JP2009500871A - Semiconductor device including strained superlattice and stress layer thereon, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

半導体デバイスは、積層された複数の層群を有する歪み超格子層(325)、及び歪み超格子層の上方の応力層を含んでいる。歪み超格子層の各層群は、ベース半導体部分を画成する積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを含んでいる。  The semiconductor device includes a strained superlattice layer (325) having a plurality of stacked layers, and a stress layer above the strained superlattice layer. Each group of strained superlattice layers includes a plurality of stacked base semiconductor monolayers defining a base semiconductor portion and at least one non-semiconductor monolayer constrained within the crystal lattice of adjacent base semiconductor portions. Contains.

Description

本発明は、半導体分野に関し、より具体的には、エネルギー帯エンジニアリングに基づいて特性が向上された半導体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to the semiconductor field, and more specifically to a semiconductor with improved characteristics based on energy band engineering and a method for manufacturing the same.

例えば電荷キャリアの移動度を高めるなどにより、半導体デバイスの性能を向上させる構造及び技術が提案されている。例えば、特許文献1は、さもなければ性能の低下を引き起こし得る、シリコン、シリコンゲルマニウム及び緩和シリコンから成り、且つ不純物のない領域をも含む歪み材料層群を開示している。上部シリコン層内に得られる2軸歪みはキャリア移動度を変化させ、より高速且つ/或いはより低電力のデバイスを可能にする。また、特許文献2は、やはり同様の歪みシリコン技術に基づくCMOSインバータを開示している。   For example, a structure and a technique for improving the performance of a semiconductor device by increasing the mobility of charge carriers has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a strained material layer group including a region made of silicon, silicon germanium, and relaxed silicon, which may otherwise cause performance degradation, and also includes an impurity-free region. The biaxial strain obtained in the upper silicon layer changes the carrier mobility, allowing for faster and / or lower power devices. Patent Document 2 also discloses a CMOS inverter based on the same strained silicon technology.

特許文献3は、第2のシリコン層の伝導帯及び価電子帯が引張歪みを受けるように、シリコン層の間に挟まれたシリコン及び炭素の層を含む半導体デバイスを開示している。ゲート電極に印加された電界により誘起された一層小さい有効質量を有する電子は第2のシリコン層内に閉じ込められ、それにより、nチャネルMOSFETは一層高い移動度を有する状態にされる。   Patent Document 3 discloses a semiconductor device including a silicon and carbon layer sandwiched between silicon layers such that the conduction band and valence band of the second silicon layer are subjected to tensile strain. Electrons having a smaller effective mass induced by the electric field applied to the gate electrode are confined in the second silicon layer, thereby placing the n-channel MOSFET in a more mobile state.

特許文献4は、分数を含む8原子層以下の単体物質、又は2元化合物半導体層である複数の層が交互にエピタキシャル成長された超格子を開示している。主電流の方向は超格子の層群に垂直である。   Patent Document 4 discloses a superlattice in which a single substance having a fraction of 8 atomic layers or less including a fraction or a plurality of layers which are binary compound semiconductor layers are alternately epitaxially grown. The direction of the main current is perpendicular to the superlattice layer group.

特許文献5は、超格子内での合金散乱を抑制することにより一層高い移動度が実現されたSi−Ge短周期超格子を開示している。この方針に沿って、特許文献6は、実質的にチャネル層を引張応力下に置くような割合でシリコン格子内に存在する第2の金属とシリコンとの合金を有するチャネル層を含む、移動度が向上されたMOSFETを開示している。   Patent Document 5 discloses a Si—Ge short period superlattice in which higher mobility is realized by suppressing alloy scattering in the superlattice. In line with this policy, U.S. Pat. No. 6,057,049 includes a channel layer having a second metal and silicon alloy present in the silicon lattice at a rate that substantially places the channel layer under tensile stress. Discloses an improved MOSFET.

特許文献7は、2つのバリア領域、及びこれらバリア間に挟まれた薄いエピタキシャル成長半導体層を有する量子井戸構造を開示している。各バリア領域は、概して2から6原子層の範囲内の厚さを有する、交互にされたSiO/Si層から成っている。遙かに厚いシリコン部分がこれらバリア間に挟み込まれている。 Patent Document 7 discloses a quantum well structure having two barrier regions and a thin epitaxially grown semiconductor layer sandwiched between the barrier regions. Each barrier region consists of alternating SiO 2 / Si layers having a thickness generally in the range of 2 to 6 atomic layers. A much thicker silicon part is sandwiched between these barriers.

非特許文献1は、シリコン及び酸素の半導体−原子超格子(SAS)を開示している。このSi/O超格子はシリコンの量子発光デバイスに有用であるとして開示されている。特に、緑色の電界発光ダイオード構造が試作・試験されている。ダイオード構造内の電流は縦方向、すなわち、SASの層群に垂直である。開示されたSASは、例えば酸素原子及びCO分子などの吸収された種によって分離された半導体層群を含み得る。吸収された酸素のモノレイヤーを超えるシリコン成長が、かなり低い欠陥密度を有するエピタキシャルとして記載されている。1つのSAS構造は、およそシリコンの8原子層である1.1nmの厚さのシリコン部分を含み、別の1つの構造はこの厚さの2倍のシリコンを有している。非特許文献2は更に、非特許文献1の発光SAS構造について議論している。   Non-Patent Document 1 discloses a silicon-oxygen semiconductor-atomic superlattice (SAS). This Si / O superlattice is disclosed as being useful for silicon quantum light emitting devices. In particular, green electroluminescent diode structures have been prototyped and tested. The current in the diode structure is vertical, ie perpendicular to the SAS layer group. The disclosed SAS can include a group of semiconductor layers separated by absorbed species such as oxygen atoms and CO molecules. Silicon growth beyond the absorbed oxygen monolayer has been described as epitaxial with a fairly low defect density. One SAS structure includes a 1.1 nm thick silicon portion, which is approximately an 8-atomic layer of silicon, and another structure has twice this thickness of silicon. Non-Patent Document 2 further discusses the light-emitting SAS structure of Non-Patent Document 1.

特許文献8は、格子を縦方向に流れる電流を4桁を上回る大きさで低減させる、薄いシリコン及び酸素、炭素、窒素、リン、アンチモン、ヒ素、又は水素のバリア構築ブロックを開示している。絶縁層/バリア層は、絶縁層の隣に低欠陥のエピタキシャルシリコンが堆積されることを可能にしている。   U.S. Pat. No. 6,057,077 discloses thin silicon and oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, antimony, arsenic, or hydrogen barrier building blocks that reduce the current flowing in the longitudinal direction of the lattice by more than four orders of magnitude. The insulating layer / barrier layer allows low defect epitaxial silicon to be deposited next to the insulating layer.

特許文献9は、非周期フォトニック・バンドギャップ(APBG)構造の原理が電子バンドギャップ・エンジニアリングに適応され得ることを開示している。特に、この特許文献9は、例えばバンドの極小値の位置や有効質量などといった材料パラメータが、望ましいバンド構造の特性を有する新たな非周期材料を生じさせるように調整され得ることを開示している。例えば導電率、熱伝導率、及び誘電率若しくは透磁率などのその他のパラメータも、材料に設計されることが可能であると開示されている。   U.S. Patent No. 6,057,031 discloses that the principle of an aperiodic photonic bandgap (APBG) structure can be applied to electronic bandgap engineering. In particular, this patent document 9 discloses that material parameters such as the position of the band minimum and effective mass can be adjusted to produce new aperiodic materials with desirable band structure characteristics. . It is disclosed that other parameters such as conductivity, thermal conductivity, and dielectric constant or permeability can also be designed into the material.

半導体デバイスにおける電荷キャリアの移動度を高めるための材料工学での相当な努力にもかかわらず、依然として、より一層の改善が望まれる。より高い移動度はデバイスを高速化し、且つ/或いはデバイスの消費電力を削減し得る。また、より高い移動度により、一層微細なデバイスや新たなデバイス構成へと引き続き移行しても、デバイス性能は維持されることができる。
米国特許出願公開第2003/057416号明細書 米国特許出願公開第2003/034529号明細書 米国特許第6472685号明細書 米国特許第4937204号明細書 米国特許第5357119号明細書 米国特許第5683934号明細書 米国特許第5216262号明細書 国際公開第02/103767号パンフレット 英国特許出願公開第2347520号明細書 Tsu、「Phenomena in silicon nanostructure devices」、Applied Physics and Materials Science & Processing、2000年9月6日、p.391-402 Luo等、「Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon」、Physical Review Letters、第89巻、第7号、2002年8月12日
Despite considerable efforts in materials engineering to increase charge carrier mobility in semiconductor devices, still further improvements are desired. Higher mobility may speed up the device and / or reduce the power consumption of the device. Also, due to higher mobility, device performance can be maintained even with continued migration to even finer devices and new device configurations.
US Patent Application Publication No. 2003/057416 US Patent Application Publication No. 2003/034529 US Pat. No. 6,472,685 US Pat. No. 4,937,204 US Pat. No. 5,357,119 US Pat. No. 5,683,934 US Pat. No. 5,216,262 International Publication No. 02/103767 Brochure UK Patent Application No. 2347520 Tsu, “Phenomena in silicon nanostructure devices”, Applied Physics and Materials Science & Processing, September 6, 2000, p.391-402 Luo et al., “Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon”, Physical Review Letters, Vol. 89, No. 7, August 12, 2002

本発明は、以上の背景を鑑み、動作特性が向上された半導体デバイスを提供することを目的とする。   In view of the above background, an object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved operating characteristics.

本発明に従った上記及びその他の目的、特徴及び利点は、積層された複数の層群を有する歪み超格子層、及び歪み超格子層の上方の応力層を含む半導体デバイスによって提供される。より具体的には、歪み超格子層の各層群は、ベース半導体部分を画成する積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを有する。   The above and other objects, features and advantages according to the present invention are provided by a semiconductor device including a strained superlattice layer having a plurality of stacked layers and a stress layer above the strained superlattice layer. More specifically, each group of strained superlattice layers includes a plurality of stacked base semiconductor monolayers defining a base semiconductor portion and at least one constrained within a crystal lattice of adjacent base semiconductor portions. And a non-semiconductor monolayer.

より具体的には、この半導体デバイスは更に、歪み超格子層の応力層とは反対側で、歪み超格子層に隣接する半導体基板を含み得る。さらに、この半導体デバイスはまた、積層された層群に対して平行な方向に、歪み超格子層内に電荷キャリア輸送を生じさせる領域を含み得る。   More specifically, the semiconductor device may further include a semiconductor substrate adjacent to the strained superlattice layer on the opposite side of the strained superlattice layer from the stress layer. In addition, the semiconductor device may also include regions that cause charge carrier transport in the strained superlattice layer in a direction parallel to the stacked layers.

歪み超格子層は圧縮歪み又は引張歪みを有していてもよい。歪み超格子層はまた、その中に共通のエネルギーバンド構造を有していてもよい。例として、各ベース半導体部分は、IV族半導体、III-V族半導体及びII-VI族半導体から成るグループから選択されたベース半導体を含み得る。より具体的には、各ベース半導体部分はシリコンを含んでいてもよい。さらに、各非半導体モノレイヤーは、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を含み得る。また、応力層はシリコン及び窒素を含み得る。   The strained superlattice layer may have a compressive strain or a tensile strain. The strained superlattice layer may also have a common energy band structure therein. As an example, each base semiconductor portion can include a base semiconductor selected from the group consisting of a group IV semiconductor, a group III-V semiconductor, and a group II-VI semiconductor. More specifically, each base semiconductor portion may include silicon. Further, each non-semiconductor monolayer may include a non-semiconductor selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen. The stress layer can also include silicon and nitrogen.

歪み超格子層の隣接し合うベース半導体部分は化学的に結合されていてもよい。また、各非半導体モノレイヤーは単一のモノレイヤーの厚さとしてもよく、各ベース半導体部分は8層のモノレイヤーの厚さより薄くされてもよい。歪み超格子層は実質的な直接エネルギーバンドギャップを有していてもよい。歪み超格子層はまた、最も上側の層群の上にベース半導体のキャップ層を含んでいてもよい。一部の実施形態において、ベース半導体部分は全て、同数のモノレイヤーの厚さとし得る。他の実施形態においては、ベース半導体部分の少なくとも一部は、異なる数のモノレイヤーの厚さとし得る。   Adjacent base semiconductor portions of the strained superlattice layer may be chemically bonded. In addition, each non-semiconductor monolayer may have a single monolayer thickness, and each base semiconductor portion may be thinner than eight monolayers. The strained superlattice layer may have a substantial direct energy band gap. The strained superlattice layer may also include a base semiconductor cap layer over the uppermost layer group. In some embodiments, all of the base semiconductor portions may be the same number of monolayer thicknesses. In other embodiments, at least a portion of the base semiconductor portion may be a different number of monolayer thicknesses.

本発明の方法の態様は半導体デバイスの製造方法に関する。この方法は、積層された複数の層群を有する超格子層を形成する工程、及び超格子層内に歪みを誘起するように超格子層の上方に応力層を形成する工程を含んでいる。さらに、超格子層の各層群は、ベース半導体部分を画成する積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを有する。   A method aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device. The method includes the steps of forming a superlattice layer having a plurality of stacked layer groups and forming a stress layer above the superlattice layer to induce strain in the superlattice layer. In addition, each layer group of the superlattice layer includes a plurality of stacked base semiconductor monolayers defining a base semiconductor portion, and at least one non-semiconductor monolayer constrained within a crystal lattice of adjacent base semiconductor portions. Have

本発明の好適な実施形態が示された添付の図面を参照しながら、本発明を更に十分に説明する。本発明は、しかしながら、数多くの異なる形態で具現化され得るものであり、ここで説明される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、ここでの開示を完全なものとし、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために提示されるものである。全体を通して、似通った参照符号は似通った要素を参照するものであり、1つ又は複数のダッシュ記号による表記は代替的な実施形態における同様の要素を指し示すものである。   The present invention will be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments of the invention are shown. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein; Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Throughout, similar reference numbers refer to similar elements, and one or more dash notation refers to similar elements in alternative embodiments.

本発明は、半導体デバイスにおける性能を改善するために、半導体材料の特性を原子又は分子のレベルで制御することに関する。さらに、本発明は半導体デバイスの導通経路内で使用される改善された材料の識別、創出及び応用に関する。   The present invention relates to controlling the properties of semiconductor materials at the atomic or molecular level to improve performance in semiconductor devices. Furthermore, the invention relates to the identification, creation and application of improved materials used in the conduction path of semiconductor devices.

理論に囚われるべきではないが、ここでは、ここに記載される或る一定の超格子は電荷キャリアの有効質量を低減させること、及びそれによって、より高い電荷キャリア移動度が得られることを理論化する。有効質量は文字通り様々な定義を用いて記述される。有効質量の改善の指標として、ここでは“伝導率反転(conductivity reciprocal)有効質量テンソル”、すなわち電子及び正孔に対して、それぞれ、次のように定義されるMe -1及びMh -1を使用する:
電子に対して、
Although not to be bound by theory, it is here theorized that certain superlattices described herein reduce the effective mass of charge carriers and thereby provide higher charge carrier mobility. To do. Effective mass is literally described using various definitions. As an indicator of effective mass improvement, here, for a "conductivity reciprocal effective mass tensor", ie, electrons and holes, respectively, Me e -1 and M h -1 are defined as follows: Use:
For electrons,

Figure 2009500871

正孔に対して、
Figure 2009500871

For holes,

Figure 2009500871

ただし、fはフェルミ−ディラック分布関数、EFはフェルミ準位、Tは温度、E(ベクトルk,n)は波数ベクトルk及びn番目のエネルギー帯に対応する状態にある電子のエネルギーであり、添字i及びjはデカルト座標x、y及びzを参照するものである。また、積分はブリルアン領域(B.Z.)全体で取られ、和は電子及び正孔に対して、それぞれ、フェルミ準位より高いエネルギー及び低いエネルギーを有するバンドの全体で取られる。
Figure 2009500871

However, f is the Fermi - Dirac distribution function, E F is the Fermi level, T is the temperature, E (vector k, n) electron energy in the state corresponding to wave vector k and the n th energy band, Subscripts i and j refer to Cartesian coordinates x, y and z. Also, the integral is taken over the entire Brillouin region (B.Z.), and the sum is taken over the entire band having energies above and below the Fermi level for electrons and holes, respectively.

ここでの伝導率反転有効質量テンソルの定義によれば、材料の伝導率のテンソル成分は、伝導率反転有効質量テンソルの対応する成分の値が大きくなるほど大きくなる。ここでも、理論に囚われるべきではないが、ここで説明される超格子は、例えば典型的に好適な電荷キャリア輸送方向に対して、材料の伝導特性を高めるように伝導率反転有効質量テンソルの値を設定するものであることを理論化する。適当なテンソル要素の逆数を伝導率有効質量(conductivity effective mass)と呼ぶ。換言すれば、半導体材料の構造を特徴付けるため、意図されるキャリア輸送方向で計算された上述の電子/正孔の伝導率有効質量を使用することにより、改善された材料が識別される。   According to the definition of the conductivity inversion effective mass tensor here, the tensor component of the conductivity of the material increases as the value of the corresponding component of the conductivity inversion effective mass tensor increases. Again, not to be bound by theory, the superlattice described here is a value of the conductivity inversion effective mass tensor to enhance the conduction properties of the material, for example, typically in the preferred charge carrier transport direction. Theorizing that The reciprocal of the appropriate tensor element is called the conductivity effective mass. In other words, improved materials are identified by using the above-described electron / hole conductivity effective mass calculated in the intended carrier transport direction to characterize the structure of the semiconductor material.

上述の指標を用いると、特定の目的のために改善されたバンド構造を有する材料を選択することができる。その一例は、MOSFETデバイスのチャネル領域のための歪み超格子25材料である。先ず、図1を参照して、本発明に従った歪み超格子25を含むプレーナ型MOSFET20について説明する。しかしながら、当業者に認識されるように、ここで特定される材料は例えば個別デバイス及び/又は集積回路などの多くの異なる種類の半導体デバイスにおいても使用され得るものである。一例として、別の適用においては、米国特許出願第11/426969号明細書にて更に説明されているように、歪み超格子25はFINFETにて使用され得る。なお、参照することによりこの文献の全体がここに組み込まれる。   Using the above indicators, materials with improved band structures can be selected for specific purposes. One example is a strained superlattice 25 material for the channel region of a MOSFET device. First, a planar MOSFET 20 including a strained superlattice 25 according to the present invention will be described with reference to FIG. However, as will be appreciated by those skilled in the art, the materials identified herein can also be used in many different types of semiconductor devices such as, for example, discrete devices and / or integrated circuits. As an example, in another application, strained superlattice 25 may be used in a FINFET, as further described in US patent application Ser. No. 11 / 426,969. The entirety of this document is incorporated herein by reference.

例示されたMOSFET20は、基板21、該基板上の応力層26、及び該応力層上の半導体領域27、28を含んでおり、これら半導体領域間の応力層上に歪み超格子層25がある。より具体的には、応力層26は例えば傾斜(graded)シリコンゲルマニウム層などの傾斜半導体層とし得る。さらに、半導体領域26、27は例えばシリコン又はシリコンゲルマニウムの領域とし得る。当業者に認識されるように、半導体領域26、27は、例示的に、MOSFET20のソース及びドレイン領域22、23を形成するようにドーパントでイオン注入されている。   The illustrated MOSFET 20 includes a substrate 21, a stress layer 26 on the substrate, and semiconductor regions 27, 28 on the stress layer, with a strained superlattice layer 25 on the stress layer between the semiconductor regions. More specifically, the stress layer 26 may be a graded semiconductor layer, such as a graded silicon germanium layer. Further, the semiconductor regions 26, 27 can be, for example, silicon or silicon germanium regions. As will be appreciated by those skilled in the art, the semiconductor regions 26, 27 are illustratively ion implanted with dopants to form the source and drain regions 22, 23 of the MOSFET 20.

MOSFET20にて使用され得る様々な超格子構造について更に説明する。シリコン−酸素超格子の場合、超格子層25の格子間隔は、通常、シリコンゲルマニウム応力層26の格子間隔より小さい。しかしながら、この例における応力層26は超格子層25内に、例えばNチャネル型FETにおいて移動度を更に高めるために使用され得る引張歪みを誘起する。他の例では、超格子層25及び応力層26の組成は、超格子が別の方法で応力層より大きい格子間隔を有するように選択されてもよい。これは有利には、例えばPチャネル型FETデバイスにおいて効果的に超格子の更なる移動度の向上をもたらし得る圧縮歪みを超格子層25内に誘起する。   Various superlattice structures that can be used in MOSFET 20 are further described. In the case of a silicon-oxygen superlattice, the lattice spacing of the superlattice layer 25 is typically smaller than the lattice spacing of the silicon germanium stress layer 26. However, the stress layer 26 in this example induces a tensile strain in the superlattice layer 25 that can be used to further increase mobility, for example, in an N-channel FET. In other examples, the composition of the superlattice layer 25 and the stress layer 26 may be selected so that the superlattice has a lattice spacing that is otherwise larger than the stress layer. This advantageously induces a compressive strain in the superlattice layer 25 that can effectively lead to further enhancement of the superlattice mobility, for example in P-channel FET devices.

例示された実施形態においては、応力層は縦方向に濃度勾配を有する傾斜半導体層であり、この傾斜半導体層上に縦方向に歪み超格子25が積層されている。図6に例示された代替的な一実施形態においては、MOSFET20’は更に、傾斜半導体層26’と歪み超格子層425’との間に配置された実質的に無傾斜の半導体層42’を含んでいる。すなわち、実質的に無傾斜の半導体層42’はその頂部から底部までの全体で、実質的に一致した組成の半導体材料(例えば、シリコンゲルマニウム)を有しており、応力層26’と超格子層425’との間の緩衝層(バッファ)を提供する。より具体的には、実質的に無傾斜の半導体層42’は応力層26’の頂部における半導体材料と実質的に同一の組成を有していてもよい。上に位置する半導体層(例えば、シリコン)に歪みを与えるために傾斜層及び無傾斜層を使用することについての更なる情報は、Lei等の米国特許出願公開第2005/0211982号明細書、Bauerの米国特許出願公開第2005/0054175号明細書、Lindert等の米国特許出願公開第2005/0224800号明細書、及びArena等の米国特許出願公開第2005/0051795号明細書に記載されている。なお、参照することによりこれらの文献の全体がここに組み込まれる。   In the illustrated embodiment, the stress layer is a gradient semiconductor layer having a concentration gradient in the vertical direction, and a strained superlattice 25 is stacked in the vertical direction on the gradient semiconductor layer. In an alternative embodiment illustrated in FIG. 6, MOSFET 20 ′ further includes a substantially ungraded semiconductor layer 42 ′ disposed between graded semiconductor layer 26 ′ and strained superlattice layer 425 ′. Contains. That is, the substantially non-tilted semiconductor layer 42 ′ has a semiconductor material (eg, silicon germanium) having a substantially identical composition from the top to the bottom, and has a stress layer 26 ′ and a superlattice. Provide a buffer layer (buffer) between layers 425 '. More specifically, the substantially non-tilted semiconductor layer 42 'may have substantially the same composition as the semiconductor material at the top of the stress layer 26'. For more information on using graded and non-graded layers to strain an overlying semiconductor layer (eg, silicon), see Lei et al., US 2005/0211982, Bauer. US Patent Application Publication No. 2005/0054175, Lindert et al. US Patent Application Publication No. 2005/0224800, and Arena et al. US Patent Application Publication No. 2005/0051795. The entirety of these documents is incorporated herein by reference.

当業者に認識されるように、例示的に、ソース/ドレイン領域22、23の上にはソース/ドレインシリサイド層30、31とソース/ドレインコンタクト32、33がある。ゲート35は、例示的に、歪み超格子層25によってもたらされたチャネルに隣接するゲート絶縁層37と、該ゲート絶縁層上のゲート電極層36とを含んでいる。図示されたMOSFET20においては、側壁スペーサ40、41も設けられている。   As will be appreciated by those skilled in the art, by way of example, there are source / drain silicide layers 30, 31 and source / drain contacts 32, 33 over the source / drain regions 22, 23. The gate 35 illustratively includes a gate insulating layer 37 adjacent to the channel provided by the strained superlattice layer 25 and a gate electrode layer 36 on the gate insulating layer. In the illustrated MOSFET 20, side wall spacers 40 and 41 are also provided.

また、例えば例示されたMOSFET20等の半導体デバイスは、そうでない場合に存在するであろうものより低い伝導率有効質量に基づいて、より高い電荷キャリア移動度の利益を享受することが理論化される。一部の実施形態においては、バンドエンジニアリングの結果として、超格子25は更に、例えば同時継続中の米国特許出願第10/936903号(INTEGRATED CIRCUIT COMPRISING AN ACTIVE OPTICAL DEVICE HAVING AN ENERGY BAND ENGINEERED SUPERLATTICE)に記載されているような光電子デバイスに対して特に有利となり得る実質的な直接エネルギーバンドギャップを有し得る。なお、この文献は参照することによりその全体がここに組み込まれる。   It is also theorized that semiconductor devices, such as the illustrated MOSFET 20, for example, benefit from higher charge carrier mobility based on a lower conductivity effective mass than would otherwise exist. . In some embodiments, as a result of band engineering, the superlattice 25 is further described, for example, in co-pending US patent application Ser. No. 10/936903. Can have a substantial direct energy band gap that can be particularly advantageous for optoelectronic devices such as This document is incorporated herein in its entirety by reference.

当業者に認識されるように、MOSFET20のソース/ドレイン領域22、23及びゲート35は、歪み超格子層25内で、後述される積層された群45a-45nの層群に対して平行な方向に電荷キャリア輸送を生じさせる領域であると考えることができる。すなわち、デバイスのチャネルは超格子25内に画成される。その他のこのような領域もまた本発明によって意図される。   As will be appreciated by those skilled in the art, the source / drain regions 22, 23 and the gate 35 of the MOSFET 20 are oriented in a direction parallel to the group of stacked groups 45a-45n described below within the strained superlattice layer 25. It can be considered that this is a region that causes charge carrier transport. That is, the channel of the device is defined in the superlattice 25. Other such areas are also contemplated by the present invention.

ある一定の実施形態において、超格子25は有利にはゲート誘電体層37の界面として作用する。例えば、超格子25の下側部分内にチャネル領域が画成され(もっとも、チャネルの一部は超格子の下側の半導体材料内にも画成される)、超格子25の上側部分がチャネルを誘電体層37から絶縁する。更に他の一実施形態においては、チャネルは応力層26内にのみ画成されてもよく、歪み超格子層25は単に絶縁/界面層として含まれていてもよい。   In certain embodiments, the superlattice 25 advantageously acts as an interface for the gate dielectric layer 37. For example, a channel region is defined in the lower part of the superlattice 25 (although part of the channel is also defined in the semiconductor material below the superlattice) and the upper part of the superlattice 25 is the channel. Is insulated from the dielectric layer 37. In yet another embodiment, the channel may be defined only within the stress layer 26 and the strained superlattice layer 25 may be included solely as an insulating / interface layer.

誘電体界面層としての超格子25の使用は、比較的高誘電率の(high−k)ゲート誘電体材料が使用される場合に特に適したものとなり得る。超格子25は有利には散乱を抑制し、故に、high−k誘電体界面に一般的に使用される従来の絶縁層(例えば、シリコン酸化物)より高い移動度をもたらし得る。さらに、high−k誘電体とともに適用される絶縁体としての超格子25の使用は、より薄い全体厚さ、ひいてはデバイスの静電容量の改善をもたらし得る。何故なら、同時継続中の米国特許出願第11/136881号明細書にて更に説明されているように、超格子25は比較的薄い厚さで形成されながらも、依然として所望の絶縁特性を実現し得るからである。なお、この文献は参照することによりその全体がここに組み込まれる。   The use of superlattice 25 as a dielectric interface layer can be particularly suitable when relatively high dielectric constant (high-k) gate dielectric materials are used. The superlattice 25 advantageously suppresses scattering and thus can provide a higher mobility than conventional insulating layers (eg, silicon oxide) commonly used for high-k dielectric interfaces. Furthermore, the use of superlattice 25 as an insulator applied with a high-k dielectric can result in a thinner overall thickness and thus improved device capacitance. Because, as further described in co-pending US patent application Ser. No. 11 / 136,881, superlattice 25 is formed with a relatively thin thickness, it still provides the desired insulating properties. Because you get. This document is incorporated herein in its entirety by reference.

本願の出願人により、MOSFET20のチャネル領域のための改善された材料又は構造が特定された。より具体的には、電子及び/又は正孔に対する適切な伝導率有効質量がシリコンの対応する値より実質的に小さいエネルギーバンド構造を有する材料又は構造が特定された。   Applicants have identified an improved material or structure for the channel region of MOSFET 20. More specifically, a material or structure has been identified that has an energy band structure where the appropriate conductivity effective mass for electrons and / or holes is substantially less than the corresponding value of silicon.

図2及び3をも参照するに、この材料又は構造は、原子又は分子のレベルで構造が制御され、既知の原子又は分子層堆積技術を用いて形成され得る超格子25の形態である。超格子25は、恐らくは図2の概略断面図を参照して最も理解されるように、積層関係に配置された複数の層群45a-45nを含んでいる。また、製造中に欠陥を効果的に削減し、一層平滑化された層表面をもたらすために、同時継続中の米国特許出願第11/136834号明細書に記載されている中間アニールプロセスも用いられ得る。なお、参照することによりこの文献の全体がここに組み込まれる。   Referring also to FIGS. 2 and 3, this material or structure is in the form of a superlattice 25 whose structure is controlled at the atomic or molecular level and can be formed using known atomic or molecular layer deposition techniques. Superlattice 25 includes a plurality of layer groups 45a-45n arranged in a stacked relationship, perhaps as best understood with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. An intermediate annealing process described in co-pending US patent application Ser. No. 11 / 136,834 is also used to effectively reduce defects during manufacturing and provide a smoother layer surface. obtain. The entirety of this document is incorporated herein by reference.

超格子25の層群45a-45nの各々は、例示的に、それぞれのベース半導体部分46a-46nを定める積層された複数のベース半導体のモノレイヤー46と、その上のエネルギーバンド変更層50とを含んでいる。エネルギーバンド変更層50は図の明瞭化のために図2においてはドット模様で示されている。   Each of the layer groups 45a-45n of the superlattice 25 illustratively includes a plurality of stacked base semiconductor monolayers 46 defining respective base semiconductor portions 46a-46n and an energy band changing layer 50 thereon. Contains. The energy band changing layer 50 is shown as a dot pattern in FIG. 2 for the sake of clarity.

エネルギーバンド変更層50は、例示的に、隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された1つの非半導体モノレイヤーを含んでいる。すなわち、隣接し合う層群45a-45n内の対向するベース半導体モノレイヤー群は化学的に結合している。例えば、シリコンモノレイヤー46の場合、図3に示されるように、モノレイヤー群46aの上側すなわち頂部の半導体モノレイヤー内のシリコン原子の一部は、群46bの下側すなわち底部のモノレイヤー内のシリコン原子と共有結合している。これにより、結晶格子は、非半導体モノレイヤー(例えば、酸素モノレイヤー)の存在に拘わらず、複数の層群にわたって連続することが可能である。当然ながら、当業者に認識されるように、隣接し合う群45a-45nの対向するシリコン層46間では、これらの層の各々内のシリコン原子の一部は非半導体原子(すなわち、この例においては酸素)に結合されることになるので、完全すなわち純粋な共有結合は存在しない。   The energy band changing layer 50 illustratively includes one non-semiconductor monolayer constrained within the crystal lattice of the adjacent base semiconductor portion. That is, the opposing base semiconductor monolayer groups in adjacent layer groups 45a-45n are chemically bonded. For example, in the case of the silicon monolayer 46, as shown in FIG. 3, some of the silicon atoms in the upper or top semiconductor monolayer of the monolayer group 46a are located in the lower or bottom monolayer of the group 46b. It is covalently bonded to the silicon atom. This allows the crystal lattice to continue across multiple layers regardless of the presence of non-semiconductor monolayers (eg, oxygen monolayers). Of course, as will be appreciated by those skilled in the art, between opposing silicon layers 46 of adjacent groups 45a-45n, some of the silicon atoms in each of these layers are non-semiconductor atoms (i.e., in this example). There will be no complete or pure covalent bond.

他の実施形態においては、このような非半導体モノレイヤーを複数含むことも可能である。なお、ここで言う非半導体又は半導体モノレイヤーは、モノレイヤーに使用される材料が、もしバルク状に形成されるとしたら、非半導体又は半導体になることを意味する。すなわち、当業者に認識されるように、半導体などの材料の単一のモノレイヤーは必ずしも、それがバルク状又は比較的厚い層として形成されるときと同一の特性を示す必要はない。   In other embodiments, it is possible to include a plurality of such non-semiconductor monolayers. Note that the non-semiconductor or semiconductor monolayer referred to here means that if the material used for the monolayer is formed in a bulk shape, it becomes a non-semiconductor or semiconductor. That is, as will be appreciated by those skilled in the art, a single monolayer of material such as a semiconductor need not necessarily exhibit the same properties as when it is formed as a bulk or relatively thick layer.

理論に囚われるべきではないが、ここでは、エネルギーバンド変更層50及び隣接するベース半導体部分46a-46nにより、超格子25は平行方向の電荷キャリアに対して、そうでない場合に存在するであろうものより低い適切な伝導率有効質量を有することを理論化する。別の考え方をすれば、この平行方向とは積層方向に垂直な方向である。エネルギーバンド変更層50はまた、超格子25に共通のエネルギーバンド構造を有させてもよい。   Although not to be bound by theory, here the superlattice 25 would otherwise exist for parallel charge carriers due to the energy band changing layer 50 and the adjacent base semiconductor portions 46a-46n. It is theorized to have a lower appropriate conductivity effective mass. From another viewpoint, the parallel direction is a direction perpendicular to the stacking direction. The energy band changing layer 50 may also have a common energy band structure for the superlattice 25.

また、例えば例示されたMOSFET20等の半導体デバイスは、そうでない場合に存在するであろうものより低い伝導率有効質量に基づいて、より高い電荷キャリア移動度の利益を享受することが理論化される。一部の実施形態においては、本発明により実現されるバンドエンジニアリングの結果として、超格子25は更に、例えば更に後述されるような光電子デバイスに対して特に有利となり得る実質的な直接エネルギーバンドギャップを有し得る。当然ながら、超格子25の上述の特性の全てが、全ての応用において利用される必要はない。例えば、当業者に認識されるように、超格子25は、一部の応用においてドーパント阻止/絶縁特性、又は向上された移動度のためだけに用いられてもよく、他の実施形態においてはこれら双方のために用いられてもよい。   It is also theorized that semiconductor devices, such as the illustrated MOSFET 20, for example, benefit from higher charge carrier mobility based on a lower conductivity effective mass than would otherwise exist. . In some embodiments, as a result of the band engineering achieved by the present invention, the superlattice 25 further has a substantial direct energy band gap that can be particularly advantageous, for example, for optoelectronic devices as further described below. Can have. Of course, not all of the above properties of the superlattice 25 need be utilized in every application. For example, as will be appreciated by those skilled in the art, the superlattice 25 may be used only for dopant blocking / insulating properties, or improved mobility in some applications, and in other embodiments these may be used. It may be used for both.

一部の実施形態においては、複数の非半導体モノレイヤーがエネルギーバンド変更層50内に存在していてもよい。例として、エネルギーバンド変更層50内の非半導体モノレイヤーの数は、所望のエネルギーバンド変更特性を得るために、およそ5層未満のモノレイヤーであることが好ましい。   In some embodiments, multiple non-semiconductor monolayers may be present in the energy band changing layer 50. As an example, the number of non-semiconductor monolayers in the energy band changing layer 50 is preferably less than about 5 monolayers to obtain the desired energy band changing characteristics.

超格子25はまた、例示的に、上側の層群45n上にキャップ層52を含んでいる。キャップ層52は複数のベース半導体モノレイヤー46を有していてもよい。キャップ層52は2層と100層との間のベース半導体モノレイヤーを有していてもよく、より好ましくは10層と50層との間のモノレイヤーを有する。   The superlattice 25 also illustratively includes a cap layer 52 on the upper layer group 45n. The cap layer 52 may have a plurality of base semiconductor monolayers 46. The cap layer 52 may have a base semiconductor monolayer between 2 and 100 layers, more preferably between 10 and 50 layers.

各ベース半導体部分46a-46nは、IV族半導体、III-V族半導体及びII-VI族半導体から成るグループから選択されたベース半導体を有し得る。当業者に認識されるように、IV族半導体という用語は当然ながらIV-IV族半導体をも含むものである。より具体的には、例えば、ベース半導体材料はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を有していてもよい。   Each base semiconductor portion 46a-46n may comprise a base semiconductor selected from the group consisting of a group IV semiconductor, a group III-V semiconductor, and a group II-VI semiconductor. As will be appreciated by those skilled in the art, the term group IV semiconductor naturally includes group IV-IV semiconductors. More specifically, for example, the base semiconductor material may include at least one of silicon and germanium.

各エネルギーバンド変更層50は、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有していてもよい。また、非半導体は望ましくは、製造を容易にするように、次の層の堆積を通じて熱的に安定である。他の実施形態においては、当業者に認識されるように、非半導体は所与の半導体プロセスと相性の良いその他の無機若しくは有機元素又は化合物を有していてもよい。   Each energy band changing layer 50 may comprise a non-semiconductor selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, fluorine and carbon-oxygen. Also, the non-semiconductor is desirably thermally stable throughout the deposition of subsequent layers to facilitate manufacturing. In other embodiments, the non-semiconductor may have other inorganic or organic elements or compounds that are compatible with a given semiconductor process, as will be appreciated by those skilled in the art.

なお、モノレイヤーという用語は単原子層及び単分子層を含むものである。また、単一のモノレイヤーによって提供されるエネルギーバンド変更層50は、上述のように、可能なサイトの全てが占有されているわけではないモノレイヤーをも含むものである。例えば、図3の原子図を参照するに、ベース半導体としてのシリコンとエネルギーバンド変更材料としての酸素とに関して、4/1の反復構造が例示されている。酸素に関する可能なサイトの1/2のみが占有されている。   The term monolayer includes a monoatomic layer and a monomolecular layer. Also, the energy band changing layer 50 provided by a single monolayer includes monolayers that do not occupy all possible sites, as described above. For example, referring to the atomic diagram of FIG. 3, a 4/1 repetitive structure is illustrated for silicon as the base semiconductor and oxygen as the energy band changing material. Only half of the possible sites for oxygen are occupied.

他の実施形態において、且つ/或いは異なる材料を用いる場合、当業者に認識されるように、この1/2の占有は必ずしも当てはまらない。実際、この概略図においてさえも、原子堆積の当業者にやはり認識されるように、所与のモノレイヤー内の個々の酸素原子は平坦面に沿って正確には整列していない。例として、好適な占有範囲は満たされ得る酸素サイトの約1/8から1/2であるが、ある一定の実施形態においては、その他の数が用いられてもよい。   In other embodiments and / or when using different materials, this half occupation is not necessarily true, as will be appreciated by those skilled in the art. In fact, even in this schematic, the individual oxygen atoms within a given monolayer are not precisely aligned along a flat surface, as will also be appreciated by those skilled in atomic deposition. By way of example, a suitable occupancy range is about 1/8 to 1/2 of the oxygen sites that can be satisfied, although other numbers may be used in certain embodiments.

シリコン及び酸素は従来からの半導体プロセスにおいて現在広く用いられているので、製造者はこれらの材料をここで述べられるように容易に使用することができる。原子堆積又はモノレイヤー堆積も今日では広く用いられている。従って、当業者に認識されるように、超格子25を組み込んだ半導体デバイスは、容易に採用され且つ実施され得るものである。   Since silicon and oxygen are now widely used in conventional semiconductor processes, manufacturers can easily use these materials as described herein. Atomic deposition or monolayer deposition is also widely used today. Accordingly, as will be appreciated by those skilled in the art, a semiconductor device incorporating a superlattice 25 can be readily employed and implemented.

理論に囚われるべきではないが、例えばSi/O超格子などの超格子について、所望の利点を実現するためには、超格子のエネルギーバンドが全体で共通、あるいは比較的均一になるように、望ましくはシリコンモノレイヤー数が7以下にされるべきであることが理論化される。当然ながら、一部の実施形態においては、7を上回るシリコン層が使用されてもよい。X方向で電子及び正孔の移動度が高められることを指し示すために、図2及び3に示されたSi/Oについての4/1の反復構造をモデル化した。例えば、計算による電子の伝導率有効質量(バルクシリコンでは等方的)は0.26、4/1のSi/O超格子のX方向では0.12であり、0.46の比率が得られた。同様に、正孔についての計算は、バルクシリコンで0.36、4/1のSi/O超格子で0.16となり、0.44の比率が得られた。   While not to be bound by theory, for a superlattice such as, for example, a Si / O superlattice, in order to achieve the desired benefits, it is desirable that the superlattice energy band be uniform or relatively uniform throughout. It is theorized that the number of silicon monolayers should be 7 or less. Of course, in some embodiments, more than 7 silicon layers may be used. To indicate that electron and hole mobility is increased in the X direction, the 4/1 repetitive structure for Si / O shown in FIGS. 2 and 3 was modeled. For example, the calculated electron conductivity effective mass (isotropic in bulk silicon) is 0.26 in the X direction of 0.26, 4/1 Si / O superlattice, giving a ratio of 0.46. Similarly, the calculation for holes was 0.36 for bulk silicon and 0.16 for 4/1 Si / O superlattice, giving a ratio of 0.44.

このような方向選択的な特徴は一定の半導体デバイスにおいて望ましいものであるが、他のデバイスは、層群に平行な如何なる方向に対しても一層と均一に増大された移動度の恩恵を受け得る。当業者に認識されるように、電子又は正孔の双方に対して、あるいはこれらの種類の電荷キャリアの一方のみに対して、移動度が増大されることも有益であり得る。   While such direction-selective features are desirable in certain semiconductor devices, other devices may benefit from more uniformly increased mobility in any direction parallel to the layers. . As will be appreciated by those skilled in the art, it may also be beneficial to increase mobility for both electrons or holes, or only for one of these types of charge carriers.

4/1のSi/Oの超格子25の実施形態に関する低減された伝導率有効質量は、これがない場合に生じる伝導率有効質量の2/3未満になり得るものであり、また、このことは電子及び正孔の双方に対して当てはまる。当然ながら、当業者に認識されるように、超格子25は少なくとも1つの導電型のドーパントを更に含んでいてもよい。超格子がチャネルの一部又は全てを提供する場合、超格子25の少なくとも一部をドープすることが特に好適となり得る。しかしながら、超格子25又はその一部はまた、一部の実施形態においては、米国特許出願第11/136757号明細書にて更に説明されているように、実質的にアンドープのままとされてもよい。なお、参照することによりこの文献の全体がここに組み込まれる。   The reduced effective conductivity mass for the 4/1 Si / O superlattice 25 embodiment can be less than 2/3 of the effective conductivity mass that would occur without it, and this is This is true for both electrons and holes. Of course, as will be appreciated by those skilled in the art, the superlattice 25 may further include at least one conductivity type dopant. If the superlattice provides part or all of the channel, it may be particularly preferred to dope at least part of the superlattice 25. However, the superlattice 25 or portions thereof may also be left substantially undoped in some embodiments, as further described in US patent application Ser. No. 11 / 136,757. Good. The entirety of this document is incorporated herein by reference.

図4をも参照し、本発明に従った他の一実施形態に係る、異なる特性を有する超格子25’について説明する。この実施形態においては、3/1/5/1の反復パターンが示されている。より具体的には、最も下側のベース半導体部分46a’は3つのモノレイヤーを有し、2番目に下側のベース半導体部分46b’は5つのモノレイヤーを有している。このパターンは超格子25’全体で繰り返されている。エネルギーバンド変更層50’の各々は単一のモノレイヤーを含んでいてもよい。Si/Oを含むこのような超格子25’の場合、電荷キャリアの移動度の増大は層群の面内での方向に無関係である。特に言及されない図4の構成要素は、図2を参照して上述されたものと同様であり、ここでは更なる説明を要しない。   Referring also to FIG. 4, a superlattice 25 'having different characteristics according to another embodiment according to the present invention will be described. In this embodiment, a 3/1/5/1 repeating pattern is shown. More specifically, the lowermost base semiconductor portion 46a 'has three monolayers, and the second lowermost base semiconductor portion 46b' has five monolayers. This pattern is repeated throughout the superlattice 25 '. Each of the energy band changing layers 50 'may include a single monolayer. For such a superlattice 25 'containing Si / O, the increase in charge carrier mobility is independent of the in-plane direction of the layer group. The components of FIG. 4 that are not specifically mentioned are similar to those described above with reference to FIG. 2, and need no further explanation here.

一部のデバイスの実施形態において、超格子のベース半導体部分の全てが同数のモノレイヤーの厚さであってもよい。他の実施形態においては、ベース半導体部分の少なくとも一部は異なる数のモノレイヤーの厚さであってもよい。更に他の実施形態においては、ベース半導体部分の全てが異なる数のモノレイヤーの厚さであってもよい。   In some device embodiments, all of the base semiconductor portions of the superlattice may be the same number of monolayer thicknesses. In other embodiments, at least a portion of the base semiconductor portion may have a different number of monolayer thicknesses. In yet other embodiments, all of the base semiconductor portions may have different numbers of monolayer thicknesses.

図5A−5Cには、密度関数理論(Density Functional Theory;DFT)を用いて計算されたバンド構造が示されている。DFTがバンドギャップの絶対値を低く見積もることは技術的に周知である。故に、ギャップより上方の全てのバンドは適切な“シザー(scissors)補正”によってシフトされてもよい。しかしながら、バンド形状は遙かに信頼できるものであることが知られている。縦軸のエネルギーはこの観点から解釈されるべきである。   5A-5C show band structures calculated using Density Functional Theory (DFT). It is well known in the art that DFT estimates the absolute value of the band gap low. Thus, all bands above the gap may be shifted by appropriate “scissors correction”. However, the band shape is known to be much more reliable. The energy on the vertical axis should be interpreted from this perspective.

図5Aは、バルクシリコン(実線によって表されている)と、図1−3に示された4/1のSi/O超格子25(点線によって表されている)との双方について、ガンマ点(G)から計算されたバンド構造を示している。方向は従来のSiの単位セルではなく4/1のSi/O構造の単位セルを参照するものであるが、図の(001)方向は従来のSi単位セルの(001)方向に対応しており、故に、予期されるSiの伝導帯の最小点の位置を示している。図中の(100)及び(010)方向は従来のSi単位セルの(110)及び(−110)方向に対応している。当業者に認識されるように、図上のSiのバンドは、4/1のSi/O構造の適切な逆格子方向上のバンドを表すように折り畳まれている。   FIG. 5A shows the gamma point (both for the bulk silicon (represented by the solid line) and the 4/1 Si / O superlattice 25 (represented by the dotted line) shown in FIGS. 1-3. The band structure calculated from G) is shown. The direction refers to a 4/1 Si / O unit cell instead of the conventional Si unit cell, but the (001) direction in the figure corresponds to the (001) direction of the conventional Si unit cell. Therefore, the position of the minimum point of the expected conduction band of Si is shown. The (100) and (010) directions in the figure correspond to the (110) and (−110) directions of the conventional Si unit cell. As will be appreciated by those skilled in the art, the Si band on the figure is folded to represent a band on the appropriate reciprocal lattice direction of the 4/1 Si / O structure.

4/1のSi/O構造の伝導帯の最小点は、バルクシリコン(Si)とは異なり、ガンマ点にあるが、価電子帯の最大点は、ここではZ点と呼ぶ(001)方向のブリルアン領域の端部に生じることが見て取れる。また、4/1のSi/O構造の伝導帯の最小点の曲率は、付加された酸素層により導入された摂動に起因するバンド分裂のために、Siの伝導帯の最小点の曲率と比較して大きい。   Unlike the bulk silicon (Si), the minimum point of the conduction band of the 4/1 Si / O structure is at the gamma point, but the maximum point of the valence band is herein referred to as the Z point (001) direction. It can be seen that it occurs at the end of the Brillouin region. Also, the curvature of the minimum point of the conduction band of the 4/1 Si / O structure is compared with the curvature of the minimum point of the conduction band of Si due to band splitting due to perturbations introduced by the added oxygen layer. And big.

図5Bは、バルクシリコン(実線)と4/1のSi/O超格子25(点線)との双方について、Z点から計算されたバンド構造を示している。この図は(100)方向での価電子帯の曲率の増大を例示している。   FIG. 5B shows the band structure calculated from the Z point for both bulk silicon (solid line) and 4/1 Si / O superlattice 25 (dotted line). This figure illustrates the increase in curvature of the valence band in the (100) direction.

図5Cは、バルクシリコン(実線)と、図4の超格子25’の5/1/3/1のSi/O構造(点線)との双方について、ガンマ点及びZ点の双方から計算されたバンド構造を示している。5/1/3/1のSi/O構造の対称性により、(100)及び(010)方向の計算によるバンド構造は等しくなっている。故に、伝導率有効質量及び移動度は層群に平行な面内で、すなわち(001)積層方向に垂直な面内で、等方的であると予期される。なお、5/1/3/1のSi/Oの例では、伝導帯の最小点及び価電子帯の最大点は共にZ点にあるか、あるいはその近傍にある。   FIG. 5C was calculated from both the gamma point and the Z point for both bulk silicon (solid line) and the 5/1/3/1 Si / O structure (dotted line) of the superlattice 25 ′ of FIG. The band structure is shown. Due to the symmetry of the 5/1/3/1 Si / O structure, the band structures calculated in the (100) and (010) directions are equal. Therefore, the effective conductivity mass and mobility are expected to be isotropic in a plane parallel to the layers, ie in a plane perpendicular to the (001) stacking direction. In the example of 5/1/3/1 Si / O, the minimum point of the conduction band and the maximum point of the valence band are both at or near the Z point.

増大された曲率は有効質量が低減されたことを指し示すものであり、伝導率反転有効質量テンソルの計算によって適切な比較及び区別が為され得る。これにより、5/1/3/1超格子25’は実質的な直接バンドギャップであることの更なる理論化がもたらされる。当業者に理解されるように、光学遷移に関する適切な行列要素は、直接及び間接バンドギャップの挙動を区別するための別の指標である。   The increased curvature indicates that the effective mass has been reduced, and appropriate comparison and differentiation can be made by calculating the conductivity inversion effective mass tensor. This provides further theorization that the 5/1/3/1 superlattice 25 'is a substantial direct band gap. As will be appreciated by those skilled in the art, an appropriate matrix element for optical transitions is another indicator for distinguishing direct and indirect band gap behavior.

続いて、図7−9を参照し、各々が歪み超格子層を含んだ更なる実施形態に係るMOSFET120、220及び320を説明する。例示された実施形態において、図1を参照して既に説明されたものと同等である様々な層及び領域は、100ずつ増分された参照番号によって表されている(例えば、図7−9それぞれに示された基板121、221及び321は基板21と同等である)。   Subsequently, with reference to FIGS. 7-9, MOSFETs 120, 220 and 320 according to further embodiments each including a strained superlattice layer will be described. In the illustrated embodiment, various layers and regions that are equivalent to those already described with reference to FIG. 1 are represented by reference numbers incremented by 100 (eg, in each of FIGS. 7-9, respectively). The substrates 121, 221 and 321 shown are equivalent to the substrate 21).

MOSFET120において、応力層は、基板121の背面(すなわち、底部)に隣り合わせの関係で配置された複数の空間的に隔てられた歪み誘起ピラー144によって設けられている。例として、圧縮歪みが所望される場合、ピラー144は、プラズマ化学気相堆積(PECVD)による窒化シリコン(SiN)、金属、又は基板121の背面にエッチングされたトレンチ内への堆積時あるいは堆積後に圧縮されるその他の材料を含み得る。また、引張歪みが所望される場合、ピラーは、例えば、熱的に形成されたSiN材料又は低圧化学気相堆積(LPCVD)によるSiN材料を含み得る。当然ながら、当業者に知られたその他の好適材料が用いられてもよい。背面の歪み誘起ピラー構造についての更なる詳細は、Pelella等の米国特許出願公開第2005/0263753号明細書に記載されている。なお、参照することによりこの文献の全体がここに組み込まれる。   In MOSFET 120, the stress layer is provided by a plurality of spatially separated strain-inducing pillars 144 arranged in side-by-side relationship on the back surface (ie, bottom) of substrate 121. As an example, if compressive strain is desired, the pillar 144 can be used during or after deposition in plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) silicon nitride (SiN), metal, or a trench etched in the backside of the substrate 121. Other materials to be compressed may be included. Also, if tensile strain is desired, the pillar may include, for example, a thermally formed SiN material or a SiN material by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). Of course, other suitable materials known to those skilled in the art may be used. Further details on backside strain-inducing pillar structures are described in Pelella et al., US Patent Application Publication No. 2005/0263353. The entirety of this document is incorporated herein by reference.

さらに、応力層と歪み超格子層125との間に、例えばSiO層などの絶縁層143(図の明瞭化のため斜線領域で示されている)が配置されていてもよい。この絶縁層は、図示されるような半導体・オン・インシュレータの実施形態をもたらすためのものであるが、全ての実施形態において用いられる必要はない。半導体・オン・インシュレータ基板上に上述のような超格子構造を形成することについての更なる詳細は、同時継続中の米国特許出願第11/381835号明細書にて提示されている。なお、参照することによりこの文献の全体がここに組み込まれる。当然ながら、半導体・オン・インシュレータの実装は、ここで説明される他の実施形態においても用いられ得る。 Further, an insulating layer 143 (shown by a hatched region for clarity of illustration) such as a SiO 2 layer may be disposed between the stress layer and the strained superlattice layer 125. This insulating layer is intended to provide a semiconductor-on-insulator embodiment as shown, but need not be used in all embodiments. Further details on forming such a superlattice structure on a semiconductor-on-insulator substrate are presented in co-pending US patent application Ser. No. 11 / 38,835. The entirety of this document is incorporated herein by reference. Of course, the semiconductor-on-insulator implementation may also be used in other embodiments described herein.

図8を参照するに、MOSFET220において領域227、228は、それらの間に位置する超格子層225に歪みを誘起するための、一対の空間的に隔てられた応力領域を画成している。より具体的には、これら応力領域の一方又は双方は、超格子層225に所望の歪みを誘起する材料を含んでいる。シリコン−酸素超格子層225に関する上述の例を用いると、領域227、228の一方又は双方はシリコンゲルマニウムを含んでいてもよい。MOSFET20においてシリコンゲルマニウムは超格子層25の下に配置されて引張歪みを誘起したが、超格子層225の一方又は双方の側面に配置されると、シリコンゲルマニウムは逆の影響を及ぼして超格子を圧縮する。   Referring to FIG. 8, regions 227 and 228 in MOSFET 220 define a pair of spatially separated stress regions for inducing strain in superlattice layer 225 located therebetween. More specifically, one or both of these stress regions includes a material that induces a desired strain in superlattice layer 225. Using the example described above for the silicon-oxygen superlattice layer 225, one or both of the regions 227, 228 may include silicon germanium. In the MOSFET 20, silicon germanium is placed under the superlattice layer 25 to induce tensile strain, but when placed on one or both sides of the superlattice layer 225, silicon germanium has the opposite effect and causes the superlattice to Compress.

故に、例示された実施形態において、応力領域227、228内のシリコンゲルマニウムは、圧縮歪みを誘起するので、Pチャネル型の実現に有利なものである。他の例では、上述のように超格子及び応力領域227、228の組成を適切に選択することにより、Nチャネル型デバイスの超格子層225に引張歪みが効果的に誘起されることも可能である。なお、一部の実施形態において、空間的に隔てられた応力領域227、228は同一材料を含んでいる必要はない。すなわち、歪みは1つの応力領域が、アンカーとして作用する他方に対して“押す”あるいは“引っ張る”ときに誘起されてもよい。   Therefore, in the illustrated embodiment, silicon germanium in the stress regions 227, 228 induces compressive strain, which is advantageous for the P-channel type implementation. In another example, tensile strain can be effectively induced in the superlattice layer 225 of the N-channel device by appropriately selecting the composition of the superlattice and stress regions 227 and 228 as described above. is there. It should be noted that in some embodiments, the spatially separated stress regions 227, 228 need not include the same material. That is, strain may be induced when one stress region “pushes” or “pulls” against the other acting as an anchor.

上述の実施形態において、応力領域227、228の対はソース及びドレイン領域222、223をもたらすようにドープされる。さらに、応力領域227、228は、例示的に、歪み超格子の相対する部分に隣接する斜めにされた表面又はファセット245、246を含んでいる。斜めにされた表面245、246は、エッチングプロセスを用いて超格子225をパターニングすることにより得られ、それにより応力誘起材料が超格子に隣接して堆積される。しかしながら、表面245、246は全ての実施形態において斜めにされる必要はない。歪み誘起ソース及びドレイン領域を有する歪みチャネルデバイスを形成することについての更なる詳細は、Yu等の米国特許第6495402号明細書、及びLindert等の米国特許出願公開第2005/0142768号明細書にて開示されている。なお、これらの文献は何れも、参照することによりその全体がここに組み込まれる。   In the embodiment described above, the pair of stress regions 227, 228 is doped to provide source and drain regions 222, 223. Further, the stress regions 227, 228 illustratively include beveled surfaces or facets 245, 246 adjacent to opposite portions of the strained superlattice. The beveled surfaces 245, 246 are obtained by patterning the superlattice 225 using an etching process, whereby stress-inducing material is deposited adjacent to the superlattice. However, the surfaces 245, 246 need not be beveled in all embodiments. Further details on forming strained channel devices with strain-induced source and drain regions can be found in Yu et al. US Pat. No. 6,495,402 and Lindert et al. US Pat. App. Pub. No. 2005/0142768. It is disclosed. All of these documents are incorporated herein by reference in their entirety.

図9を参照するに、MOSFET320は例示的に、歪み超格子層325の上方に応力層347を含んでいる。この応力層は、例として、MOSFET320のソース、ドレイン及びゲート領域を覆うように堆積され、超格子層325を含む下地の半導体材料に歪みを誘起するSiN層とし得る。上述のように、超格子層325に所望される歪みの種類に応じて、引張又は圧縮性の窒化物材料が使用され得る。当然ながら、その他の好適材料が応力層347に用いられてもよく、一部の実施形態においては複数の応力層が用いられてもよい。また、当業者に認識されるように、ある一定の実施形態においては、超格子層325は上に位置する応力層347により誘起された歪みを“記憶”してもよく、その後、応力層は除去されてもよい。上に位置する応力層を用いて半導体領域に歪みを作り出すことについての更なる詳細は、Chau等の米国特許出願公開第2005/0145894号明細書、及びSun等の米国特許出願公開第2005/0247926号明細書に記載されている。なお、これらの文献は何れも、参照することによりその全体がここに組み込まれる。   Referring to FIG. 9, MOSFET 320 illustratively includes a stress layer 347 above strained superlattice layer 325. This stress layer can be, for example, a SiN layer that is deposited over the source, drain, and gate regions of MOSFET 320 and induces strain in the underlying semiconductor material including superlattice layer 325. As noted above, tensile or compressible nitride materials can be used depending on the type of strain desired for the superlattice layer 325. Of course, other suitable materials may be used for the stress layer 347, and in some embodiments, multiple stress layers may be used. Also, as will be appreciated by those skilled in the art, in certain embodiments, the superlattice layer 325 may “remember” the strain induced by the overlying stress layer 347, after which the stress layer It may be removed. For further details on creating strain in a semiconductor region using an overlying stress layer, see Chau et al. US Patent Application Publication No. 2005/0145894 and Sun et al. US Patent Application Publication No. 2005/0247926. It is described in the specification. All of these documents are incorporated herein by reference in their entirety.

続いて、例えばMOSFET20のような半導体デバイスを製造するための本発明に従った第1の方法の態様を説明する。この方法は、応力層26を形成する工程、及び該応力層上に歪み超格子層25を形成する工程を含んでいる。別の1つの方法の態様は、例えばMOSFET220のような半導体デバイスを製造するためのものであり、超格子層225を形成する工程、及び超格子層に歪みを誘起するように該超格子層の対向する側面に少なくとも一対の空間的に隔てられた応力領域227、228を形成する工程を含んでいる。更に別の1つの方法の態様は、例えばMOSFET320のような半導体デバイスを製造するためのものであり、超格子層325を形成する工程、及び超格子層内に歪みを誘起するように歪み超格子層の上方に応力層347を形成する工程を含んでいる。以上の説明により当業者には様々なその他の方法の工程及び態様が認識されるが故に、ここでは更なる説明を要しないであろう。   Subsequently, aspects of the first method according to the present invention for manufacturing a semiconductor device such as MOSFET 20 will be described. The method includes forming a stress layer 26 and forming a strained superlattice layer 25 on the stress layer. Another method aspect is for manufacturing a semiconductor device, such as MOSFET 220, for example, forming a superlattice layer 225, and forming a superlattice layer to induce strain in the superlattice layer. Forming at least a pair of spatially separated stress regions 227, 228 on opposite sides. Yet another method aspect is for manufacturing a semiconductor device, such as MOSFET 320, for example, forming a superlattice layer 325, and strained superlattice to induce strain in the superlattice layer. Forming a stress layer 347 above the layer. Since the above description recognizes various other method steps and aspects to those skilled in the art, no further description is required here.

なお、上述の実施形態において、歪み層は必ずしも超格子25である必要はない。むしろ、歪み層は単に、複数のベース半導体部分46a-46n、及び隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された1つ以上の非半導体モノレイヤー50(すなわち、上述のように、隣接し合うベース半導体部分は化学的に結合されている)を含んでいてもよい。この実施形態においては、ベース半導体部分46a-46nは複数の半導体モノレイヤーを含んでいる必要はない。すなわち、各半導体部分は例えば、単一の層又は複数のモノレイヤーを含むことができる。   In the above-described embodiment, the strained layer is not necessarily the superlattice 25. Rather, the strained layer is simply a plurality of base semiconductor portions 46a-46n and one or more non-semiconductor monolayers 50 (ie, as described above, contiguous within the crystal lattice of adjacent base semiconductor portions). The matching base semiconductor portion may include chemically bonded). In this embodiment, the base semiconductor portions 46a-46n need not include multiple semiconductor monolayers. That is, each semiconductor portion can include, for example, a single layer or multiple monolayers.

図10には、非半導体モノレイヤー81を例示的に含むMOSFET80が概略的に示されている。半導体モノレイヤーは、それぞれが非半導体モノレイヤーの下及び上にある部分82a、82b内である。ゲート誘電体83がチャネル85上に例示されており、ゲート電極84がゲート誘電体上にある。ゲート誘電体83の下側部分とチャネル85の上側部分との間の領域が界面86を画成している。当業者に認識されるように、ソース及びドレイン(図示せず)はチャネル85に横方向で隣接している。   FIG. 10 schematically shows a MOSFET 80 that illustratively includes a non-semiconductor monolayer 81. The semiconductor monolayer is in portions 82a, 82b that are respectively below and above the non-semiconductor monolayer. A gate dielectric 83 is illustrated on the channel 85 and a gate electrode 84 is on the gate dielectric. The region between the lower portion of gate dielectric 83 and the upper portion of channel 85 defines interface 86. As will be appreciated by those skilled in the art, the source and drain (not shown) are laterally adjacent to the channel 85.

界面86からの非半導体材料のモノレイヤー81の深さは、当業者に認識されるように、MOSFETの設計に基づいて選択され得る。例えば、シリコンチャネル内の酸素層の場合の典型的なMOSFETでは、およそ4−100モノレイヤーの深さ、より好ましくは4−30モノレイヤーの深さが選択され得る。非半導体材料から成る上記少なくとも1つのモノレイヤーは、上述のように、可能なサイトの全てが完全に占有されているわけではない1つ又は複数のモノレイヤーを含み得る。   The depth of the monolayer 81 of non-semiconductor material from the interface 86 can be selected based on the design of the MOSFET, as will be appreciated by those skilled in the art. For example, in a typical MOSFET for an oxygen layer in a silicon channel, a depth of approximately 4-100 monolayers, more preferably a depth of 4-30 monolayers, can be selected. The at least one monolayer of non-semiconductor material may include one or more monolayers, as described above, where not all possible sites are fully occupied.

上述のように、非半導体は例えば、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択され得る。非半導体材料81から成る上記少なくとも1つのモノレイヤーは、やはり上述のように、また当業者に認識されるように、例えば、原子層堆積技術を用いて堆積され得る。隣接し合う半導体層群82a、82bの結晶格子内に少なくとも1つの非半導体材料層81を含むようにチャネル85を形成するために、その他の堆積法及び/又はイオン注入法が使用されてもよい。   As described above, the non-semiconductor can be selected from the group consisting of, for example, oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen. The at least one monolayer of non-semiconductor material 81 can also be deposited using, for example, atomic layer deposition techniques, as described above and as will be appreciated by those skilled in the art. Other deposition and / or ion implantation methods may be used to form the channel 85 to include at least one non-semiconductor material layer 81 within the crystal lattice of adjacent semiconductor layer groups 82a, 82b. .

オングストローム単位での酸素層の深さに対する界面での密度のシミュレーション結果90が図11にプロットされている。当業者に認識されるように、例えば例示されたMOSFET80等の実施形態において、反復的な超格子群が使用される必要はなく、少なくとも1つの非半導体モノレイヤー81でさえも移動度の向上をもたらし得る。また、理論に囚われるべきではないが、これらの実施形態はまた、界面86で波動関数の振幅が減少される結果として一層低いトンネルゲートリークを有することが理論化される。また、これらの実施形態の更に望ましい特徴に、サブバンド間のエネルギー分離の増大とサブバンド群の空間的な分離とが含まれ、それによりサブバンド散乱が抑制されることが理論化される。   A simulation result 90 of the density at the interface with respect to the depth of the oxygen layer in angstrom units is plotted in FIG. As will be appreciated by those skilled in the art, in embodiments such as the illustrated MOSFET 80, repetitive superlattice groups need not be used, and even at least one non-semiconductor monolayer 81 can provide improved mobility. Can bring. Also, not to be bound by theory, it is theorized that these embodiments also have lower tunnel gate leakage as a result of the reduced wave function amplitude at interface 86. It is theorized that further desirable features of these embodiments include increased energy separation between subbands and spatial separation of subband groups, thereby suppressing subband scattering.

当然ながら他の実施形態においては、当業者に認識されるように、少なくとも1つのモノレイヤー81は下に位置する超格子と組み合わせて使用されてもよい。以上の説明及び添付図面にて提示された教示の恩恵を受けた当業者は、数多くの変更及び本発明のその他の実施形態に想到するであろう。故に、本発明はここで開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、このような変更及び実施形態は添付の請求項の範囲に含まれるものである。   Of course, in other embodiments, at least one monolayer 81 may be used in combination with the underlying superlattice, as will be appreciated by those skilled in the art. Those skilled in the art who have benefited from the teachings presented in the foregoing description and the accompanying drawings will envision numerous modifications and other embodiments of the invention. Accordingly, the invention is not limited to the specific embodiments disclosed herein, but such modifications and embodiments are intended to be included within the scope of the appended claims.

応力層とその上の歪み超格子とを含む、本発明に従った半導体デバイスを概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor device according to the present invention including a stress layer and a strained superlattice thereon. FIG. 図1に示された超格子を大きく拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the superlattice shown by FIG. 1 greatly. 図1に示された超格子の一部を示す原子配列の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of an atomic arrangement showing a part of the superlattice shown in FIG. 1. 図1のデバイスにて使用され得る超格子の他の一実施形態を大きく拡大して示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view, greatly enlarged, illustrating another embodiment of a superlattice that can be used in the device of FIG. 1. 従来技術としてのバルクシリコンと図1−3に示された4/1のSi/O超格子との双方に関して、ガンマ点(G)からの計算されたバンド構造を示すグラフである。4 is a graph showing the calculated band structure from the gamma point (G) for both the prior art bulk silicon and the 4/1 Si / O superlattice shown in FIGS. 1-3. FIG. 従来技術としてのバルクシリコンと図1−3に示された4/1のSi/O超格子との双方に関して、Z点からの計算されたバンド構造を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated band structure from the Z point for both prior art bulk silicon and the 4/1 Si / O superlattice shown in FIGS. 1-3. 従来技術としてのバルクシリコンと図4に示された5/1/3/1のSi/O超格子との双方に関して、ガンマ点及びZ点の双方からの計算されたバンド構造を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the calculated band structure from both the gamma point and the Z point for both the prior art bulk silicon and the 5/1/3/1 Si / O superlattice shown in FIG. . 図1の半導体デバイスの代替実施形態を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an alternative embodiment of the semiconductor device of FIG. 図1の半導体デバイスの代替実施形態を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an alternative embodiment of the semiconductor device of FIG. 一対の空間的に隔てられた応力領域の間に超格子を含む、本発明に従った他の半導体デバイスの一実施形態を概略的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating one embodiment of another semiconductor device according to the present invention, including a superlattice between a pair of spatially separated stress regions. 超格子とその上の応力層とを含む、本発明に従った更に他の半導体デバイスの一実施形態を概略的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating one embodiment of still another semiconductor device according to the present invention, including a superlattice and a stress layer thereon. 本発明に従った非半導体モノレイヤーを含むMOSFETを概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically illustrating a MOSFET including a non-semiconductor monolayer according to the present invention. FIG. 図10の非半導体モノレイヤーに関してシミュレーションされた界面での密度を深さに対してプロットしたグラフである。11 is a graph plotting density at the simulated interface versus depth for the non-semiconductor monolayer of FIG.

Claims (25)

積層された複数の層群を有する歪み超格子層;及び
前記歪み超格子層の上方の応力層;
を有する半導体デバイスであって:
前記歪み超格子層の各層群は、ベース半導体部分を画成する積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを有する、半導体デバイス。
A strained superlattice layer having a plurality of layer groups stacked; and a stress layer above the strained superlattice layer;
A semiconductor device having:
Each layer group of the strained superlattice layer includes a plurality of stacked base semiconductor monolayers defining a base semiconductor portion, and at least one non-semiconductor monolayer constrained within a crystal lattice of adjacent base semiconductor portions. A semiconductor device.
前記応力層はシリコン及び窒素を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 1, wherein the stress layer comprises silicon and nitrogen. 積層された前記層群に対して平行な方向に、前記歪み超格子層内に電荷キャリア輸送を生じさせる領域、を更に有する請求項1に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a region that causes charge carrier transport in the strained superlattice layer in a direction parallel to the stacked layer group. 前記歪み超格子層の前記応力層とは反対側で前記歪み超格子層に隣接する半導体基板、を更に有する請求項1に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a semiconductor substrate adjacent to the strained superlattice layer on a side opposite to the stress layer of the strained superlattice layer. 各ベース半導体部分は、IV族半導体、III-V族半導体及びII-VI族半導体から成るグループから選択されたベース半導体を有し、且つ各非半導体モノレイヤーは、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。   Each base semiconductor portion has a base semiconductor selected from the group consisting of group IV semiconductors, group III-V semiconductors and group II-VI semiconductors, and each non-semiconductor monolayer includes oxygen, nitrogen, fluorine and carbon- The semiconductor device of claim 1, comprising a non-semiconductor selected from the group consisting of oxygen. 隣接し合うベース半導体部分は化学的に結合している、請求項1に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 1, wherein adjacent base semiconductor portions are chemically bonded. 各非半導体モノレイヤーは単一のモノレイヤーの厚さである、請求項1に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 1, wherein each non-semiconductor monolayer is a single monolayer thickness. 積層された複数のベース半導体部分と、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを有する歪み層;及び
前記歪み層の上方の応力層;
を有する半導体デバイス。
A strained layer having a plurality of stacked base semiconductor portions and at least one non-semiconductor monolayer constrained within a crystal lattice of adjacent base semiconductor portions; and a stress layer above the strain layer;
A semiconductor device having:
前記応力層はシリコン及び窒素を有する、請求項8に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 8, wherein the stress layer comprises silicon and nitrogen. 積層された前記層群に対して平行な方向に、前記歪み層内に電荷キャリア輸送を生じさせる領域、を更に有する請求項8に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 8, further comprising a region that causes charge carrier transport in the strained layer in a direction parallel to the stacked layer group. 前記歪み層の前記応力層とは反対側で前記歪み層に隣接する半導体基板、を更に有する請求項8に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device according to claim 8, further comprising a semiconductor substrate adjacent to the strained layer on a side opposite to the stressed layer of the strained layer. 隣接し合うベース半導体部分は化学的に結合している、請求項8に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 8, wherein adjacent base semiconductor portions are chemically bonded. 積層された複数の層群を有する超格子層を形成する工程;及び
前記超格子層内に歪みを誘起するように前記超格子層の上方に応力層を形成する工程;
を有する、半導体デバイスの製造方法であって:
前記超格子層の各層群は、ベース半導体部分を画成する積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを有する、方法。
Forming a superlattice layer having a plurality of layer groups stacked; and forming a stress layer above the superlattice layer so as to induce strain in the superlattice layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
Each layer group of the superlattice layer comprises a plurality of stacked base semiconductor monolayers defining a base semiconductor portion and at least one non-semiconductor monolayer constrained within the crystal lattice of adjacent base semiconductor portions. Having a method.
前記応力層を除去する工程、を更に有する請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, further comprising removing the stress layer. 前記応力層はシリコン及び窒素を有する、請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the stress layer comprises silicon and nitrogen. 積層された前記層群に対して平行な方向に、前記歪み超格子層内に電荷キャリア輸送を生じさせる領域を形成する工程、を更に有する請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, further comprising forming a region that causes charge carrier transport in the strained superlattice layer in a direction parallel to the stacked group of layers. 前記超格子層を形成する工程は、半導体基板上に前記超格子層を形成する工程を有し、且つ前記応力層を形成する工程は、前記超格子層の前記半導体基板とは反対側で、前記超格子層の上方に前記応力層を形成する工程を有する、請求項13に記載の方法。   The step of forming the superlattice layer includes the step of forming the superlattice layer on a semiconductor substrate, and the step of forming the stress layer is on the opposite side of the superlattice layer from the semiconductor substrate. The method of claim 13, comprising forming the stress layer above the superlattice layer. 各ベース半導体部分は、IV族半導体、III-V族半導体及びII-VI族半導体から成るグループから選択されたベース半導体を有し、且つ各非半導体モノレイヤーは、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有する、請求項13に記載の方法。   Each base semiconductor portion has a base semiconductor selected from the group consisting of group IV semiconductors, group III-V semiconductors and group II-VI semiconductors, and each non-semiconductor monolayer includes oxygen, nitrogen, fluorine and carbon- 14. The method of claim 13, comprising a non-semiconductor selected from the group consisting of oxygen. 隣接し合うベース半導体部分は化学的に結合される、請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein adjacent base semiconductor portions are chemically bonded. 積層された複数のベース半導体部分と、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも1つの非半導体モノレイヤーとを有する歪み層を形成する工程;及び
前記歪み層内に歪みを誘起するように前記歪み層の上方に応力層を形成する工程;
を有する、半導体デバイスの製造方法。
Forming a strained layer having a plurality of stacked base semiconductor portions and at least one non-semiconductor monolayer constrained in a crystal lattice of adjacent base semiconductor portions; and inducing strain in the strained layer Forming a stress layer above the strained layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記応力層を除去する工程、を更に有する請求項20に記載の方法。   The method of claim 20, further comprising removing the stress layer. 前記応力層はシリコン及び窒素を有する、請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, wherein the stress layer comprises silicon and nitrogen. 積層された層群に対して平行な方向に、前記歪み層内に電荷キャリア輸送を生じさせる領域を形成する工程、を更に有する請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, further comprising forming a region that causes charge carrier transport in the strained layer in a direction parallel to the stacked layers. 前記歪み層を形成する工程は、半導体基板上に前記歪み層を形成する工程を有し、且つ前記応力層を形成する工程は、前記歪み層の前記半導体基板とは反対側で、前記歪み層の上方に前記応力層を形成する工程を有する、請求項20に記載の方法。   The step of forming the strained layer includes the step of forming the strained layer on a semiconductor substrate, and the step of forming the stress layer is on the opposite side of the strained layer from the semiconductor substrate. 21. The method of claim 20, comprising forming the stress layer above the surface. 隣接し合うベース半導体部分は化学的に結合される、請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, wherein adjacent base semiconductor portions are chemically bonded.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003060076A (en) * 2001-08-21 2003-02-28 Nec Corp Semiconductor device and manufacturing method therefor
WO2005013371A2 (en) * 2003-06-26 2005-02-10 Rj Mears, Llc Semiconductor device including band-engineered superlattice
JP2005057301A (en) * 2000-12-08 2005-03-03 Renesas Technology Corp Semiconductor device and method of manufacturing same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6573172B1 (en) * 2002-09-16 2003-06-03 Advanced Micro Devices, Inc. Methods for improving carrier mobility of PMOS and NMOS devices
AU2004300982B2 (en) * 2003-06-26 2007-10-25 Mears Technologies, Inc. Semiconductor device including MOSFET having band-engineered superlattice

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005057301A (en) * 2000-12-08 2005-03-03 Renesas Technology Corp Semiconductor device and method of manufacturing same
JP2003060076A (en) * 2001-08-21 2003-02-28 Nec Corp Semiconductor device and manufacturing method therefor
WO2005013371A2 (en) * 2003-06-26 2005-02-10 Rj Mears, Llc Semiconductor device including band-engineered superlattice

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