JP2009535861A - Semiconductor device having superlattice to block dopants and related method - Google Patents

Semiconductor device having superlattice to block dopants and related method Download PDF

Info

Publication number
JP2009535861A
JP2009535861A JP2009510026A JP2009510026A JP2009535861A JP 2009535861 A JP2009535861 A JP 2009535861A JP 2009510026 A JP2009510026 A JP 2009510026A JP 2009510026 A JP2009510026 A JP 2009510026A JP 2009535861 A JP2009535861 A JP 2009535861A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
superlattice
layers
molecular
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009510026A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ハイサ,マレク
ジョン ステフェンソン,ロバート
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Atomera Inc
Original Assignee
Mears Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/380,992 external-priority patent/US20060273299A1/en
Priority claimed from US11/380,987 external-priority patent/US20060220118A1/en
Application filed by Mears Technologies Inc filed Critical Mears Technologies Inc
Publication of JP2009535861A publication Critical patent/JP2009535861A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1025Channel region of field-effect devices
    • H01L29/1029Channel region of field-effect devices of field-effect transistors
    • H01L29/1033Channel region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate, e.g. characterised by the length, the width, the geometric contour or the doping structure
    • H01L29/1054Channel region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate, e.g. characterised by the length, the width, the geometric contour or the doping structure with a variation of the composition, e.g. channel with strained layer for increasing the mobility
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/15Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
    • H01L29/151Compositional structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/665Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET using self aligned silicidation, i.e. salicide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66568Lateral single gate silicon transistors
    • H01L29/66575Lateral single gate silicon transistors where the source and drain or source and drain extensions are self-aligned to the sides of the gate
    • H01L29/6659Lateral single gate silicon transistors where the source and drain or source and drain extensions are self-aligned to the sides of the gate with both lightly doped source and drain extensions and source and drain self-aligned to the sides of the gate, e.g. lightly doped drain [LDD] MOSFET, double diffused drain [DDD] MOSFET

Abstract

半導体素子は、少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を有して良い。前記少なくとも1つのMOSFETは、主部、該主部に隣接するチャネル層、及び前記主部と前記チャネル層との間に設けられたドーパントを阻止する超格子を有して良い。前記ドーパントを阻止する超格子は、複数の層からなる複数の積層群を含んで良い。前記ドーパントを阻止する超格子の層が構成する各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有して良い。  The semiconductor element may include at least one metal-oxide field effect transistor (MOSFET). The at least one MOSFET may include a main portion, a channel layer adjacent to the main portion, and a superlattice for blocking a dopant provided between the main portion and the channel layer. The superlattice for blocking the dopant may include a plurality of stacked groups of a plurality of layers. Each group of superlattice layers blocking the dopant comprises a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion, and at least one layer constrained within the crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. A non-semiconductor molecular layer may be included.

Description

本発明は半導体分野に関する。より具体的には本発明は、エネルギーバンドエンジニアリングに基づいて改善された特性を有する半導体、及びそれに関連する方法に関する。   The present invention relates to the semiconductor field. More specifically, the present invention relates to semiconductors having improved properties based on energy band engineering and methods related thereto.

たとえば荷電キャリアの移動度の改善のような、半導体素子の性能を改善する構造及び方法が提案されてきた。たとえば特許文献1は、シリコン、シリコン-ゲルマニウム、及び緩和したシリコンからなる歪み材料層について開示している。それらの材料層は、性能の劣化を引き起こさないように不純物を含まない領域をも有する。上部のシリコン層に2軸歪みが発生した結果、キャリア移動度が変化する。それにより、より高速及び/又はより低消費電力の素子が可能となる。特許文献2は、同様の歪みシリコン技術に基づいたCMOSインバータについて開示している。   Structures and methods have been proposed for improving the performance of semiconductor devices, such as improving charge carrier mobility. For example, Patent Document 1 discloses a strained material layer made of silicon, silicon-germanium, and relaxed silicon. These material layers also have regions that do not contain impurities so as not to cause performance degradation. As a result of the biaxial strain in the upper silicon layer, the carrier mobility changes. Thereby, a higher speed and / or lower power consumption element is possible. Patent Document 2 discloses a CMOS inverter based on the same strained silicon technology.

特許文献3は、シリコン及びシリコン層間に挟まれた炭素層を有することで、第2シリコン層の伝導帯及び価電子帯が引っ張り歪みの影響を受ける、半導体素子について開示している。より小さな有効質量を有し、かつゲート電極に印加される電場によって誘起される電子が第2シリコン層に閉じこめられるので、n-チャネルMOSFETはより高い移動度を有すると考えられる。   Patent Document 3 discloses a semiconductor element in which a conduction layer and a valence band of a second silicon layer are affected by tensile strain by having silicon and a carbon layer sandwiched between silicon layers. It is believed that the n-channel MOSFET has a higher mobility because electrons having a smaller effective mass and electrons induced by the electric field applied to the gate electrode are confined to the second silicon layer.

特許文献4は、8層未満である複数の層であって、分数比つまり2元の化合物半導体層を含む複数の層が交互にエピタキシャル成長した超格子について開示している。主として電流が流れる方向は、超格子層に対して垂直である。   Patent Document 4 discloses a superlattice in which a plurality of layers including less than eight layers and a plurality of layers including a fractional compound, that is, a binary compound semiconductor layer are alternately epitaxially grown. The direction in which the current mainly flows is perpendicular to the superlattice layer.

特許文献5は、超格子中での合金散乱を減少させることで高移動度が実現されるSi-Ge短周期超格子について開示している。この方針に沿って、特許文献6は、シリコンと第2材料の合金を有するチャネル層を有するMOSFETについて開示している。そのMOSFETでは、チャネル層が引っ張り歪みを受けた状態になるような割合の前記第2材料が前記シリコン格子中に置換された状態で存在することによって移動度が改善される。   Patent Document 5 discloses a Si—Ge short period superlattice in which high mobility is realized by reducing alloy scattering in the superlattice. In line with this policy, Patent Document 6 discloses a MOSFET having a channel layer having an alloy of silicon and a second material. In the MOSFET, the mobility is improved by the presence of the replacement of the second material in the silicon lattice in such a ratio that the channel layer is subjected to tensile strain.

特許文献7は、2のバリヤ領域及び前記バリヤ層の間に挟まれたエピタキシャル成長した半導体薄膜を有する量子井戸について開示している。各バリヤ領域は、一般に2から6分子層の範囲の厚さを有するSiO2/Siの繰り返し層で構成される。かなり厚いシリコン部分がバリヤ間に挟まれている。 Patent Document 7 discloses a quantum well having two barrier regions and an epitaxially grown semiconductor thin film sandwiched between the barrier layers. Each barrier region is typically composed of a repeating layer of SiO 2 / Si having a thickness in the range of 2 to 6 molecular layers. A fairly thick silicon part is sandwiched between the barriers.

ツー(Tsu)による「シリコンナノ構造素子での現象(“Phenomena in silicon nanostructure device”)」という題名が付けられた非特許文献1は、シリコン及び酸素からなる半導体-原子超格子(SAS)について開示している。Si/O超格子は、シリコン量子素子及び発光素子として有用であるものとして開示されている。特に、緑色エレクトロルミネッセンスダイオード構造が、構築及びテストされた。ダイオード構造での電流は、垂直、つまりSASの層に対して垂直に流れる。開示されたSASは、たとえば酸素原子及びCO分子のような吸着種によって分離された半導体層を有して良い。吸着した酸素分子層上でのシリコンの成長は、かなりの低欠陥密度でのエピタキシャル成長と言える。一のSAS構造は、約8原子層のシリコンである厚さ1.1nmのシリコン部分を有し、他のSAS構造は、このシリコンの2倍の厚さを有する。ルオ(Luo)他による「直接遷移型発光シリコンの化学的設計(“Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon”)」という題名が付けられた非特許文献2は、ツーが作製した発光SAS構造についてさらに論じている。   Non-patent document 1 titled “Phenomena in silicon nanostructure device” by Tsu discloses a semiconductor-atomic superlattice (SAS) composed of silicon and oxygen. is doing. Si / O superlattices are disclosed as being useful as silicon quantum devices and light emitting devices. In particular, a green electroluminescent diode structure has been constructed and tested. The current in the diode structure flows vertically, ie perpendicular to the SAS layer. The disclosed SAS may have semiconductor layers separated by adsorbing species such as oxygen atoms and CO molecules. It can be said that the growth of silicon on the adsorbed oxygen molecular layer is an epitaxial growth with a considerably low defect density. One SAS structure has a silicon portion of 1.1 nm thickness, which is about 8 atomic layers of silicon, and the other SAS structure has twice the thickness of this silicon. Non-patent document 2 entitled “Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon” by Luo et al. Is discussed further.

特許文献8は、薄いシリコン及び酸素、炭素、窒素、リン、アンチモン、ヒ素又は水素で構成されることで、格子を垂直に流れる電流を4桁よりも減少させるバリヤについて開示している。絶縁層/バリヤ層は、低欠陥のシリコンを、その絶縁層上にエピタキシャル成長させることを可能にする。   Patent Document 8 discloses a barrier that is composed of thin silicon and oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, antimony, arsenic, or hydrogen, thereby reducing the current flowing vertically through the lattice by less than four orders of magnitude. The insulating / barrier layer allows low defect silicon to be epitaxially grown on 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合致するということを開示している。特にその出願は、たとえばバンド最小値の位置、有効質量等の材料パラメータを調節することで、所望のバンド構造特性を有する新たな非周期材料が得られる、ということを開示している。たとえば伝導率、熱伝導率、誘電率、又は透磁率のような他のパラメータもまた、材料設計を可能にするものとして開示されている。   Patent Document 9 discloses that the principle of an aperiodic photonic band gap (APBG) structure is compatible with electronic band gap engineering. In particular, the application discloses that by adjusting material parameters such as the position of the band minimum, effective mass, etc., a new aperiodic material having the desired band structure characteristics can be obtained. Other parameters such as conductivity, thermal conductivity, dielectric constant, or permeability are also disclosed as enabling material design.

材料工学では、半導体素子中の荷電キャリアの移動度を増大させるために、かなりの努力がなされてきたにもかかわらず、依然として大きな改善が必要とされている。移動度が向上することで、素子の速度は増大し、かつ/又は素子の電力消費は減少すると考えられる。移動度が大きくなることで、素子の特徴部位を小さくし続けながらも、素子の性能を維持することができる。しかも素子のサイズが減少するにつれて、素子内部での領域が互いに接近し、かつ領域間でのドーパントの拡散が問題になる恐れがある。たとえばMOSFET素子では、主部へ注入された物質からのドーパント等はその素子のチャネルへ拡散し、素子の性能を劣化させる恐れがある。
米国特許出願公開第2003/0057416号明細書 米国特許出願公開第2003/0034529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2002/103767号パンフレット 英国特許出願第2347520号明細書 米国特許出願第10/647069号明細書 米国特許出願第10/467069号明細書 ツー(Tsu)、Applied Physics and Materials Science & Processing誌、pp.391-402、2000年9月6日オンライン出版 ルオ(Luo)他、Physical Review Letters誌、第89巻、2002年8月12日
In material engineering, despite significant efforts to increase the mobility of charge carriers in semiconductor devices, significant improvements are still needed. Increasing mobility is thought to increase device speed and / or decrease device power consumption. By increasing the mobility, it is possible to maintain the performance of the element while continuing to reduce the characteristic part of the element. Moreover, as the size of the device decreases, the regions within the device approach each other and dopant diffusion between the regions can become a problem. For example, in a MOSFET device, dopants or the like from a substance injected into the main part may diffuse into the channel of the device, thereby degrading the device performance.
US Patent Application Publication No. 2003/0057416 US Patent Application Publication No. 2003/0034529 U.S. Pat. U.S. Pat. No. 4,937,204 U.S. Pat.No. 5,357,119 U.S. Patent No. 5683934 U.S. Pat.No. 5,216,262 International Publication No. 2002/103767 Pamphlet UK Patent Application No. 2347520 US Patent Application No. 10/647069 US Patent Application No. 10/467069 Tsu, Applied Physics and Materials Science & Processing, pp.391-402, published online 6 September 2000 Luo et al., Physical Review Letters, Vol. 89, August 12, 2002

上記の背景の観点より、本発明の目的は、ドーパント拡散によって生じるチャネルの劣化を緩和するドーパント阻止層を有する半導体素子を供することである。   In view of the above background, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a dopant blocking layer that mitigates channel degradation caused by dopant diffusion.

本発明による上記及び他の目的、特徴、及び利点は、少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を有する半導体素子によって供される。より詳細には、前記少なくとも1つのMOSFETは、主部、該主部に隣接するチャネル層、及び前記主部と前記チャネル層との間に設けられたドーパントを阻止する超格子を有して良い。前記ドーパントを阻止する超格子は、複数の層からなる複数の積層群を含んで良い。前記ドーパントを阻止する超格子の層が構成する各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有して良い。   The above and other objects, features and advantages of the present invention are provided by a semiconductor device having at least one metal-oxide field effect transistor (MOSFET). More specifically, the at least one MOSFET may have a main portion, a channel layer adjacent to the main portion, and a superlattice for blocking a dopant provided between the main portion and the channel layer. . The superlattice for blocking the dopant may include a plurality of stacked groups of a plurality of layers. Each group of superlattice layers blocking the dopant comprises a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion, and at least one layer constrained within the crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. A non-semiconductor molecular layer may be included.

前記超格子の層構造及び束縛された(複数の)前記の非半導体分子層のため、前記超格子は前記主部と前記チャネル層との間の意図しないドーパントの拡散を有利に阻止する。しかも前記ドーパントを阻止する超格子の厚さは比較的薄くて良い。それに加えて、たとえばMOSFETチャネルの一部が前記ドーパントを阻止する超格子内に形成される場合には、前記超格子は、ドーパントを阻止する能力に加えて、特定の用途においても利用可能である改善された移動度特性をも享受する。   Due to the superlattice layer structure and the constrained non-semiconductor molecular layer, the superlattice advantageously prevents unintentional dopant diffusion between the main portion and the channel layer. In addition, the thickness of the superlattice blocking the dopant may be relatively thin. In addition, the superlattice can be used in certain applications in addition to the ability to block dopants, for example, when a portion of a MOSFET channel is formed in a superlattice that blocks the dopant. It also enjoys improved mobility characteristics.

それに加えて前記主部は内部に少なくとも1つのドーピングされた領域を有して良い。例として、前記主部は約1×1018cm-3よりも大きなドーパント濃度を有して良い。さらに前記チャネル層は実質的にドーピングされなくて良い、つまりたとえば約1×1015cm-3未満のドーパント濃度を有して良い。前記ドーパントを阻止する超格子の複数の層からなる群のうちの少なくとも1つもまた実質的にドーピングされなくて良い。 In addition, the main part may have at least one doped region therein. As an example, the main portion may have a dopant concentration greater than about 1 × 10 18 cm −3 . Further, the channel layer may be substantially undoped, that is, may have a dopant concentration of, for example, less than about 1 × 10 15 cm −3 . At least one of the group of superlattice layers blocking the dopant may also be substantially undoped.

たとえば前記基本半導体はシリコンを有して良く、前記少なくとも1層の非半導体分子層は酸素を有して良い。特に前記少なくとも1層の非半導体分子層は、基本的には酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選ばれる非半導体を有して良い。   For example, the basic semiconductor may include silicon, and the at least one non-semiconductor molecular layer may include oxygen. In particular, the at least one non-semiconductor molecular layer may basically include a non-semiconductor selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen.

前記少なくとも1つのMOSFETはさらに、前記チャネル層の上に存在して該チャネル層に隣接するゲート絶縁層を有するゲート、及び前記ゲート絶縁層に隣接して前記チャネル層に対向するゲート電極を有する。それに加えてソース及びドレイン領域は前記チャネル層に横方向で隣接して良い。   The at least one MOSFET further includes a gate that is on the channel layer and has a gate insulating layer adjacent to the channel layer, and a gate electrode that is adjacent to the gate insulating layer and faces the channel layer. In addition, the source and drain regions may be laterally adjacent to the channel layer.

前記少なくとも1層の非半導体分子層は単一分子層の厚さであって良い。前記基本半導体部分は8分子層未満の厚さであって良い。たとえば前記基本半導体部分の全てが同じ分子層数の厚さであっても良い。あるいはその代わりに前記基本半導体部分の少なくとも一部が異なる分子層数の厚さであっても良い。また前記超格子の層からなる隣接する群に含まれて対向する基本半導体分子層は共に化学結合していて良い。   The at least one non-semiconductor molecular layer may be a single molecular layer thick. The basic semiconductor portion may have a thickness of less than 8 molecular layers. For example, all the basic semiconductor portions may have the same number of molecular layers. Alternatively, at least a part of the basic semiconductor portion may have a different number of molecular layers. In addition, the basic semiconductor molecular layers facing and included in the adjacent group of superlattice layers may be chemically bonded together.

本発明の他の態様は半導体素子の作製方法に関する。当該方法は少なくとも1つのMOSFETを作製する工程を有して良い。前記少なくとも1つのMOSFETは、主部を形成する工程、該主部に隣接するドーパントを阻止する超格子を形成する工程、及び前記ドーパントを阻止する超格子に隣接して前記主部に対向するチャネル層を形成する工程によって作製される。より詳細には、前記ドーパントを阻止する超格子は、複数の層からなる複数の積層群を含んで良い。前記ドーパントを阻止する超格子の層が構成する各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有して良い。   Another embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element. The method may include the step of producing at least one MOSFET. The at least one MOSFET includes forming a main portion, forming a superlattice blocking a dopant adjacent to the main portion, and a channel facing the main portion adjacent to the superlattice blocking the dopant. It is produced by a step of forming a layer. More specifically, the superlattice for blocking the dopant may include a plurality of stacked groups composed of a plurality of layers. Each group of superlattice layers blocking the dopant comprises a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion, and at least one layer constrained within the crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. A non-semiconductor molecular layer may be included.

前記超格子の層構造及び束縛された(複数の)前記の非半導体分子層のため、前記超格子は前記主部と前記チャネル層との間の意図しないドーパントの拡散を有利に阻止する。しかも前記ドーパントを阻止する超格子の厚さは比較的薄くて良い。それに加えて、たとえばMOSFETチャネルの一部が前記ドーパントを阻止する超格子内に形成される場合には、前記超格子は、ドーパントを阻止する能力に加えて、特定の用途においても利用可能である改善された移動度特性をも享受する。   Due to the superlattice layer structure and the constrained non-semiconductor molecular layer, the superlattice advantageously prevents unintentional dopant diffusion between the main portion and the channel layer. In addition, the thickness of the superlattice blocking the dopant may be relatively thin. In addition, the superlattice can be used in certain applications in addition to the ability to block dopants, for example, when a portion of a MOSFET channel is formed in a superlattice that blocks the dopant. It also enjoys improved mobility characteristics.

ここで本発明について、好適実施例が図示されている添付の図を参照しながら十分に説明する。しかし本発明は、多くの異なる形態での実施が可能であり、本明細書で記載されている実施例に限定されるものと解してはならない。むしろこれらの実施例は、この開示が十分かつ完全となり、そして本発明の技術的範囲を当業者に十分伝えられるように、供されている。本明細書全体を通して、同一参照番号は同一素子を指すものとし、ダッシュ記号は、代替実施例中の同様な素子を指すのに用いられる。   The present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments are shown. However, the invention can be implemented 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 this specification, the same reference numbers will refer to the same elements, and the dash will be used to refer to similar elements in alternative embodiments.

本発明は、原子又は分子レベルで半導体材料の特性を制御することによる、半導体素子の性能の改善に関する。さらに本発明は、半導体素子の伝導経路で用いるために改善された材料を特定、作製、及び利用することに関する。   The present invention relates to improving the performance of semiconductor devices by controlling the properties of semiconductor materials at the atomic or molecular level. The present invention further relates to identifying, making, and utilizing improved materials for use in the conduction path of semiconductor devices.

出願人らは、本明細書に記載された特定の超格子が荷電キャリアの有効質量を減少させ、かつそれによって荷電キャリアの移動度が大きくなる、という仮説を立てる。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。有効質量は、参考文献中にある様々な定義によって記述される。有効質量が改善されたことを示す指標として、出願人らは、“伝導性逆有効質量テンソル(conductivity reciprocal effective mass tensor)”、Me -1及びMh -1を用いた。電子についての伝導性逆有効質量テンソルMe -1及び正孔についての伝導性逆有効質量テンソルMh -1は、それぞれ以下のように定義される。電子については、

Figure 2009535861
で与えられ、正孔については、
Figure 2009535861
で与えられる。ここでfはフェルミ-ディラック分布関数、EFはフェルミエネルギー、Tは温度、E(k,n)は波数ベクトルk及びn番目のエネルギーバンドに対応する状態での電子のエネルギー、指数i及びjはガリレオ座標x,y,及びzを意味し、積分はブリュアンゾーン(B.Z.)全体で取られ、かつ総和は、電子のフェルミエネルギーよりも高いエネルギーを有するバンドについて、及び正孔のフェルミエネルギーよりも低いエネルギーを有するバンドについて、それぞれ取られている。 Applicants hypothesize that certain superlattices described herein reduce the effective mass of charge carriers and thereby increase the mobility of charge carriers. However, applicants are not obsessed with that hypothesis. Effective mass is described by various definitions in the reference. Applicants used “conductivity reciprocal effective mass tensor”, M e −1 and M h −1 as an indicator that the effective mass was improved. The conductive inverse effective mass tensor M e −1 for electrons and the conductive inverse effective mass tensor M h −1 for holes are respectively defined as follows. For electronics
Figure 2009535861
For holes,
Figure 2009535861
Given in. Where f is the Fermi-Dirac distribution function, E F is the Fermi energy, T is the temperature, E (k, n) is the energy of the electron in the state corresponding to the wave vector k and the nth energy band, the indices i and j Means Galileo coordinates x, y, and z, the integral is taken over the entire Brillouin zone (BZ), and the sum is greater for bands with higher energy than the electron Fermi energy and more than the hole Fermi energy Each of the bands with low energy is taken.

出願人らによる伝導性逆有効質量テンソルの定義は、その対応する成分が大きくなることで、材料の伝導性についてのテンソル成分が大きくなるようなものである。繰り返しになるが、出願人らは、本明細書に記載されている超格子が、伝導性逆有効質量テンソルの値を、材料の伝導特性-たとえば典型的には荷電キャリア輸送の好適方向-が改善されるように設定する、という仮説を立てた。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。適当なテンソル要素の逆数は、伝導性有効質量と呼ばれる。換言すれば、半導体材料の構造を評価するため、意図したキャリア輸送方向について計算された上述の電子/正孔についての伝導性有効質量が、改善された材料を明確にするのに用いられる。   Applicants' definition of a conductive inverse effective mass tensor is such that the corresponding component becomes larger, which increases the tensor component for the conductivity of the material. To reiterate, Applicants have found that the superlattices described herein determine the value of the conductive inverse effective mass tensor and the material's conduction properties, such as the preferred direction of charge carrier transport, typically. I hypothesized that it would be set to improve. However, applicants are not obsessed with that hypothesis. The reciprocal of the appropriate tensor element is called the conductive effective mass. In other words, to evaluate the structure of the semiconductor material, the above-described conductive effective mass for electrons / holes calculated for the intended carrier transport direction is used to define the improved material.

上述の指標を用いることで、特定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。そのような例の1つが、半導体素子中のチャネル領域のための超格子材料25である。ここで最初に図1を参照しながら、本発明による超格子25を有する平面型MOSFET20について説明する。しかし当業者は、本明細書で特定される材料が、たとえば個別素子及び/又は集積素子のような、多くの異なる種類の半導体素子で利用可能であることをすぐに理解するだろう。例として超格子25が誘電界面層として利用可能な他の用途はFINFETである。   By using the above-mentioned index, a material having an improved band structure can be selected for a specific purpose. One such example is a superlattice material 25 for a channel region in a semiconductor device. Here, a planar MOSFET 20 having a superlattice 25 according to the present invention will be described first with reference to FIG. However, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that the materials specified herein can be used in many different types of semiconductor devices, such as discrete devices and / or integrated devices. As another example, another application where the superlattice 25 can be used as a dielectric interface layer is FINFET.

図示されたMOSFET20は内部に1つ以上の主部への注入物29を有する基板21を有する。軽ドーピングソース/ドレイン拡張領域22,23、及び重ドーピングソース/ドレイン領域26,27もまた基板21内で注入される。図示されているように、チャネル層24は軽ドーピングソース/ドレイン拡張領域22,23間で延在する。超格子25は、ドーパントがチャネルへ拡散するのを阻止するドーパント阻止層として有利となるように、主部への注入物29とチャネル層24との間に設けられている。   The illustrated MOSFET 20 has a substrate 21 having one or more main body implants 29 therein. Lightly doped source / drain extension regions 22 and 23 and heavily doped source / drain regions 26 and 27 are also implanted in the substrate 21. As shown, channel layer 24 extends between lightly doped source / drain extension regions 22,23. The superlattice 25 is provided between the main implant 29 and the channel layer 24 to be advantageous as a dopant blocking layer that prevents dopants from diffusing into the channel.

より詳細には1つ以上の主部の注入29は、MOSFET20の電圧閾値(VT)の設定及び/又はパンチスルー効果の緩和に用いられて良い。このことは当業者には明らかである。例としては、係る主部への注入物は約1×1018cm-3よりも大きなドーパント濃度を有して良い。しかし多くの用途では、実質的にドーピングされていないチャネルを有することが望ましい。“実質的にドーピングされていない”とは、ドーパントが意図的に加えられていないことを意味する。とはいえ半導体プロセスによって依然として不純物が存在しうることは、当業者には明らかである。そのようなものとして、実質的にドーピングされていないチャネル層でのドーパント濃度はたとえば、約1×1015cm-3未満であることが好ましく、約5×1014cm-3未満であることがより好ましいと考えられる。 More particularly, one or more main implants 29 may be used to set the voltage threshold (V T ) of the MOSFET 20 and / or mitigate the punch-through effect. This will be apparent to those skilled in the art. As an example, such an implant into the main body may have a dopant concentration greater than about 1 × 10 18 cm −3 . However, in many applications it is desirable to have a channel that is substantially undoped. “Substantially undoped” means that no dopant is intentionally added. However, it will be apparent to those skilled in the art that impurities may still be present by the semiconductor process. As such, the dopant concentration in the substantially undoped channel layer is preferably, for example, less than about 1 × 10 15 cm −3 and less than about 5 × 10 14 cm −3. It is considered more preferable.

チャネルが直接的に主部への注入物の上に存在する、典型的な従来技術のMOSFET素子では、ドーパントがチャネルへ拡散するのを防ぐことは難しいと考えられる。超格子25は、その構造のため、主部とチャネル層24との間に存在するドーパントの意図しない拡散を有利に阻止する。このことについてはさらに後述する。   In typical prior art MOSFET devices where the channel exists directly on the implant into the main body, it may be difficult to prevent the dopant from diffusing into the channel. The superlattice 25 advantageously prevents unintentional diffusion of dopants present between the main portion and the channel layer 24 due to its structure. This will be further described later.

ゲート誘電体層37(わかりやすくするため、図1では点刻されて図示されている)は超格子25の上にあり、ゲート電極層36はゲート誘電体層の上であって、かつその超格子の反対側にある。図示されたMOSFET20には、側壁スペーサ40,41が供され、かつシリサイド層30,31が、各対応する低ドープのソース/ドレイン領域22,23上に供されている。またゲート電極層36上にはシリサイド層34が存在する。   The gate dielectric layer 37 (shown in FIG. 1 as being dotted) is on the superlattice 25, and the gate electrode layer 36 is on and above the gate dielectric layer. On the other side of the grid. The illustrated MOSFET 20 is provided with sidewall spacers 40, 41 and silicide layers 30, 31 are provided on the corresponding lightly doped source / drain regions 22, 23. A silicide layer 34 is present on the gate electrode layer 36.

出願人らは、MOSFET20の超格子25に用いられる改善された材料又は構造を特定した。より詳細には、出願人らは、電子及び/又は正孔の適切な伝導性有効質量が、シリコンでの対応する値よりも実質的に小さくなるエネルギーバンド構造を有する材料又は構造を特定した。   Applicants have identified an improved material or structure for use in the superlattice 25 of MOSFET20. More specifically, Applicants have identified materials or structures having an energy band structure in which the appropriate conductive effective mass of electrons and / or holes is substantially less than the corresponding value in silicon.

ここで加えて図2及び図3を参照すると、材料又は構造は、超格子25の形態である。その構造は、原子又は分子レベルで制御され、かつ既知の原子又は分子層堆積法を用いて作製されて良い。図2の概略的断面図を詳細に参照することで最も良く理解できるように、超格子25は、積層した状態で配置されている複数の層からなる群45a-45nを有する。   Referring now also to FIGS. 2 and 3, the material or structure is in the form of a superlattice 25. The structure is controlled at the atomic or molecular level and can be made using known atomic or molecular layer deposition methods. As best understood by referring to the schematic cross-sectional view of FIG. 2 in detail, the superlattice 25 has a group 45a-45n consisting of a plurality of layers arranged in a stacked state.

超格子25の複数の層からなる群45a-45nの各々は、各対応する基本半導体部分46a-46nを画定する、複数の積層された基本半導体分子層46、及びその上にエネルギーバンド修正層50を有する。エネルギーバンド修正層50は、分かりやすくするため、図2では点刻して図示されている。   Each of the plurality of layers 45a-45n of the superlattice 25 includes a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers 46, and an energy band modifying layer 50 thereon, defining each corresponding basic semiconductor portion 46a-46n. Have The energy band correction layer 50 is illustrated in a dotted manner in FIG. 2 for easy understanding.

図示されているように、エネルギーバンド修正層50は、隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された1層の非半導体分子層を有する。つまり層45a-45nからなる隣接する群内で対向する基本半導体分子層46は共に化学結合する。たとえばシリコン分子層46の場合では、分子層の群46aの上側すなわち上部半導体分子層内のシリコン原子の一部は群46bの下側すなわち底部分子層内のシリコン原子の一部と共有結合する。これにより、結晶格子は、(複数の)非半導体分子層(たとえば(複数の)酸素分子層)が存在するにもかかわらず、複数の層からなる群を介して連続することが可能となる。もちろん、隣接する群45a-45nの対向するシリコン層の各々内のシリコン原子は非半導体原子(つまり本例では酸素)と結合するので、隣接する群45a-45nの対向するシリコン層間に完全なすなわち純粋な共有結合は存在しない。このことは当業者には明らかなことである。   As shown, the energy band correction layer 50 has one non-semiconductor molecular layer constrained within the crystal lattice of the adjacent basic semiconductor portion. That is, the basic semiconductor molecular layers 46 facing each other in the adjacent group of layers 45a-45n are chemically bonded together. For example, in the case of the silicon molecular layer 46, some of the silicon atoms in the upper molecular layer group 46a, ie, the upper semiconductor molecular layer, are covalently bonded to the lower part of the group 46b, ie, some silicon atoms in the bottom molecular layer. As a result, the crystal lattice can be continued through a group of a plurality of layers despite the presence of (a plurality of) non-semiconductor molecular layers (for example, (a) oxygen molecule layers). Of course, since silicon atoms in each of the opposing silicon layers of adjacent groups 45a-45n are bonded to non-semiconductor atoms (ie, oxygen in this example), they are completely between adjacent silicon layers of adjacent groups 45a-45n. There is no pure covalent bond. This will be apparent to those skilled in the art.

他の実施例では、係る分子層は2層以上であることも可能である。例として、エネルギーバンド修正層50内の非半導体分子層の数は、所望のエネルギーバンド修正特性を供するため、約5分子層未満であることが好ましいと考えられる。   In other embodiments, such molecular layers can be more than one. By way of example, it may be preferred that the number of non-semiconductor molecular layers in the energy band correction layer 50 be less than about 5 molecular layers in order to provide the desired energy band correction characteristics.

本明細書において非半導体又は半導体分子層とは、分子層に用いられる材料がバルクである場合に非半導体又は半導体であることを意味することに留意して欲しい。つまりたとえば半導体の単一分子層の材料は、必ずしもバルク又は比較的厚い層が形成されたときと同一の特性を示さなくても良い。このことは当業者には明らかである。   It should be noted that a non-semiconductor or semiconductor molecular layer herein means a non-semiconductor or semiconductor when the material used for the molecular layer is bulk. Thus, for example, a semiconductor monolayer material may not necessarily exhibit the same properties as when a bulk or relatively thick layer is formed. This will be apparent to those skilled in the art.

出願人らは、エネルギーバンド修正層50及び隣接する基本半導体部分46a-46nが、超格子25における平行な層の方向での適切な荷電キャリアの伝導性有効質量を、エネルギーバンド修正層50及び隣接する基本半導体部分46a-46nが存在しない従来技術よりも小さくする、という仮説を立てた。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。別の考え方をすると、この平行方向は積層方向に対して垂直である。超格子25がその垂直方向で絶縁体としても有利に機能するように、バンド修正層50はまた、超格子25が共通のエネルギーバンド構造を有するようにして良い。しかも上述したように、この構造もまた、垂直方向に超格子25の上と下に存在する層間でのドーパント及び/若しくは材料の供給又は拡散に対するバリヤを有利に供する。   Applicants have determined that the energy band correction layer 50 and adjacent basic semiconductor portions 46a-46n have a suitable effective charge carrier conduction mass in the direction of the parallel layers in the superlattice 25, the energy band correction layer 50 and adjacent The hypothesis was made that the basic semiconductor portions 46a-46n to be made smaller than the prior art that does not exist. However, applicants are not obsessed with that hypothesis. From another perspective, this parallel direction is perpendicular to the stacking direction. The band modifying layer 50 may also be such that the superlattice 25 has a common energy band structure so that the superlattice 25 functions advantageously as an insulator in its vertical direction. Moreover, as described above, this structure also advantageously provides a barrier to the supply or diffusion of dopants and / or materials between layers that are above and below the superlattice 25 in the vertical direction.

また、たとえば図示されているMOSFET20のような半導体素子は、従来技術よりも小さな伝導性有効質量に基づいて、より大きな荷電キャリア移動度を享受する、という仮説を立てた。実施例によっては、本発明によって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は実質的に直接遷移型のバンドギャップをさらに有して良い。以降で詳述するように、直接遷移型のバンドギャップは、たとえば光電子素子にとって特に有利であると考えられる。当然のことだが、超格子25の上述の特性の全てが、どの用途にも利用されなければならないわけではない。たとえば用途によっては、超格子25は、そのドーパント阻止/絶縁特性、又は改善された移動度しか利用されなくても良い。あるいは別な用途では、超格子25は、そのドーパント阻止/絶縁特性とは改善された移動度の両方が利用されて良い。このことは当業者には明らかである。   Further, it was hypothesized that a semiconductor device such as the MOSFET 20 shown in the drawing enjoys a larger charge carrier mobility based on a conductive effective mass smaller than that of the prior art. In some embodiments, the superlattice 25 may further include a substantially direct transition band gap as a result of the band engineering achieved by the present invention. As will be described in detail later, the direct transition type band gap is considered to be particularly advantageous for an optoelectronic device, for example. Of course, not all of the above properties of the superlattice 25 have to be utilized for every application. For example, in some applications, the superlattice 25 may utilize only its dopant blocking / insulating properties, or improved mobility. Alternatively, in other applications, the superlattice 25 may utilize both its dopant blocking / insulating properties and improved mobility. This will be apparent to those skilled in the art.

しかも平行な層方向において荷電キャリアの適切な伝導性有効質量が上述したように小さくなるので、実施例によっては、超格子25はまた、チャネル領域24を供するのに有利に用いられても良い。より詳細には、図示された実施例では、MOSFET20のチャネル層24は超格子25のキャップ層52である。つまり、図示された超格子25は、十分な厚さで作製されることで、チャネルの一部が超格子の層45の(複数の)上側の群内に画定される。たとえば他の実施例では、第2チャネル超格子層がドーパントを阻止する超格子25上に成長して良い。このように超格子を半導体素子のチャネルに利用することについてのさらなる詳細は特許文献10に供されている。   Moreover, in some embodiments, the superlattice 25 may also be advantageously used to provide the channel region 24 because the appropriate conductive effective mass of charge carriers is reduced as described above in the parallel layer directions. More specifically, in the illustrated embodiment, the channel layer 24 of the MOSFET 20 is the cap layer 52 of the superlattice 25. That is, the illustrated superlattice 25 is fabricated with sufficient thickness so that a portion of the channel is defined within the upper group (s) of the superlattice layer 45. For example, in other embodiments, a second channel superlattice layer may be grown on superlattice 25 that blocks dopants. Further details on the use of the superlattice for the channel of the semiconductor element are provided in Patent Document 10.

キャップ層52は超格子25の上側の層の群45n上に存在する。キャップ層52は複数の基本半導体分子層46を有して良い。キャップ層52は、2から100層の基本半導体分子層を有して良く、より好適には10から50の分子層を有する。同様に他の厚さが用いられても良い。   The cap layer 52 is present on the upper layer group 45 n of the superlattice 25. The cap layer 52 may include a plurality of basic semiconductor molecular layers 46. The cap layer 52 may have 2 to 100 basic semiconductor molecular layers, and more preferably 10 to 50 molecular layers. Similarly, other thicknesses may be used.

各基本半導体部分46a-46nは、IV族半導体、III-V族半導体、及びII-VI族半導体からなる群から選択される基本半導体を有して良い。当然のこととして、IV族半導体という語は、IV-IV族半導体をも含む。これは当業者には明らかなことである。より具体的には、基本半導体は、たとえばシリコン及びゲルマニウムのうちの少なくとも1つを有して良い。   Each basic semiconductor portion 46a-46n may comprise a basic semiconductor selected from the group consisting of group IV semiconductors, group III-V semiconductors, and group II-VI semiconductors. Of course, the term group IV semiconductor also includes group IV-IV semiconductors. This will be apparent to those skilled in the art. More specifically, the basic semiconductor may comprise at least one of silicon and germanium, for example.

各エネルギーバンド修正層50は、たとえば酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有して良い。非半導体はまた、次の層を堆積している間も熱的に安定であるので、作製上の助けとなる。他の実施例では、非半導体は、所与の半導体プロセスとの相性が良い別の無機元素若しくは有機元素又は化合物であって良い。これは当業者には明らかなことである。より詳細には、基本半導体は、たとえばシリコン及びゲルマニウムのうちの少なくとも1つを有して良い。   Each energy band modifying layer 50 may comprise a non-semiconductor selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen, for example. Non-semiconductors also aid in fabrication because they are thermally stable during the deposition of the next layer. In other embodiments, the non-semiconductor may be another inorganic or organic element or compound that is compatible with a given semiconductor process. This will be apparent to those skilled in the art. More particularly, the basic semiconductor may comprise at least one of, for example, silicon and germanium.

“分子層”という語は、単原子層及び単分子層をも含んだ意味であることに留意すべきである。また単分子層によって供されるエネルギーバンド修正層50は、全ての可能なサイトが占められていない分子層をも含むことを意味していることに留意すべきである。たとえば図4の原子スケールの図を詳細に参照すると、基本半導体材料としてシリコンが、そしてエネルギーバンド修正材料として酸素が用いられている、4/1繰り返し構造が図示されている。酸素についての可能なサイトは、わずか半分しか占められていない。   It should be noted that the term “molecular layer” is meant to include monoatomic and monomolecular layers. It should also be noted that the energy band modifying layer 50 provided by the monolayer is meant to include molecular layers that do not occupy all possible sites. For example, referring in detail to the atomic scale diagram of FIG. 4, a 4/1 repeat structure is illustrated, using silicon as the basic semiconductor material and oxygen as the energy band modifying material. Only half of the possible sites for oxygen are occupied.

他の実施例及び/又は各異なる材料では、当業者には明らかなことであるように、このように1/2が占められるというのは、必ずしも問題となるわけではない。特にこの概略図中でさえも、所与の分子層中の個々の酸素原子は平坦面に沿って厳密に位置合わせされていないことが分かる。これは当業者にとっては明らかなことである。例として、好適な占有範囲は、可能な酸素の全サイトの約1/8から1/2である。ただし実施例によっては他の数が用いられても良い。   In other embodiments and / or different materials, it is not necessarily a problem that this half is occupied, as will be apparent to those skilled in the art. In particular, even in this schematic, it can be seen that the individual oxygen atoms in a given molecular layer are not strictly aligned along the flat surface. This is obvious to those skilled in the art. By way of example, a suitable occupation range is about 1/8 to 1/2 of all possible oxygen sites. However, other numbers may be used depending on the embodiment.

シリコン及び酸素は、従来の半導体プロセスにおいて、現状で広範に用いられている。従って製造者らは、本明細書に記載されているこれらの材料をすぐに用いることができる。原子又は分子堆積もまた、現在広く用いられている。従って本発明に従った超格子25を含む半導体素子は、すぐに導入され、かつ実施可能である。これは当業者には明らかなことである。   Silicon and oxygen are widely used at present in conventional semiconductor processes. Thus, manufacturers can readily use these materials described herein. Atomic or molecular deposition is also widely used today. Accordingly, a semiconductor device comprising a superlattice 25 according to the present invention can be readily implemented and implemented. This will be apparent to those skilled in the art.

たとえばSi/O超格子のような超格子については、たとえばシリコン分子層数は7層以下であることが望ましく、それにより超格子のエネルギーバンドは全体的に共通又は比較的均一となることで所望の利点が実現される、という仮説を立てた。しかし実施例によっては8層以上の層が用いられて良い。図3及び4に図示されている、Si/Oについての4/1繰り返し構造は、X方向での電子及び正孔の移動度が改善されていることを示すようにモデル化された。たとえば電子についての計算された伝導性有効質量は0.26(バルクシリコンでは等方的である)、X方向における4/1のSiO超格子では電子の有効質量は0.12となるので、比は0.46となる。同様に、正孔について計算すると、バルクシリコンでは0.36の値が得られ、4/1のSi/O超格子では0.16の値が得られる。その結果、比は0.44となる。   For example, for a superlattice such as a Si / O superlattice, it is desirable that the number of silicon molecular layers be, for example, 7 or less, which is desirable because the energy band of the superlattice is generally common or relatively uniform Hypothesized that the benefits of. However, depending on the embodiment, eight or more layers may be used. The 4/1 repeat structure for Si / O, illustrated in FIGS. 3 and 4, was modeled to show improved electron and hole mobility in the X direction. For example, the calculated effective conductive mass for electrons is 0.26 (isotropic in bulk silicon), and for a 4/1 SiO superlattice in the X direction, the effective mass of electrons is 0.12, so the ratio is 0.46. . Similarly, the calculation for holes yields a value of 0.36 for bulk silicon and a value of 0.16 for the 4/1 Si / O superlattice. As a result, the ratio is 0.44.

そのような方向の選択性という特徴は、特定の半導体素子では望ましいが、他の素子は、複数の層からなる群に対して平行な如何なる方向においても、移動度がより均一に増大することによる利点を享受すると考えられる。電子と正孔の両方の移動度を増大させることが有利なこともあれば、又はこれらの種類の荷電キャリアのうちの1種類だけの移動度を増大させることが有利な場合もある。これは当業者には明らかなことである。   Such a direction selectivity feature is desirable for certain semiconductor devices, but other devices are due to the more uniform increase in mobility in any direction parallel to the group of layers. It is thought that it will enjoy the benefits. It may be advantageous to increase the mobility of both electrons and holes, or it may be advantageous to increase the mobility of only one of these types of charge carriers. This will be apparent to those skilled in the art.

超格子25に係る4/1のSi/O実施例についての小さな伝導性有効質量は、従来技術に係る伝導性有効質量の2/3未満である。このことは、電子と正孔の両方に当てはまる。当然のこととして、超格子25は、その中に含まれる少なくとも1種類の伝導性ドーパントをさらに有して良い。このことは当業者には明らかなことである。たとえば超格子25がチャネルの一部を供する場合には、超格子25の一部をドーピングすることが特に適切であると思われる。他の実施例では、超格子25の複数の層45からなる1つ以上の群を実質的にドーピングされていない状態にすることが好ましいと考えられる。   The small conductive effective mass for the 4/1 Si / O embodiment according to the superlattice 25 is less than 2/3 of the conductive effective mass according to the prior art. This is true for both electrons and holes. Of course, the superlattice 25 may further comprise at least one conductive dopant contained therein. This will be apparent to those skilled in the art. For example, if the superlattice 25 provides part of the channel, it may be particularly appropriate to dope part of the superlattice 25. In other embodiments, it may be preferable to have one or more groups of the plurality of layers 45 of the superlattice 25 substantially undoped.

ここでさらに図4を参照すると、本発明の実施例による様々な特性を有する超格子25’の別な実施例が記載されている。この実施例では、3/1/5/1の繰り返しパターンが図示されている。より詳細には、最底部の基本半導体部分46a’は3分子層を有し、次の最底部の基本半導体部分46b’は5分子層を有する。このパターンは、超格子25’全体にわたって繰り返されている。エネルギーバンド修正層50’はそれぞれ1分子層を有して良い。そのようなSi/Oを有する超格子25’にとっては、荷電キャリア移動度の改善は、層の面内での配向に独立している。具体的な言及のない図4の他の素子は、先に図2を参照して論じたものと同一であるため、ここでさらに論じる必要はない。   Still referring to FIG. 4, another embodiment of a superlattice 25 'having various properties according to embodiments of the present invention is described. In this embodiment, a repeating pattern of 3/1/5/1 is shown. More specifically, the bottommost basic semiconductor portion 46a 'has three molecular layers, and the next bottommost basic semiconductor portion 46b' has five molecular layers. This pattern is repeated throughout the superlattice 25 '. Each of the energy band correction layers 50 'may include a single molecular layer. For such a superlattice 25 'with Si / O, the improvement in charge carrier mobility is independent of the in-plane orientation of the layer. The other elements in FIG. 4 without specific mention are the same as those discussed above with reference to FIG. 2 and need not be discussed further here.

素子の実施例の中には、超格子25の基本半導体部分46a-46n全ては、同一の分子層数厚さであって良い。別な素子の実施例では、少なくとも一部の基本半導体部分46a-46nが異なる層数の分子層厚さであって良い。また別な素子の実施例では、超格子25の基本半導体部分46a-46n全てが、異なる層数の分子層厚さであって良い。   In some device embodiments, all of the basic semiconductor portions 46a-46n of the superlattice 25 may be the same number of molecular layers. In another device embodiment, at least some of the basic semiconductor portions 46a-46n may have a different number of molecular layer thicknesses. In another device embodiment, all of the basic semiconductor portions 46a-46n of the superlattice 25 may have different numbers of molecular layer thicknesses.

図5A-5Cでは、密度汎関数理論(DFT)を用いて計算されたバンド構造が与えられている。DFTがバンドギャップの絶対値を小さく見積もってしまうことは当業者にはよく知られている。従ってギャップより上のすべてのバンドは、適切な“シザーズ補正(scissors correction)”によってシフトされるだろう。しかしバンドの形状は、かなりの信頼性があることが知られている。縦軸のエネルギーは、この観点を考慮した上で解釈されなければならない。   In FIGS. 5A-5C, band structures calculated using density functional theory (DFT) are given. It is well known to those skilled in the art that DFT estimates the absolute value of the band gap small. All bands above the gap will therefore be shifted by an appropriate “scissors correction”. However, the shape of the band is known to be quite reliable. The energy on the vertical axis must be interpreted taking this viewpoint into account.

図5Aは、γ点(G)について計算されたバルクシリコンのバンド構造(連続線で表されている)と図1に図示されている4/1のSi/O超格子25のバンド構造(破線で表されている)を表す。図中に示されている方向は、4/1のSi/O構造のユニットセルを意味しており、Siについて通常用いられるユニットセルを表しているわけではない。とはいえ、図中の(001)方向は、Siについて従来用いられるユニットセルの(001)方向に対応するので、予想されるSiの伝導帯の最小値の位置を示す。図中の(100)及び(010)方向は、Siについて従来用いられるユニットセルの(110)方向及び(110)方向に対応する。図に記載されているシリコンのバンドは、4/1のSi/O構造についての適切な逆格子方向でのバンドを表すために折りたたまれていることは、当業者には明らかなことである。   FIG. 5A shows the band structure of the bulk silicon calculated for the γ point (G) (represented by a continuous line) and the band structure of the 4/1 Si / O superlattice 25 illustrated in FIG. 1 (dashed line). Is represented). The direction shown in the figure means a unit cell having a 4/1 Si / O structure, and does not represent a unit cell normally used for Si. Nonetheless, the (001) direction in the figure corresponds to the (001) direction of the unit cell conventionally used for Si, and thus indicates the position of the expected minimum value of the conduction band of Si. The (100) and (010) directions in the figure correspond to the (110) and (110) directions of unit cells conventionally used for Si. It will be apparent to those skilled in the art that the silicon bands shown in the figure are folded to represent bands in the appropriate reciprocal lattice direction for the 4/1 Si / O structure.

バルクシリコン(Si)とは異なり、4/1のSi/O構造の伝導帯の最小値がγ点に位置する一方で、価電子帯の最大値は、我々がZ点と呼んでいる、(001)方向でのブリュアンゾーン端部に位置しているのが分かる。付加された酸素層によって導入される摂動によってバンドが分裂したため、4/1のSi/O構造の伝導帯最小値の曲率は、Siの伝導帯最小値の曲率よりも大きくなっているのも分かるだろう。   Unlike bulk silicon (Si), the minimum value of the conduction band of the 4/1 Si / O structure is located at the γ point, while the maximum value of the valence band is what we call the Z point. It can be seen that it is located at the end of the Brillouin zone in the (001) direction. It can also be seen that the curvature of the conduction band minimum of the 4/1 Si / O structure is larger than the curvature of the Si conduction band minimum because the band was split by perturbation introduced by the added oxygen layer. right.

図5Bは、Z点について計算されたバルクシリコンのバンド構造(連続線で表されている)と4/1のSi/O超格子25のバンド構造(破線で表されている)を表す。この図は、(100)方向での価電子帯の曲率が改善されていることを示している。   FIG. 5B shows the bulk silicon band structure calculated for the Z point (represented by a continuous line) and the 4/1 Si / O superlattice 25 band structure (represented by a broken line). This figure shows that the curvature of the valence band in the (100) direction is improved.

図5Cは、γ点及びZ点について計算されたバルクシリコンのバンド構造(連続線で表されている)と図4の超格子25’の5/1/3/1のSi/O構造のバンド構造(破線で表されている)を表す。5/1/3/1のSi/O構造が有する対称性のため、(100)方向について計算されたバンド構造と(010)方向について計算されたバンド構造とは等価である。よって伝導性有効質量及び移動度は、層に平行、つまり(001)積層方向に対して垂直な面内で等方的であることが予想される。5/1/3/1のSi/O構造の例では、伝導帯最小値と価電子帯最大値の両方が、Z点又はその付近に位置していることにも留意して欲しい。   5C shows the bulk silicon band structure calculated for the γ and Z points (represented by continuous lines) and the 5/1/3/1 Si / O band of the superlattice 25 ′ of FIG. Represents the structure (represented by a dashed line). Due to the symmetry of the 5/1/3/1 Si / O structure, the band structure calculated for the (100) direction and the band structure calculated for the (010) direction are equivalent. Therefore, it is expected that the conductive effective mass and mobility are isotropic in a plane parallel to the layer, that is, perpendicular to the (001) stacking direction. Also note that in the 5/1/3/1 Si / O structure example, both the conduction band minimum and valence band maximum are located at or near the Z point.

たとえ曲率の増大が有効質量の減少を示すとはいえ、伝導性逆有効質量テンソルを介して、適切な比較及び区別を行って良い。これにより、出願人らは、5/1/3/1の超格子25’が実質的に直接遷移型のバンドギャップであるという仮説をさらに立てた。当業者には明らかな通り、光学遷移についての適切な行列要素は、直接遷移型バンドギャップと間接遷移型バンドギャップとの振る舞いを区別する別な指標である。   Even though an increase in curvature indicates a decrease in effective mass, an appropriate comparison and distinction may be made through a conductive inverse effective mass tensor. Thereby, Applicants have further hypothesized that the 5/1/3/1 superlattice 25 'is substantially a direct transition bandgap. As will be apparent to those skilled in the art, an appropriate matrix element for optical transitions is another indicator that distinguishes the behavior of direct and indirect transition band gaps.

ここでさらに図6A-6Dを参照すると、MOSFET20の作製方法が説明されている。その方法は、シリコン基板21を供することから開始される。例として、基板は、<100>に配向した低ドープのp型又はn型単結晶シリコンの8インチウエハであって良いが、他の適切な基板が用いられても良い。本発明によると、溝60が基板内に形成され、かつ主部への注入物29が溝内60で行われる。当然のこととして、他の実施例では、溝60が形成される前に主部への注入物が実行されても良いことは明らかである。   With further reference now to FIGS. 6A-6D, a method of fabricating MOSFET 20 is described. The method begins by providing a silicon substrate 21. By way of example, the substrate may be a <100> oriented, lightly doped p-type or n-type single crystal silicon 8-inch wafer, although other suitable substrates may be used. According to the present invention, the groove 60 is formed in the substrate and the injection 29 into the main part is performed in the groove 60. Of course, it will be appreciated that in other embodiments, an injection into the main portion may be performed before the groove 60 is formed.

続いて超格子25の材料層が溝60内に形成される。より詳細には上述したように、超格子25の材料は、原子層堆積法を用いて溝60内に堆積され、かつエピタキシャル成長したシリコンキャップ層52が上形成されることで、MOSFET20のチャネル層24が供され、かつその表面は平坦化される。   Subsequently, a material layer of the superlattice 25 is formed in the groove 60. More specifically, as described above, the material of the superlattice 25 is deposited in the trench 60 using an atomic layer deposition method, and an epitaxially grown silicon cap layer 52 is formed over the channel layer 24 of the MOSFET 20. And the surface is planarized.

実施例によっては、超格子25の材料は、基板21全体にわたって堆積されるのではなく、所望の領域に選択的に堆積されて良いことに留意して欲しい。このことは当業者には明らかなことである。つまり実施例によっては、超格子は溝60なしで基板21の上側表面上に形成されて良く、かつソース/ドレイン領域22,26と23,27は超格子と横方向で隣接するようにエピタキシャル成長により形成されて良い。しかもどの実施例についても、平坦化が必要というわけではない。   Note that in some embodiments, the material of the superlattice 25 may be selectively deposited in the desired region, rather than being deposited over the entire substrate 21. This will be apparent to those skilled in the art. That is, in some embodiments, the superlattice may be formed on the upper surface of the substrate 21 without the groove 60, and the source / drain regions 22, 26 and 23, 27 are epitaxially grown so as to be laterally adjacent to the superlattice. May be formed. Moreover, flattening is not necessary for any embodiment.

エピタキシャル成長したシリコンキャップ層52は、ゲート酸化膜の成長中又は他の後続の酸化プロセス中にチャネルが消費されるのを防ぐのに好適な厚さを有して良い。ある所与の酸化物を成長させることで約45%の下地のシリコンが消費されるという周知の関係によると、シリコンキャップ層は、当業者に知られているような大きさにされて良い。   Epitaxially grown silicon cap layer 52 may have a thickness suitable to prevent channel consumption during gate oxide growth or other subsequent oxidation processes. According to the well-known relationship that growing a given oxide consumes about 45% of the underlying silicon, the silicon cap layer can be sized as known to those skilled in the art.

一旦超格子25の形成が完了すると、ゲート誘電層37とゲート電極層36が形成される。より詳細には、誘電材料が堆積され、かつ多結晶の堆積、パターニング、及びエッチングが実行されることで、図6Bに図示されたゲート積層体が供される。多結晶シリコンの堆積は、酸化物上へのシリコンの低圧化学気相成長(LPCVD)を意味する(低圧だから多結晶シリコン材料が形成される)。その工程はP+又はAs-をドーピングすることで多結晶シリコンを導電性にする工程を有する。またその層はたとえば約250nmの厚さであって良い。 Once the formation of the superlattice 25 is completed, a gate dielectric layer 37 and a gate electrode layer 36 are formed. More particularly, dielectric material is deposited and polycrystalline deposition, patterning, and etching are performed to provide the gate stack illustrated in FIG. 6B. Polycrystalline silicon deposition means low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) of silicon on oxide (because of low pressure, a polycrystalline silicon material is formed). The process includes making the polycrystalline silicon conductive by doping with P + or As . The layer may be about 250 nm thick, for example.

それに加えて、パターニング工程は、フォトレジスト塗布、ベーキング、露光(つまりフォトリソグラフィ工程)、及びレジスト現像を実行する工程を有して良い。大抵の場合、パターンは、エッチング工程中にマスクとして機能する別な層(酸化物又は窒化物)へ転写される。エッチング工程は典型的に、材料選択性(たとえばシリコンは酸化物の10倍エッチングされる)を有し、かつリソグラフィパターンを関心材料に転写するプラズマエッチング(異方性ドライエッチング)である。   In addition, the patterning step may include a step of performing photoresist coating, baking, exposure (that is, a photolithography step), and resist development. In most cases, the pattern is transferred to another layer (oxide or nitride) that serves as a mask during the etching process. The etching process is typically a plasma etch (anisotropic dry etch) that has material selectivity (eg, silicon is etched 10 times that of the oxide) and transfers the lithographic pattern to the material of interest.

図示された実施例では超格子25のエッチングは必要とされないが、上述したように、ドーパントを阻止する超格子が基板21の上側表面上に形成されるそれらの実施例では、超格子25の材料は既知の半導体処理方法を用いてエッチングされて良い。しかしたとえば酸素のような非半導体が超格子25内に存在しても、その超格子は依然としてシリコン用ではなく酸素用に調製されたエッチャントによって容易にエッチング可能であることに留意して欲しい。当然のこととして、所与の注入を行うのに適切なエッチングは、超格子25及び基板21に用いられる構造及び材料に基づいて変化する。このことは当業者には明らかなことである。   In the illustrated embodiment, etching of the superlattice 25 is not required, but as described above, in those embodiments where a superlattice blocking dopant is formed on the upper surface of the substrate 21, the material of the superlattice 25 May be etched using known semiconductor processing methods. However, it should be noted that even if a non-semiconductor such as oxygen is present in superlattice 25, the superlattice can still be easily etched by an etchant prepared for oxygen rather than for silicon. Of course, the appropriate etch for performing a given implant will vary based on the structure and materials used for the superlattice 25 and the substrate 21. This will be apparent to those skilled in the art.

図6Cでは、低ドープのソース/ドレイン拡張領域22,23(“LDD”)が形成される。これらの領域は、n型又はp型のLDD注入、アニーリング、及び洗浄を用いて形成される。アニーリング工程は、LDD注入前後に行われて良い。しかし具体的プロセスに依存して、アニーリング工程は省略されて良い。洗浄工程は、酸化膜の堆積前に、金属及び有機物を除去する化学エッチングである。   In FIG. 6C, lightly doped source / drain extension regions 22, 23 ("LDD") are formed. These regions are formed using n-type or p-type LDD implantation, annealing, and cleaning. The annealing process may be performed before and after LDD injection. However, depending on the specific process, the annealing step may be omitted. The cleaning process is a chemical etching that removes metals and organic substances before the oxide film is deposited.

図6Dは、側壁スペーサ40,41の形成及びソース/ドレイン領域26,27の注入を図示している。SiO2層は、この目的のために堆積され、かつエッチングされて良い。適切なn型又はp型のイオン注入が、所与の注入に依存したソース/ドレイン領域26,27の形成に用いられる。続いてその構造はアニーリング及び洗浄される。続いて自己整合シリサイドが形成されることで、シリサイド層30,31及び34が形成されて良い。ソース/ドレインコンタクト32,33が形成されることで、図1に図示された最終形の半導体素子20が供される。シリサイドの形成はサリサイド化としても知られている。サリサイド化のプロセスには、金属(たとえばTi)の堆積、窒素アニーリング、金属エッチング、及び第2アニーリングが含まれる。 FIG. 6D illustrates the formation of sidewall spacers 40, 41 and the implantation of source / drain regions 26, 27. A SiO 2 layer may be deposited and etched for this purpose. Appropriate n-type or p-type ion implantation is used to form source / drain regions 26, 27 depending on a given implantation. The structure is subsequently annealed and cleaned. Subsequently, silicide layers 30, 31, and 34 may be formed by forming self-aligned silicide. By forming the source / drain contacts 32 and 33, the final semiconductor element 20 shown in FIG. 1 is provided. The formation of silicide is also known as salicidation. The salicide process includes metal (eg, Ti) deposition, nitrogen annealing, metal etching, and second annealing.

上記のことは当然のことながら、本発明を利用できるプロセス及び素子の一例に過ぎない。当業者は、他の多くのプロセス及び素子における本発明の応用及び用途を理解する。他のプロセス及び素子では、本発明の構造は、ウエハの一部の上又はウエハのほとんど全領域上に形成されて良い。それに加えて、実施例によっては、超格子25を形成するのに原子層堆積装置を用いる必要がない。たとえば分子層は、分子層制御と相性の良いプロセス条件でCVD装置を用いることによって形成することも可能である。このことは当業者には明らかなことである。本発明に従った半導体素子の作製に関するさらなる詳細は、たとえば特許文献11で見つけることができる。   The foregoing is, of course, only an example of processes and devices that can utilize the present invention. Those skilled in the art will appreciate the application and use of the present invention in many other processes and devices. In other processes and devices, the structure of the present invention may be formed on a portion of the wafer or on almost the entire area of the wafer. In addition, in some embodiments, it is not necessary to use an atomic layer deposition apparatus to form the superlattice 25. For example, the molecular layer can also be formed by using a CVD apparatus under process conditions compatible with the molecular layer control. This will be apparent to those skilled in the art. Further details regarding the fabrication of semiconductor elements according to the present invention can be found, for example, in US Pat.

上記説明及び関連する図に示される教示による利益を有する当業者には、本発明の修正型及び他の実施例が数多く思いつく。従って、本発明は開示された特定の実施例に限定されてはならず、かつ修正型及び変化型は「特許請求の範囲」の請求項の技術的範囲内に含まれることに留意して欲しい。   Many modifications and other embodiments of the invention may occur to those skilled in the art having the benefit of the teachings set forth in the foregoing description and related figures. Therefore, it should be noted that the invention should not be limited to the specific embodiments disclosed, and that modifications and variations are included within the scope of the claims. .

本発明によるドーパントを阻止する超格子チャネルを有する半導体素子の概略的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device having a superlattice channel for blocking dopants according to the present invention. 図1に図示された超格子をかなり拡大した概略的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in which the superlattice shown in FIG. 1 is considerably enlarged. 図1に図示された超格子の一部の原子スケールでの概略的斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of a part of the superlattice illustrated in FIG. 1 on an atomic scale. 図1の素子で利用可能な超格子の別な実施例をかなり拡大した概略的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view, which is considerably enlarged, of another embodiment of a superlattice that can be used in the device of FIG. 従来技術としてのバルクシリコンについてγ点(G)で計算されたバンド構造のグラフと、図1-3に図示された4/1のSi/O超格子についてγ点(G)で計算されたバンド構造のグラフである。A graph of the band structure calculated at the γ point (G) for bulk silicon as a prior art and the band calculated at the γ point (G) for the 4/1 Si / O superlattice shown in Figure 1-3. It is a graph of a structure. 従来技術としてのバルクシリコンについてZ点で計算されたバンド構造のグラフと、図1-3に図示された4/1のSi/O超格子についてZ点で計算されたバンド構造のグラフである。FIG. 4 is a graph of a band structure calculated at the Z point for bulk silicon as a conventional technique, and a graph of a band structure calculated at the Z point for the 4/1 Si / O superlattice illustrated in FIG. 1-3. 従来技術としてのバルクシリコンについてγ点(G)とZ点の両方で計算されたバンド構造のグラフと、図4に図示された5/1/3/1のSi/O超格子についてγ点(G)とZ点の両方で計算されたバンド構造のグラフである。Band structure graph calculated at both γ point (G) and Z point for bulk silicon as a prior art, and γ point (5/1/3/1 Si / O superlattice shown in FIG. It is a graph of the band structure calculated at both G) and Z points. A-Dは、図1の半導体素子を作製する方法を図示した一連の概略的断面図である。A-D is a series of schematic cross-sectional views illustrating a method of fabricating the semiconductor device of FIG.

Claims (34)

少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を有する半導体素子であって、
前記MOSFETは:
主部;
該主部に隣接するチャネル層;及び
前記主部と前記チャネル層との間に存在するドーパントを阻止する超格子;
を有し、
前記ドーパントを阻止する超格子は複数の層からなる複数の積層群を有し、
前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有する、
半導体素子。
A semiconductor device having at least one metal-oxide field effect transistor (MOSFET),
The MOSFET is:
Main part;
A channel layer adjacent to the main portion; and a superlattice blocking dopants present between the main portion and the channel layer;
Have
The superlattice for blocking the dopant has a plurality of stacked groups of a plurality of layers,
Each group of superlattice layers blocking the dopant comprises a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and at least one non-layer constrained within the crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. Having a semiconductor molecular layer,
Semiconductor element.
前記主部が内部に少なくとも1つのドーピングされた領域を有する、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the main part has at least one doped region therein. 前記主部が約1×1018cm-3より大きなドーパント濃度を有する、請求項1に記載の半導体素子。 The semiconductor device of claim 1, wherein the main portion has a dopant concentration greater than about 1 × 10 18 cm −3 . 前記チャネル層が実質的にドーピングされていない、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel layer is not substantially doped. 前記チャネル層が約1×1015cm-3未満のドーパント濃度を有する、請求項1に記載の半導体素子。 The semiconductor device of claim 1, wherein the channel layer has a dopant concentration of less than about 1 × 10 15 cm −3 . 前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる少なくとも1つの群が実質的にドーピングされていない、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device of claim 1, wherein at least one group of superlattice layers blocking said dopant is substantially undoped. 前記基本半導体部分がシリコンを有する、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the basic semiconductor portion includes silicon. 前記少なくとも1層の非半導体分子層が酸素を有する、請求項7に記載の半導体素子。   8. The semiconductor element according to claim 7, wherein the at least one non-semiconductor molecular layer contains oxygen. 前記少なくとも1層の非半導体分子層が、基本的に酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有する、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor element according to claim 1, wherein the at least one non-semiconductor molecular layer has a non-semiconductor selected from the group consisting essentially of oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen. 前記チャネル層の上に存在するゲートをさらに有する、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a gate existing on the channel layer. 前記チャネル層の横側に隣接するソース及びドレイン領域をさらに有する、請求項10に記載の半導体素子。   11. The semiconductor device according to claim 10, further comprising source and drain regions adjacent to a lateral side of the channel layer. 前記ゲートが、前記半導体チャネル層に隣接するゲート絶縁層、及び該ゲート絶縁層に隣接するゲート電極層を有する、請求項10に記載の半導体素子。   11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the gate has a gate insulating layer adjacent to the semiconductor channel layer and a gate electrode layer adjacent to the gate insulating layer. 前記少なくとも1の非半導体分子層が単分子層の厚さである、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the at least one non-semiconductor molecular layer has a thickness of a monomolecular layer. 各基本半導体部分が、8分子層の厚さ未満である、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein each basic semiconductor portion has a thickness of less than eight molecular layers. 前記基本半導体部分の全てが、同一分子層数の厚さである、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein all of the basic semiconductor portions have the same number of molecular layers. 前記基本半導体部分の一部が、異なる分子層数の厚さである、請求項1に記載の半導体素子。   2. The semiconductor element according to claim 1, wherein a part of the basic semiconductor portion has a thickness with a different number of molecular layers. 前記超格子の複数の層からなる隣接群内の対向している基本半導体分子層が共に化学結合している、請求項1に記載の半導体素子。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein opposing basic semiconductor molecular layers in an adjacent group composed of a plurality of layers of the superlattice are chemically bonded together.
少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を形成する工程を有する半導体素子の製造方法であって、
前記MOSFETは:
主部を形成する工程;
前記主部に隣接するドーパントを阻止する超格子を形成する工程であって、
前記ドーパントを阻止する超格子は複数の層からなる複数の積層群を有し、
前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有する、工程;及び
前記ドーパントを阻止する超格子に隣接して前記主部に対向するチャネル層を形成する工程;
によって形成される、
方法。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a step of forming at least one metal-oxide field effect transistor (MOSFET),
The MOSFET is:
Forming a main part;
Forming a superlattice to block dopants adjacent to the main part, comprising:
The superlattice for blocking the dopant has a plurality of stacked groups of a plurality of layers,
Each group of superlattice layers blocking the dopant comprises a plurality of stacked basic semiconductor molecular layers defining a basic semiconductor portion and at least one non-layer constrained within the crystal lattice of an adjacent basic semiconductor portion. Having a semiconductor molecular layer; and forming a channel layer facing the main portion adjacent to a superlattice blocking the dopant;
Formed by,
Method.
前記主部が内部に少なくとも1つのドーピングされた領域を有する、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the main portion has at least one doped region therein. 前記主部が約1×1018cm-3より大きなドーパント濃度を有する、請求項18に記載の方法。 The method of claim 18, wherein the main portion has a dopant concentration greater than about 1 × 10 18 cm −3 . 前記チャネル層が実質的にドーピングされていない、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the channel layer is substantially undoped. 前記チャネル層が約1×1015cm-3未満のドーパント濃度を有する、請求項18に記載の方法。 The method of claim 18, wherein the channel layer has a dopant concentration of less than about 1 × 10 15 cm −3 . 前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる少なくとも1つの群が実質的にドーピングされていない、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein at least one group of superlattice layers blocking said dopant is substantially undoped. 前記基本半導体部分がシリコンを有する、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the basic semiconductor portion comprises silicon. 前記少なくとも1層の非半導体分子層が酸素を有する、請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, wherein the at least one non-semiconductor molecular layer comprises oxygen. 前記少なくとも1層の非半導体分子層が、基本的に酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有する、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the at least one non-semiconductor molecular layer comprises a non-semiconductor selected from the group consisting essentially of oxygen, nitrogen, fluorine, and carbon-oxygen. 前記チャネル層の上に存在するゲートをさらに有する、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, further comprising a gate overlying the channel layer. 前記チャネル層の横側に隣接するソース及びドレイン領域をさらに有する、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, further comprising source and drain regions adjacent to a lateral side of the channel layer. 前記ゲートを形成する工程が、前記半導体チャネル層に隣接するゲート絶縁層、及び該ゲート絶縁層に隣接するゲート電極層を形成する工程有する、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein forming the gate comprises forming a gate insulating layer adjacent to the semiconductor channel layer and a gate electrode layer adjacent to the gate insulating layer. 前記少なくとも1の非半導体分子層が単分子層の厚さである、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the at least one non-semiconductor molecular layer is a monolayer thickness. 各基本半導体部分が、8分子層の厚さ未満である、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein each basic semiconductor portion is less than 8 molecular layers thick. 前記基本半導体部分の全てが、同一分子層数の厚さである、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein all of the basic semiconductor portions are the same number of molecular layers. 前記基本半導体部分の一部が、異なる分子層数の厚さである、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein a portion of the basic semiconductor portion is a different number of molecular layers. 前記超格子の複数の層からなる隣接群内の対向している基本半導体分子層が共に化学結合している、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein opposing basic semiconductor molecular layers in adjacent groups of layers of the superlattice are chemically bonded together.
JP2009510026A 2006-05-01 2007-05-01 Semiconductor device having superlattice to block dopants and related method Pending JP2009535861A (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/380,992 US20060273299A1 (en) 2003-06-26 2006-05-01 Method for making a semiconductor device including a dopant blocking superlattice
US11/380,987 US20060220118A1 (en) 2003-06-26 2006-05-01 Semiconductor device including a dopant blocking superlattice
PCT/US2007/067926 WO2007130973A1 (en) 2006-05-01 2007-05-01 Semiconductor device including a dopant blocking superlattice and associated methods

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009535861A true JP2009535861A (en) 2009-10-01

Family

ID=38542004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009510026A Pending JP2009535861A (en) 2006-05-01 2007-05-01 Semiconductor device having superlattice to block dopants and related method

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2020035A1 (en)
JP (1) JP2009535861A (en)
AU (1) AU2007248171A1 (en)
CA (1) CA2650965A1 (en)
WO (1) WO2007130973A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014108940A1 (en) * 2013-01-09 2014-07-17 国立大学法人東京工業大学 Field-effect transistor

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110215299A1 (en) * 2010-03-08 2011-09-08 Mears Technologies, Inc. Semiconductor device including a superlattice and dopant diffusion retarding implants and related methods
WO2018213385A1 (en) * 2017-05-16 2018-11-22 Atomera Incorporated Semiconductor device and method including a superlattice as a gettering layer

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61230374A (en) * 1985-04-05 1986-10-14 Seiko Epson Corp Field-effect type transistor and manufacture thereof
JPS6394682A (en) * 1986-10-08 1988-04-25 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Manufacture of insulated-gate field-effect semiconductor device
JP2003174161A (en) * 2001-12-05 2003-06-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
WO2005018004A1 (en) * 2003-06-26 2005-02-24 Rj Mears, Llc Method for making semiconductor device including band-engineered superlattice
WO2005034245A1 (en) * 2003-06-26 2005-04-14 Rj Mears, Llc Semiconductor device including band-engineered superlattice

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4594603A (en) * 1982-04-22 1986-06-10 Board Of Trustees Of The University Of Illinois Semiconductor device with disordered active region
US6326272B1 (en) * 1999-11-18 2001-12-04 Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd. Method for forming self-aligned elevated transistor
US6727151B2 (en) * 2002-08-07 2004-04-27 Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd. Method to fabricate elevated source/drain structures in MOS transistors
EP1644986B1 (en) * 2003-07-02 2008-02-13 Nxp B.V. Semiconductor device, method of manufacturing a quantum well structure and a semiconductor device comprising such a quantum well structure
WO2006031601A1 (en) * 2004-09-09 2006-03-23 Rj Mears, Llc Integrated circuit comprising an active optical device having an energy band engineered superlattice and associated fabrication methods

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61230374A (en) * 1985-04-05 1986-10-14 Seiko Epson Corp Field-effect type transistor and manufacture thereof
JPS6394682A (en) * 1986-10-08 1988-04-25 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Manufacture of insulated-gate field-effect semiconductor device
JP2003174161A (en) * 2001-12-05 2003-06-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
WO2005018004A1 (en) * 2003-06-26 2005-02-24 Rj Mears, Llc Method for making semiconductor device including band-engineered superlattice
WO2005034245A1 (en) * 2003-06-26 2005-04-14 Rj Mears, Llc Semiconductor device including band-engineered superlattice

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014108940A1 (en) * 2013-01-09 2014-07-17 国立大学法人東京工業大学 Field-effect transistor

Also Published As

Publication number Publication date
CA2650965A1 (en) 2007-11-15
EP2020035A1 (en) 2009-02-04
WO2007130973A1 (en) 2007-11-15
AU2007248171A1 (en) 2007-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI700831B (en) Semiconductor device including resonant tunneling diode structure having a superlattice and related methods
JP4918354B2 (en) Method for fabricating a semiconductor device having a band design superlattice
TWI616937B (en) Methods for making a semiconductor device including atomic layer structures using n2o as an oxygen source
US7446002B2 (en) Method for making a semiconductor device comprising a superlattice dielectric interface layer
US7018900B2 (en) Method for making a semiconductor device comprising a superlattice channel vertically stepped above source and drain regions
JP2008543053A (en) Semiconductor device comprising a superlattice having at least one group of substantially undoped layers
US20060220118A1 (en) Semiconductor device including a dopant blocking superlattice
US20060273299A1 (en) Method for making a semiconductor device including a dopant blocking superlattice
JP2008547241A (en) Method for fabricating a semiconductor device having a superlattice with a band designed by annealing during deposition
CN1813353B (en) Method for making semiconductor device including band-engineered superlattice
JP2008538052A (en) Semiconductor device having a superlattice having a doped region defining a semiconductor junction and an adjacent semiconductor layer
JP2008535265A (en) Semiconductor device having a superlattice having a region defining a semiconductor junction
JP2008543052A (en) Semiconductor device having a superlattice dielectric interface layer
CN1813354B (en) Method for making semiconductor device including band-engineered superlattice
JP2009535861A (en) Semiconductor device having superlattice to block dopants and related method
JP2009536463A (en) Semiconductor device including floating gate memory cell having superlattice channel and related method
JP2008544581A (en) Semiconductor device having a semiconductor-on-insulator (SOI) structure and including a superlattice on a thin semiconductor layer, and a method of manufacturing the same
TWI816399B (en) Semiconductor device including a superlattice providing metal work function tuning and associated methods
JP2009536464A (en) Semiconductor device having superlattice arrangement with semiconductor present on insulator and related method
TW202406141A (en) Semiconductor device including a superlattice providing metal work function tuning and associated methods
CN117616580A (en) Semiconductor devices including superlattices that provide metal work function tuning and related methods

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120306

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120807