流子迁移率。也有人在GeSn上面生长一个Ge盖层,在生长GeO2作为钝化层,但是Ge和GeSn界面处导带带阶不够大,不能将电子限制在GeSn层,器件的有效电子迁移率并不高。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的结构。其中InAlP盖层可以有效隔离GeSn沟道和绝缘介电质薄膜,并将导电载流子限制在GeSn层中,从而实现高的有效载流子迁移率。InAlP是通过外延生长的技术长在GeSn上面,生长的过程不过引起Sn的偏析,不会降低GeSn沟道结晶质量。本发明既适应n型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,又适应p型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。
本发明所提出的金属氧化物半导体场效应晶体管具有一基底、一GeSn沟道、一InAlP盖层、一绝缘介电质薄膜、一栅、两绝缘间隙壁,以及一源极和一漏极。在基底上有GeSn沟道,GeSn沟道上面为InAlP盖层,在InAlP盖层和栅之间是绝缘介电质薄膜,绝缘间隙壁隔开栅与源极/漏极区域,绝缘间隙壁隔开InAlP盖层与源极/漏极区域。其中,InAlP材料本身的禁带宽度比GeSn的禁带宽度大,在InAlP和GeSn的界面价带和导带处都能形成有效的带阶,将导电载流子限制在GeSn沟道层中。这样可以有效减小界面态密度对GeSn沟道中载流子的散射作用,从而提高有效载流子迁移率。
本发明所提出的金属氧化物半导体场效应晶体管,其中源和漏区域可以在GeSn沟道中引入应变,从而进一步提高有效载流子迁移率。如果是n型Ge沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,通过调整源和漏区域的SiGeSn材料组分,是其晶格常数比GeSn沟道小,就可以在沟道中引入单轴拉应变,提高沟道有效电子迁移率;如果是p型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,通过调整源和漏区域的SiGeSn材料组分,使其晶格常数比GeSn沟道大,就可以在沟道中引入单轴压应变,提高沟道有效空穴迁移率。
附图说明
图1为本发明第一实例MOSFET的截面模式图。
图2为本发明第一实例MOSFET的俯视模式图。
图3为第一实例MOSFET制造的第一步。
图4为第一实例MOSFET制造的第二步。
图5为第一实例MOSFET制造的第三步。
图6为第一实例MOSFET制造的第四步。
图7为第一实例MOSFET制造的第五步。
图8为第一实例MOSFET制造的第六步。
图9为本发明第二实例MOSFET的截面模式图。
图10为本发明第二实例MOSFET的俯视模式图。
图11为第二实例MOSFET制造的第一步。
图12为第二实例MOSFET制造的第二步。
图13为第二实例MOSFET制造的第三步。
图14为第二实例MOSFET制造的第四步。
图15为第二实例MOSFET制造的第五步。
图16为第二实例MOSFET制造的第六步。
图17为第二实例MOSFET制造的第七步。
具体实施方式
第一实例
第一实例所示为带有InAlP盖层的n型GeSn沟道MOSFET10的制造过程。
图1为MOSFET(10)的界面模式图。图2为MOSFET(10)的俯视模式图。图2中I-I线的向视剖面图,与图1的截面图相对应。其结构如下:
一基底108,其上具有一GeSn沟道101;一InAlP盖层102,位于所述GeSn沟道101上;一绝缘介电质薄膜103,位于所述InAlP盖层102上;106一栅电极,位于所述绝缘介电质薄膜103上;一源极104与一漏极105,分别位于所述栅电极106的两侧;第一绝缘间隙壁107,位于所述栅极和源极之间,隔开栅极和源极;第二绝缘间隙壁107,位于所述栅极和漏极之间,隔开栅极和漏极。
制造过程:
第一步如图3所示,在Si半导体基底108上,利用外延生长的技术,生长一层弛豫的GeSn材料,作为GeSn沟道101,GeSn材料的掺杂为p型掺杂,掺杂浓度小于1×1018cm-3。
第二步如图4所示,在GeSn沟道材料上面,利用外延生长的技术,生长一层InAlP盖层102,调整InAlP晶格常数与GeSn材料晶格常数相同,厚度控制在0.5nm与5nm之间。
第三步如图5所示,在InAlP盖层102上面依次沉积绝缘介电质薄膜103和栅极材料。
第四步如图6所示,利用光刻和刻蚀形成栅极106。
第五步如图7所示,形成绝缘间隙壁107。
第六步如图8所示,形成源极104和漏极105。源和漏,其材料为Si1-x-yGexSny(0≤x≤1,0≤y<1),其晶格常数小于GeSn沟道晶格常数,其掺杂为n型掺杂。
第二实例
第二实例所示为带有InAlP盖层的p型GeSn沟道MOSFET20的制造过程。
图9为MOSFET20的界面模式图。图10为MOSFET(20)的俯视模式图。图10中I’-I’线的向视剖面图,与图9的截面图相对应。其结构如下:
一基底208,其上具有一层弛豫的Si1-x-yGexSny(0<x<1,0<y<1)材料209,一GeSn沟道201位于Si1-x-yGexSny材料上。一InAlP盖层202,位于所述GeSn沟道201上;一绝缘介电质薄膜203,位于所述InAlP盖层202上;206一栅电极,位于所述绝缘介电质薄膜203上;一源极204与一漏极205,分别位于所述栅电极206的两侧;一绝缘间隙壁207,位于所述栅极和源极之间,隔开栅极和源极;另一绝缘间隙壁207,位于所述栅极和漏极之间,隔开栅极和漏极。
制作过程:
第一步如图11所示,在Si基底208上,利用外延生长的技术,生长一层弛豫的Si1-x-yGexSny(0<x<1,0<y<1)材料209。
第二步如图12所示,在弛豫的Si1-x-yGexSny(0<x<1,0<y<1)材料上,利用外延生长的技术,生长一层压应变GeSn材料,作为GeSn沟道201,GeSn沟道晶格常数比弛豫的Si1-x-yGexSny(0<x<1,0<y<1)材料晶格常数大。GeSn沟道材料的掺杂为n型掺杂,掺杂浓度小于1×1018cm-3。
第三步如图13所示,在GeSn沟道材料上面,利用外延生长的技术,生长一层InAlP材料,作为InAlP盖层202,调整InAlP晶格常数与弛豫的Si1-x-yGexSny(0<x<1,0<y<1)晶格常数一样,其厚度控制在0.5nm与5nm之间。
第四步如图14所示,在InAlP盖层上面依次沉积绝缘介电质薄膜203和栅材料206。
第五步如图15所示,利用光刻和刻蚀形成栅结构206。
第六步如图16所示,在栅结构206两侧形成绝缘间隙壁207。
第七步如图17所示,形成源极204和漏极205。源204和漏205材料为Si1-x-yGexSny(0≤x≤1,0≤y<1),其晶格常数大于弛豫的Si1-x-yGexSny(0<x<1,0<y<1)209晶格常数,其掺杂为p型掺杂。
虽然本发明已以两个实例公开如上,然其并非用以限定本发明,本发明的保护范围当视权利要求为准。
Claims (10)
1.一种带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,包括:
一基底,其上具有一GeSn沟道;
一InAlP盖层,位于所述GeSn沟道上;
一绝缘介电质薄膜,位于所述InAlP盖层上;
一栅电极,位于所述绝缘介电质薄膜上;
一源极与一漏极,分别位于所述栅电极的两侧;
第一绝缘间隙壁,位于所述栅极和源极之间,隔开栅极和源极;
第二绝缘间隙壁,位于所述栅极和漏极之间,隔开栅极和漏极。
2.如权利要求1所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中基底是半导体材料,或者绝缘体材料。
3.如权利要求1所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中基底是单层材料,或者多层材料。
4.如权利要求1所述的金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中GeSn沟道为单晶GeSn材料,其通式为Ge1-xSnx(0<x≤0.25),利用外延生长技术生长在基底上,或者利用键合的技术键合在基底上。
5.如权利要求4所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中GeSn沟道未经掺杂,或者p型掺杂,或者n型掺杂。
6.如权利要求1-5之任一项所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中InAlP盖层是单晶InAlP材料,其通式为In1-xAl xP(0≤x≤1),采用外延生长技术生长在GeSn沟道上。
7.如权利要求6所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中InAlP盖层的厚度介于0.5nm和5nm之间。
8.如权利要求1-7之任一项所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中源极和漏极的材料是单晶SiGeSn合金材料,其通式为Si1-x-yGexSny(0≤x≤1,0≤y<1);对于n型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,源极和漏极的SiGeSn材料的晶格常数比GeSn沟道小;对于p型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,源极和漏极的SiGeSn材料的晶格常数比GeSn沟道大。
9.如权利要求8所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中源极和漏极的SiGeSn的掺杂浓度在垂直方向不均匀分布。
10.如权利要求1所述的带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,其特征在于,其中所述绝缘间隙壁隔开InAlP盖层和源区域以及InAlP盖层和漏区域。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20130918 |