CN103762242A - 压应变GeSnp沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压应变GeSnp沟道MOSFET。该MOSFET(10)结构包括：衬底（101）、弛豫SiGeSn缓冲层（107），源和漏（102,103）、GeSn沟道（104）、栅电极绝缘介电质层（105）以及栅电极（106）。SiGeSn缓冲层（107）层的晶格常数比GeSn沟道（104）晶格常数小，GeSn沟道形成XY面内的双轴压应变。这种应变可提高GeSn沟道（104）空穴迁移率，从而提高MOSFET性能。

Description

压应变GeSnp沟道金属氧化物半导体场效应晶体管

技术领域

本发明涉及一种双轴压应变GeSn p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快速及深入发展，晶圆尺寸的提高以及芯片特征尺寸的缩小可以满足微型化、高密度化、高速化、高可靠性和系统集成化的要求。根据国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）2012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。纯Ge材料具有比Si更高的空穴迁移率，当在Ge沟道引入双轴压应变后，空穴迁移率会进一步的提高（International Electron Devices Meeting, pp.150-153, 2010）。

双轴压应变GeSn具有比纯Ge材料更高的空穴迁移率，是制备p沟道MOSFET器件的理想材料（International Electron Devices Meeting, pp.402-403, 2011；International Electron Devices Meeting, pp.375-378, 2012）。实验和理论都证明在GeSn沟道在引入的压应变越大，器件的空穴迁移率就越高，器件电学性能就越好（IEEE Electron Device Letters, vol. 34, no.7, pp.831-833, 2013；Physical Review B, vol. 75, no. 4, pp. 045208, 2007）。

目前报道的压应变GeSn p沟道MOSFET器件都是GeSn沟道生长在Ge衬底或者Ge缓冲层上面，提高GeSn沟道压应变的方法就是提高Sn的组分。但是Sn组分太高就会引起GeSn材料热稳定性变差，易出现Sn原子的偏析。提高GeSn沟道压应变的另外一个方法就是减小GeSn沟道下面缓冲层的晶格常数。利用外延生长的技术，在弛豫SiGeSn缓冲层上面生长高压应变的GeSn沟道。弛豫SiGeSn缓冲层可以通过外延生长在衬底上或者键合的技术键合在衬底上面。如果Sn的组分为0，弛豫缓冲层就是SiGe，其通式为Si_1-x Ge _x （0≤x<1）。SiGe晶格常数可以通过减小Ge组分而减小，而弛豫SiGe在Si衬底上面的外延生长技术已经非常成熟（Journal of Applied Physics, v.90, no.6, pp.2730, 2001; Materials Science in Semiconductor Processing, v.8, pp.149-153, 2005）。对于SiGeSn缓冲层，通式为Si_1-x-y Ge _x Sn _y  （0≤x<1, 0≤y < 0.30）。可以通过降低Ge和Sn的组分减小SiGeSn缓冲层的晶格常数。目前，已经有报道在Si衬底上外延生长弛豫SiGeSn缓冲层（Applied, Physics, Letters, v.103, pp.072111, 2013）。

发明内容

本发明的目的是提出一种压应变GeSn p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的结构。其中弛豫SiGeSn缓冲层的晶格常数比GeSn沟道晶格常数小，在平行沟道的平面内形成双轴压应变。这种应变状态有利于提高GeSn沟道空穴迁移率，提高器件电学性能。

本发明所提出的金属氧化物半导体场效应晶体管具有：

一衬底；

一弛豫SiGeSn缓冲层，位于衬底上；

一GeSn沟道，位于所述 SiGeSn层上；

一栅电极绝缘介电质层，位于沟道上；

一栅电极，位于所述栅电极绝缘介电质层上。

一源极与一漏极，分别位于所述栅电极的两侧；

所述弛豫SiGeSn缓冲层晶格常数比GeSn沟道层晶格常数小。

 本发明MOSFET中，由于弛豫SiGeSn缓冲层的晶格常数比GeSn沟道晶格常数小，由此在平行沟道的平面内形成双轴压应变，这种应变状态有利于提高GeSn沟道空穴迁移率，提高器件电学性能。

附图说明

图1 为本发明MOSFET的截面模式图。

图2 为本发明MOSFET的俯视模式图。

图3为MOSFET制造的第一步。

图4为MOSFET制造的第二步。

图5为MOSFET制造的第三步。

图6为MOSFET制造的第四步。

图7为MOSFET制造的第五步。

具体实施方式

为了更为清晰地了解本发明的技术实质，以下结合附图详细说明本发明的结构和工艺实现（本例中衬底材料选用Si材料）：

  参见图1，MOSFET10包括以下结构：一GeSn沟道104、一衬底101、一弛豫SiGeSn缓冲层107，一源极102、一漏极103、一栅电极绝缘介电质层105、一栅电极106。

在Si衬底101上具有一弛豫SiGeSn缓冲层107，GeSn 沟道104位于所述 SiGeSn层107上，栅电极绝缘介电质层105位于所述 GeSn 沟道104上，栅电极106位于所述栅电极绝缘介电质层105上，一源极102与一漏极103分别位于所述栅电极106的两侧。

其中，弛豫SiGeSn缓冲层为单晶SiGeSn材料，其通式为Si_1-x-y Ge _x Sn _y  （0≤x<1, 0≤y < 0.30）。沟道GeSn材料通式为Ge_1-z Sn _z （0≤z≤0.25）。弛豫SiGeSn缓冲层晶格常数要比GeSn沟道层晶格常数小。源和漏为p型掺杂。

参见图3-图7，压应变GeSn p沟道MOSFET10的制造过程如下：

第一步如图3所示，在 Si 衬底101上，利用外延生长的技术，生长一层弛豫SiGeSn材料，形成弛豫SiGeSn缓冲层107。

第二步如图4所示，利用外延生长的技术，在弛豫SiGeSn缓冲层107上生长一层压应变的 GeSn 材料，作为 GeSn 沟道104。

第三步如图5所示，在 GeSn 沟道104上面依次沉积绝缘介电质薄膜和栅极材料。

第四步如图6所示，利用光刻和刻蚀形成栅电极绝缘介电质层105和栅电极106。

第五步如图7所示，利用离子注入和热退火技术形成源极102和漏极103。

虽然本发明已以实例公开如上，然其并非用以限定本分明，本分明的保护范围当视权利要求为准。

Claims (5)

1.一种双轴压应变GeSn p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，包括：

一衬底（101）；

一弛豫SiGeSn缓冲层（107），位于衬底上；

一GeSn沟道（104），位于所述 SiGeSn层（107）上；

一栅电极绝缘介电质层（105），位于沟道上；

一栅电极（106），位于所述栅电极绝缘介电质层上;

一源极（102）与一漏极（103），分别位于所述栅电极（106）的两侧；

所述弛豫SiGeSn缓冲层晶格常数比GeSn沟道层晶格常数小。

2.如权利要求1所述的双轴压应变GeSn p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，其中衬底是半导体材料，或者绝缘体材料。

3.如权利要求1所述的双轴压应变GeSn p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，其中弛豫SiGeSn缓冲层为单晶SiGeSn材料，其通式为Si_1-x-y Ge _x Sn _y  （0≤x<1, 0≤y < 0.30），SiGeSn缓冲层利用外延生长技术生长在衬底上，或者利用键合的技术键合在衬底上。

4.如权利要求1所述的双轴压应变GeSn p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，沟道GeSn材料通式为Ge_1-z Sn _z （0≤z≤0.25），采用外延生长技术生长在弛豫SiGeSn缓冲层上。

5.  如权利要求1所述的双轴压应变GeSn p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，源和漏为p型掺杂。

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