DE112008000957T5 - Mechanismus zum Bilden einer Remote-Deltadotierungsschicht einer Quantentopfstruktur - Google Patents

Mechanismus zum Bilden einer Remote-Deltadotierungsschicht einer Quantentopfstruktur Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Quantentopfbauelements, umfassend Bilden einer Diffusionssperre auf Seiten einer Deltaschicht eines Quantentopfes zum Einschränken von Dopanten auf den Quantentopf.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen integrierte Halbleiterschaltungen und insbesondere Feldeffekttransistoren und Verfahren zur Herstellung der Transistoren.
  • HINTERGRUND
  • Quantentöpfe werden in Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel Diodenlasern, Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High Electron Mobility Transistors (HEMTs)), die in Elektronik mit geringem Rauschen verwendet werden, und Infrarotfotodetektoren, die zum Infrarotabbilden verwendet werden, gebildet. Insbesondere ist ein Quantentopf (quantum well) ein Potentialtopf, der Teilchen, die sich ursprünglich in drei Dimensionen bewegen konnten, auf zwei Dimensionen einschränkt, wobei er sie zwingt, eine Planare Region zu besetzen. Die Quanteneinschränkungseffekte ergeben sich, wenn die Quantentopfdicke mit der de-Broglie-Wellenlänge der Träger (allgemein Elektronen und Löcher) vergleichbar wird; dies führt zu Energieniveaus, die „Energieunterbänder” genannt werden, d. h., dass die Träger nur diskrete Energiewerte aufweisen können.
  • Quantentöpfe werden in Halbleitern gebildet, indem ein Material, wie zum Beispiel Galliumarsenid, zwischen zwei Schichten aus einem Material mit einer größeren Bandlücke, wie zum Beispiel Aluminiumarsenid, sandwichartig angeordnet wird. Diese Strukturen können durch Molekularstrahlepitaxie oder CVD (chemical vapor deposition) mit Steuerung der Schichtdicke auf Monoschichten hinab gezüchtet werden.
  • Um Quantentopfbauelementstrukturen mit hoher Beweglichkeit zu erzielen, besteht ein Schlüsselelement in der Fähigkeit, Dopanten auf die unmittelbare Nähe zum innewohnenden Quantentopf einzuschränken. Eine derartige Anforderung kann in vielen Fällen aufgrund der ungesteuerten Diffusionsfähigkeit von genannten Dopanten nicht leicht erfüllt werden. Die Dopanten in einer delta-dotierten Schicht können diffundieren oder während der nachfolgenden Aufwachs- und Glühschritte „in den Quantentopf schwappen” und somit die Beweglichkeit/Leistung des Bauelements verschlechtern.
  • Eine Teillösung des Problems des Herausdiffundierens von Dopanten aus der Delta-dotierten Schicht während nachfolgender Glühschritte zur Dopantenaktivierung besteht in der Verwendung von ultra fast ramping RTA (rapid thermal annealing). Dies widmet sich jedoch der Dopantendiffusion/verteilung nicht vollständig, da Dopanten auch während der Bildung etc. diffundieren können. Außerdem kann dies mit den ultra-low-thermal-budget-Anforderungen zur Aufrechterhaltung der Delta-dotierten Schicht inkompatibel sein.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird in den Figuren der beigefügten Zeichnungen beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Elemente kennzeichnen und in denen:
  • 1 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Quantentopfbauelements darstellt;
  • 2–6 eine Ausführungsform von zahlreichen Stufen bei der Herstellung eines Quantentopfbauelements darstellen; und
  • 7A und 7B Grafiken sind, die Dopantendiffusion darstellen.
  • Es wird ein Mechanismus zum Bilden einer dotierten Quantentopfstruktur beschrieben. In der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, um für ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Es wird jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Details in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Strukturen und Bauelemente in Blockdiagrammform statt im Detail gezeigt, um ein Verschleiern der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
  • Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine (1) Ausführungsform” oder „eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, eine besondere Struktur oder Charakteristik, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Auftreten der Phrase „in einer (1) Ausführungsform” an den zahlreichen Stellen in der Beschreibung bedeutet nicht notwendigerweise, dass sich alles auf dieselbe Ausführungsform bezieht.
  • Da Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS))-Bauelemente unverändert die Gate-Länge reduzieren, ist ein Bauelementparameter, der durch die sich fortsetzende Zunahme von Dopanten in dem Kanal ernsthaft einwirkt, die Trägerbeweglichkeit. Somit werden zunehmend ferndotierte Quantentopfstrukturen implementiert. Die Oberflächenrauhigkeit und Störstellenstreuung (z. B. in dem Quantentopf nicht vorhandener Dopant) in dem Kanal und Einbau von Spannung (strain) und mit Spannungsstabilisierung von unteren und Kappen-hetereo-epitaxial (Epi)-Schichten. Wie jedoch oben diskutiert wurde, stellt das Herausdiffundieren von Dopanten ein Hauptanliegen beim Steuern der hohen Konzentration von Dopanten in der delta-dotierten Schicht dar.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine Quantentopfstruktur durch Bilden eines Diffusionssperrmaterials auf jeder Seite einer der Delta-Dotierungsschicht hergestellt, um die Dopanten auf die unmittelbare Nähe eines Quantentopfes einzuschränken. In einer derartigen Ausführungsform wird eine hetero-epitaxial-Quantentopfstruktur mit einer Kanalschicht mit hoher Beweglichkeit und schmaler Bandlücke gezüchtet, die zwischen zwei Schichten mit breiterer Bandbreite sandwichartig angeordnet ist. Die Elektronenbandstruktur an der Hetero-Übergangsgrenzfläche schränkt entweder Elektronen- oder Löcherträger durch Verwendung von Leitungsband-Offset bzw. Valenzband-Offset ein.
  • Während des Aufwachsens der Schichten mit breiter Bandlücke werden stark dotierte Delta-Dotierungsschichten ausreichend nahe der Quantentopfschicht als ein Trägerreservoir gezüchtet. Vor oder nach dem Aufwachsen der stark dotierten Deltaschicht werden dünne Dopantendiffusionssperrschichten über und unter der stark dotierten Delta-Dotierungsschicht gezüchtet. Die Dopantendiffusionssperre wird in einer Ausführungsform durch Einführen einer Schicht, die ein geringes Dopantendiffusionsvermögen aufweist, wie z. B. Lithium in einer Ge-Quantentopfstruktur) oder durch Hinzufügen von Verunreinigungen bzw. Störstellen in den Schichten mit breiter Bandlücke zum Unterdrücken von Quantendiffusion (z. B. durch Hinzufügen von Kohlenstoff (C) in Si oder SiGe zum effektiven Unterdrücken von Bor (B)- und Phosphor (P)-Diffusion) gebildet.
  • 1 stellt eine Ausführungsform von Herstellprozessen einer Ausführungsform eines Ge-Quantentopfes und einer Delta-Dotierungsschicht mit scharfer Grenze dar. Bei Verarbeitungsblock 110 wird eine Quantentopfstruktur durch Grading einer SiGe-Übergangsschicht und einer Epi-Schicht mit dickem relaxierten Film (z. B. Si1-xGex) zum Reduzieren von Versetzungsdefekten der Ge-Quantentopfschicht gebildet. 2 stellt eine Ausführungsform der graded Si-Ge- und Si1-xGex-Schichten dar, die auf dem Si-Substrat gebildet sind.
  • Wieder auf 1 bezugnehmend, wird eine Si1-yGey-Schicht so gebildet, das die Ge-Zusammensetzung so zugeschnitten ist, dass sie einen gewünschten Valenzband-Offset mit dem Ge-Quantentopfvalenzband aufweist, Verarbeitungsblock 120.
  • 3 stellt eine Ausführungsform von Si1-yGey-Schicht dar, Verarbeitungsblock 130. 4 stellt eine Ausführungsform der gebildeten Ge-Quantentopfschicht dar. Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 wird ein Sandwich aus Si-Sperre/stark dotierte Si1-yGey/Si-Sperre so gezüchtet, das es die Delta-Dopanten enthält, Verarbeitungsblock 150. 5 stellt eine Ausführungsform des über der Ge-Quantentopfschicht gebildeten Sandwiches aus Si-Sperre/stark dotierte Si1-yGey/Si-Sperre dar.
  • Nochmals auf 1 bezugnehmend, wird dann eine Industriestandard-CMOS-Verarbeitung durchgeführt, um den Rest des Ge-QW-PMOS-Bauelements auf dem oben genannten Substrat herzustellen, Verarbeitungsblock 150. Genannte Verarbeitung enthält. 5 stellt eine Ausführungsform eines Quantentopfbauelements dar, das ein von einer Diffusionsschicht umgebenes Delta-Dotierungsgebiet aufweist. In anderen Ausführungsformen kann der Stapel aus Diffusionssperre/Delta-Dotierungsschicht auch unter dem Quantentopf platziert werden.
  • 7A und 7B stellen Beispiele für Dopantendiffusionssperrschichten auf Blanket-Wafer für den Fall von Germanium(Ge)-Quantentopfschichten mit hoher Beweglichkeit dar. Die Figuren zeigen Massenspektrometrie (SIMS)-Profil von Phosphor in einer auf einem Silizium (Si)-Substrat aufgewachsenen Ge-Epi-Schicht. Eine dünne 50A-Si oder eine 50A-69%-SiGe-Schicht ist in Ge als eine Dopantendiffusionsschicht eingebettet. Bei Vergleich der 50A-Si-Sperre in 7A und der 50A-69%-SiGe-Sperre von 7B hinderte die 50A-Si die P-Diffusion in der oberen n-Ge am Diffundieren in die undotierte untere i-Ge-Schicht effektiv.
  • Obwohl dies oben unter Bezugnahme auf eine Ge-Quantentopfstruktur beschrieben ist, kann das oben beschriebene Verfahren in anderen Ausführungsformen unter Verwendung von irgendeiner Art von Quantentopfstruktur mit hoher Beweglichkeit implementiert werden. In weiteren Ausführungsformen kann jede Art von Diffusionssperre implementiert werden, einschließlich eine C-dotierte Si oder SiGe.
  • 8 stellt dar, das Quantentopfbauelemente 800, gemäß zahlreichen Ausführungsformen der Erfindung, in einer integrierten Schaltung 810 (oder einem anderen Chip, monolithischen Bauelement, Halbleiterbauelement oder mikroelektronischen Bauelement, wie auf dem Gebiete allgemein verständlich ist) verwendet und in ein Computersystem 850 (oder ein anderes elektrisches System) eingebaut werden kann. Das Computersystem, das ein Portable Laptop, Desktop, Server, Großrechner oder anderes Computersystem sein kann, kann auch andere herkömmliche Computersystemkomponenten, wie z. B. einen Bus zum Übertragen von Daten, einen Speicher zum Speichern von Daten (z. B. Hauptspeicher, Nur-Lese-Speicher und/oder elektrische Massensysteme) enthalten.
  • Während viele Änderungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung zweifelsohne für einen Fachmann auf dem Gebiet nach dem Lesen der vorangehenden Beschreibung ersichtlich sein werden, versteht es sich, dass jede spezielle Ausführungsform, die gezeigt und zur Illustration beschrieben worden ist, in keiner Weise als Einschränkung angesehen werden soll. Somit sollen Bezugnahmen auf Details von zahlreichen Ausführungsformen den Schutzbereich der Ansprüche nicht einschränken, die in sich selbst nur diejenigen Merkmale wiederholen, die als für die Erfindung wesentlich angesehen werden.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Quantentopfbauelements enthält Bilden einer Diffusionssperre auf Seiten einer Deltaschicht eines Quantentopfes zum Begrenzen von Dopanten auf den Quantentopf.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Quantentopfbauelements, umfassend Bilden einer Diffusionssperre auf Seiten einer Deltaschicht eines Quantentopfes zum Einschränken von Dopanten auf den Quantentopf.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Bilden des Quantentopfes mit einer Kanalschicht mit hoher Beweglichkeit und schmaler Bandlücke.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenbandstruktur an einer Hetero-Übergangsgrenzfläche des Quantentopfes Elektronenträger unter Verwendung von Leitungsband-Offset einschränkt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenbandstruktur an einer Hetero-Übergangsgrenzfläche des Quantentopfes Löcherträger unter Verwendung eines Valenzband-Offset einschränkt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bilden einer graded-Übergangschicht über einem Substrat; Bilden einer Epitaxialschicht mit relaxiertem Film über der Übergangsschicht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen der Übergangsschicht und der Epitaxialschicht mit relaxiertem Film einen Versetzungseffekt der Quantentopfschicht reduziert.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend Bilden einer ersten Si1-yGey-Schicht über der Epitaxialschicht mit relaxiertem Film.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend Bilden des Quantentopfes über der ersten Si1-yGey-Schicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Bilden einer ersten Diffusionssperre über dem Quantentopf; Bilden einer zweiten Si1-yGey-Schicht über der ersten Diffusionssperre; Bilden einer zweiten Diffusionssperre über der zweiten Si1-yGey-Schicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend Durchführen von Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)-Verarbeitung zum Abschließen der Herstellung des Quantentopfbauelements.
  11. Quantentopfhalbleiterbauelement, umfassend: einen Quantentopf; eine Deltaschicht; eine erste Diffusionssperre, die unter der Deltaschicht gebildet ist; und eine zweite Diffusionsschicht, die über der Deltaschicht gebildet ist.
  12. Bauelement nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein Substrat; eine graded-Übergangsschicht, die über dem Substrat gebildet ist; und eine Epitaxialschicht mit relaxiertem Film, die über der Übergangsschicht gebildet ist.
  13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsschicht und die Epitaxialschicht mit relaxiertem Film zum Reduzieren eines Versetzungsdefektes der Quantentopfschicht gebildet sind.
  14. Bauelement nach Anspruch 5, ferner umfassend eine erste Si1-yGey-Schicht, die über der Epitaxialschicht mit relaxiertem Film und unter dem Quantentopf gebildet ist.
  15. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenbandstruktur an einer Hetero-Übergangsgrenzfläche des Quantentopfes Elektronenträger unter Verwendung von Leitungsband-Offset einschränkt.
  16. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenenbandstruktur an einer Hetero-Übergangsgrenzfläche des Quantentopfes Löcherträger unter Verwendung von Valenzband-Offset einschränkt.
  17. Bilden einer Epitaxialschicht mit relaxiertem Film über der Übergangsschicht; Bilden einer ersten Si1-yGey-Schicht über der Epitaxialschicht mit relaxiertem Film; Bilden des Quantentopfes über der ersten Si1-yGey-Schicht; Bilden einer ersten Diffusionssperre über dem Quantentopf; Bilden einer zweiten Si1-yGey-Schicht über der ersten Diffusionssperre; und Bilden einer zweiten Diffusionssperre über der zweiten Si1-yGey-Schicht.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Durchführen einer Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS))-Verarbeitung zum Abschließen der Herstellung des Quantentopfhalbleiterbauelements.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenbandstruktur an einer Hetero-Übergangsgrenzfläche des Quantentopfes Elektronenträger unter Verwendung von Leitungsband-Offset einschränkt.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenbandstruktur an einer Hetero-Übergangsgrenzfläche des Quantentopfes Löcherträger unter Verwendung von Valenzband-Offset einschränkt.
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