CN103311307A

CN103311307A - 带有InAlP盖层的Ge沟道金属氧化物半导体场效应晶体管

Info

Publication number: CN103311307A
Application number: CN 201310259926
Authority: CN
Inventors: 韩根全; 刘艳
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明提供一种带有InAlP盖层的Ge沟道MOSFET。该MOSFET(10)的特征在于：在基底（108）上的Ge沟道（101），Ge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/漏极区域。InAlP具有比Ge更大的禁带宽度，在InAlP和Ge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Ge沟道层中。

Description

带有InAlP盖层的Ge沟道金属氧化物半导体场效应晶体管

技术领域

本发明涉及一种带有InAlP盖层的Ge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。单晶Ge材料具有很高的电子和空穴迁移率（电子：3900cm²/V·s；空穴：1900cm²/V·s），是实现高有效载流子迁移率（Effective Carrier Mobility）MOSFET器件的热门材料。

制备Ge沟道MOSFET器件时，当Ge材料与绝缘介电质薄膜（通常为SiO₂，Al₂O₃，HfO₂，TaSiO_x，HfLaO_x等材料）直接接触的时候，会在Ge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，D_it）太高的时候，会大大降低沟道有效载流子迁移率。

为解决此问题，前人提出了在Ge沟道和绝缘介电质薄膜之间插入一个钝化层，或者在沉积绝缘介电质薄膜之前对Ge表面进行钝化处理。前人发明的方法有：（1）在Ge沟道和绝缘介电质薄膜之间形成一个GeO₂薄层；（2）在Ge沟道和绝缘介电质薄膜之间形成一个Si钝化层；（3）在Ge沟道和绝缘介电质薄膜之间形成一个GeON薄层；（4）在沉积绝缘介电质薄膜之前，用(NH₄)₂S溶液对Ge表面进行钝化处理。对于p型Ge沟道MOSFET器件，利用上述前人发明的方法，都可以实现比较高的有效空穴迁移率。但是对于n型Ge沟道MOSFET器件，前人发明的方法，并不能实现很高有效电子迁移率。无论GeO2，Si钝化层还是GeON层，与Ge沟道的界面在导带上带阶都太小，不能有效的将Ge沟道与绝缘介电质薄膜隔离。这样Ge沟道中电子子总是受到绝缘介电质薄膜中缺陷态或者界面处界面态的散射，所以电子的有效迁移率很低。

发明内容

本发明的目的是提出一种带有InAlP盖层的Ge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Ge沟道和绝缘介电质薄膜，并将导电载流子限制在Ge层中，从而实现高的有效载流子迁移率。本发明既适应n型Ge沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，又适应p型Ge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Ge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Ge沟道，Ge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Ge的大，在InAlP和Ge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Ge沟道层中。这样可以有效减小界面态密度对Ge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Ge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，使其晶格常数比Ge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，使其晶格常数比Ge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Ge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Ge沟道101；一InAlP盖层102，位于所述Ge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，生长一层弛豫的纯Ge材料，作为Ge沟道101，Ge材料的掺杂为p型掺杂。

第二步如图4所示，在Ge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晶格常数与纯Ge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Si_1-x-yGe_xSn_y（0≤x≤1，0≤y<1），其晶格常数小于纯Ge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Ge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Si_1-xGe_x（0<x<1）材料209，一Ge沟道201位于Si_1-xGe_x（0<x<1）材料上。一InAlP盖层202，位于所述Ge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Si_1-xGe_x（0<x<1）材料209。

第二步如图12所示，在弛豫的Si_1-xGe_x（0<x<1）材料上，利用外延生长的技术，生长一层应变纯Ge材料，作为Ge沟道201，Ge材料的掺杂为n型掺杂。

第三步如图13所示，在Ge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Si_1-xGe_x（0≤x≤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Si_1-x-yGe_xSn_y（0≤x≤1，0≤y<1），其晶格常数大于Si_1-xGe_x（0<x<1）弛豫基底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

1.一种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Ge沟道；

一InAlP盖层，位于所述Ge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Ge沟道为单晶Ge材料，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所述的金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，其中Ge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In_1-xAl _xP（0≤x≤1），采用外延生长技术生长在Ge沟道上。

7.如权利要求6所述的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Si_1-x-yGe_xSn_y（0≤x≤1，0≤y<1）；对于n型Ge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Ge沟道小；对于p型Ge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Ge沟道大。

9.如权利要求8所述的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。