專利名稱：包括摻雜劑阻擋超晶格的半導(dǎo)體器件及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地說，涉及具有增強(qiáng)的性能如基 于能帶工程的半導(dǎo)體及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了多種結(jié)構(gòu)和技術(shù)來增強(qiáng)半導(dǎo)體器件性能，諸如通過提
高電荷載流子的遷移率。例如，Currie等人的美國專利申請 2003/0057416公開了珪、硅-鍺以及松弛硅(relaxed silicon)的應(yīng)變 材料層，以及還包括可能額外引起性能下降的無雜質(zhì)區(qū)。在上部硅層 中所得到的雙軸應(yīng)變改變了載流子遷移率，使得能夠?qū)崿F(xiàn)較高速度和 /或較低功率的器件。Fitzgerald等人的公開的美國專利申請 2003/0034529公開了也基于類似應(yīng)變硅技術(shù)的CMOS反相器。
Takagi的美國專利6，472，685 B2 乂>開了一種半導(dǎo)體器件，其包 括夾在硅層之間的硅和碳層，以使得第二硅層的導(dǎo)帶和價(jià)帶接收張應(yīng) 變(tensile strain)。具有較小的有效質(zhì)量并由施加到柵電極的電場 引起的電子被限制在第二硅層中，因此，n-溝道MOSFET被斷言具 有更高的遷移率。
Ishibashi等人的美國專利4，937，204公開了交替地和外延地生長 其中有多個(gè)層(少于八個(gè)單層(monolayer))并包含一部分或二元 化合物半導(dǎo)體層的超晶格。主電流流動(dòng)的方向垂直于該超晶格的層。
Wang等人的美國專利5，357，119公開了一種Si-Ge短周期超晶 格，具有通過減小超晶格中的合金散射而獲得的較高遷移率。按此方 式，Candelaria的美國專利5，683，934公開了一種增強(qiáng)了遷移率的 MOSFET，其包括溝道層，該溝道層包括硅的合金，和以使得溝道層 處于張應(yīng)力下的百分比替代地存在于硅晶格中的第二材料。Tsu的美國專利5,216,262公開了包括兩個(gè)勢壘區(qū)和夾在該勢壘之間的薄的外延生長的半導(dǎo)體層的量子阱結(jié)構(gòu)。每個(gè)勢壘區(qū)由Si02/Si的交替層構(gòu)成，具有通常在兩個(gè)至六個(gè)單層范圍內(nèi)的厚度。在勢壘之間夾入厚得多的硅的部分。
同才羊是Tsu的，于2000年9月6日，由Applied Physics andMaterials Science & Processing,第391-402頁，在線公開的標(biāo)題為"Phenomena in silicon nanostructure devices，，的文章，公開了娃和氧的半導(dǎo)體-原子超晶格(SAS)。該Si/O超晶格被公開為用于硅量子和發(fā)光器件中。特別的，構(gòu)造和測試了綠色電致發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該二極管結(jié)構(gòu)中的電流流動(dòng)是垂直的，亦即，垂直于SAS的層。所公開的SAS可以包括被吸附的物質(zhì)如氧原子和CO分子分開的半導(dǎo)體層。超出氧的吸附的單層的硅生長被描述為具有相當(dāng)?shù)偷娜毕菝芏鹊耐庋印?一種SAS結(jié)構(gòu)包括l.l nm厚的硅部分，約為八個(gè)硅原子層，以及另一結(jié)構(gòu)具有該珪厚度的兩倍。刊登于Physical Review Letters,Vol.89， No.7 ( 2002年8月12日)的Luo等人的標(biāo)題為"ChemicalDesign of Direct-Gap Light-Emitting Silicon"的文章進(jìn)一步論述了Tsu的發(fā)光SAS結(jié)構(gòu)。
Wang、 Tsu和Lofgren的公布的國際申請WO 02/103,767 Al公開了一種薄硅和氧、碳、氮、磷、銻、砷或氫的勢壘(barrier)結(jié)構(gòu)單元，由此將垂直流過晶格的電流減小超過四個(gè)數(shù)量級。絕緣層/勢壘層允許緊接著絕緣層淀積低缺陷外延硅。
Mears等人的公布的英國專利申請2,347,520公開了 非周期性光子帶隙(APBG)結(jié)構(gòu)的原理可以適用于電子帶隙工程。特別，該申請公開了可以定制材料參數(shù)，例如，能帶最小值的位置、有效質(zhì)量等，以得到具有所希望能帶結(jié)構(gòu)特征的新的非周期性材料。其他參數(shù)，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和介電常數(shù)或磁導(dǎo)率被公開為也可以被設(shè)計(jì)到該材料中。
盡管在材料工程方面做了相當(dāng)多的工作以增加半導(dǎo)體器件中的電荷載流子的遷移率，但是還需要更大的改進(jìn)。更大的遷移率可以增
7加器件速度和/或降低器件功耗。利用更大的遷移率，盡管延續(xù)向較小器件特征的改變也仍維持器件性能。此外，隨著器件尺寸減小，器件內(nèi)的區(qū)域變得更靠近在一起，這些區(qū)域之間的摻雜劑擴(kuò)散可能成為問
題。例如，在MOSFET器件中，來自于體注入等的摻雜劑可能擴(kuò)散到器件的溝道中并使器件性能退化。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述背景，因此本發(fā)明的目的是提供一種具有摻雜劑阻擋層的半導(dǎo)體器件，以減小由摻雜劑擴(kuò)散引起的溝道退化。
通過一種可以包括至少一個(gè)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的半導(dǎo)體器件來提供根據(jù)本發(fā)明的這些及其它目的、特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)。更具體地，該至少一個(gè)MOSFET可以包括本體、鄰近本體的溝道層、以及在本體和溝道層之間的摻雜劑阻擋超晶格。摻雜劑阻擋超晶格可以包括多個(gè)層疊的層組。摻雜劑阻擋超晶格的每個(gè)層組可以包括限定基本半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊的基本半導(dǎo)體單層，以及被約束在相鄰基本半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。
由于超晶格的分層結(jié)構(gòu)和受約束的非半導(dǎo)體單層，該超晶格有利地阻擋本體和溝道層之間的摻雜劑的不希望的擴(kuò)散。此外，摻雜劑阻擋超晶格可以具有相對小的厚度。此外，超晶格還享有增強(qiáng)的遷移率特性，在一些應(yīng)用中除其摻雜劑阻擋能力之外還可以利用這一點(diǎn)，例如，在摻雜劑阻擋超晶格中形成部分MOSFET溝道的情況。
此外，該本體在其中可以具有至少一個(gè)摻雜區(qū)。例如，該本體可以具有約大于lxlO"cm-s的摻雜劑濃度。此外，該溝道層可以是基本不摻雜的，即，例如，具有約小于lxlO"cm^的摻雜劑濃度。摻雜劑阻擋超晶格的至少 一個(gè)層組也可以是基本不摻雜的。
該基本半導(dǎo)體可以包括硅，以及該至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層可以包括例如氧。特別的，該至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層可以包括選自主要由氧、氮、氟和碳-氧組成的組的非半導(dǎo)體。
該至少一個(gè)MOSFET還可以包括位于溝道層上的柵極，該柵才及
8包括鄰近溝道層的柵絕緣層、和鄰近柵絕緣層并與溝道層相反的柵電極。另外，源區(qū)和漏區(qū)可以橫向鄰近溝道層，
該至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層可以具有單個(gè)單層的厚度，以及該基本半導(dǎo)體部分可以具有小于八個(gè)單層的厚度。所有的基本半導(dǎo)體部分可
以具有例如相同數(shù)目的單層的厚度。替換的，至少一些基本半導(dǎo)體部分可以具有不同數(shù)目的單層的厚度。此外，超晶格的相鄰層組中相對的基本半導(dǎo)體單層可以被化學(xué)地鍵合在一起。
本發(fā)明的另 一方面涉及一種制造半導(dǎo)體器件的方法。該方法可以
包括通過形成本體、形成鄰近本體的摻雜劑阻擋超晶格、以及形成鄰近摻雜劑阻擋超晶格并與本體相反的溝道層，來形成至少 一個(gè)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。更具體地，該摻雜劑阻擋超晶格可以包括多個(gè)層疊的層組。摻雜劑阻擋超晶格的每個(gè)層組可以包括多個(gè)層疊的基本半導(dǎo)體單層，其限定基本半導(dǎo)體部分；以及被約束在相鄰基本半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。
因?yàn)槌Ц竦姆謱咏Y(jié)構(gòu)和被約束的非半導(dǎo)體單層，該超晶格有利地阻擋本體和溝道層之間的摻雜劑的不希望的擴(kuò)散。此外，該摻雜劑
阻擋超晶格可以具有相對小的厚度。此外，該超晶格也享有增強(qiáng)的遷移率特性，除其摻雜劑阻擋能力之外這也可以用于一些應(yīng)用中，例如，在摻雜劑阻擋超晶格中形成部分MOSFET溝道的情況。


圖1是根據(jù)本發(fā)明包括摻雜劑阻擋超晶格的半導(dǎo)體器件的示例性剖面圖。
圖2是圖1所示的超晶格的極大地放大了的示例性剖面圖。圖3是圖l所示的超晶格的一部分的透視示例性原子視圖。圖4是可以用在圖l的器件中的超晶格的另一實(shí)施例的極大地放
大了的示例性剖面圖。
圖5A是根據(jù)對于作為現(xiàn)有技術(shù)的體硅和對于如圖1-3所示的4/1
Si/O超晶格的伽馬點(diǎn)(gamma point) (G)計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu)的曲線圖。
圖5B是根據(jù)對于作為現(xiàn)有技術(shù)的體硅和對于圖1-3所示的4/1Si/0超晶格的Z點(diǎn)計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu)的曲線圖。
圖5C是根據(jù)對于作為現(xiàn)有技術(shù)的體硅和對于圖4所示的5/1/3/1Si/0超晶格的伽馬點(diǎn)和Z點(diǎn)兩者計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu)的曲線圖。
圖6A-6D是一系列示例性剖面圖，圖示了用于制造圖1的半導(dǎo)體器件的方法。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖更全面地描述本發(fā)明，在圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以多種不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明局限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了使本公開徹底和完全，并將本發(fā)明的范圍完全傳遞給所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。相同數(shù)字始終表示相同的元件，以及主標(biāo)號用來表示替換實(shí)施例中的類似元件。
本發(fā)明涉及在原子或分子級控制半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，以在半導(dǎo)體器件內(nèi)獲得提高的性能。此外，本發(fā)明涉及對用于半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電路徑中的改進(jìn)了的材料的識(shí)別、產(chǎn)生和使用。
申請人提出如下的理論，但不希望受限于此在這里描述的某些超晶格降低了電荷栽流子的有效質(zhì)量，由此這導(dǎo)致更高的電荷載流子遷移率。在文獻(xiàn)中用各種定義描述有效質(zhì)量。作為對有效質(zhì)量的改善的一種量度，申請人使用"傳導(dǎo)倒數(shù)有效質(zhì)量張量(conductivityreciprocal effective mass tensor)",對于電子和空穴分別為M 和M:，對于電子定義為
z jC執(zhí)尊，《^^^k
m—1 (￡F ,r) = ￡>￡f gz.-^-^~-
S JV(￡(k，")，W3k
s工
以及對于空穴定義為S J(i-/(歌"W))Wk
其中f是費(fèi)米-狄拉克分布，Ef是費(fèi)米能量，T是溫度，E(k，n) 是處于與波矢k和第n個(gè)能帶對應(yīng)的狀態(tài)中的電子的能量，指數(shù)i和 j指笛卡兒坐標(biāo)x， y和z，在布里淵區(qū)(B.Z.)上取積分，以及在能 量分別超過和低于電子和空穴的費(fèi)米能量的能帶上取和。
申請人對傳導(dǎo)倒數(shù)有效質(zhì)量張量的定義使得，對于越大的傳導(dǎo)倒 數(shù)有效質(zhì)量張量的相應(yīng)分量的值，材料的傳導(dǎo)性的張量分量越大。申 請人再次提出如下理論，但不希望被限制于此在這里描述的超晶格 設(shè)置傳導(dǎo)倒數(shù)有效質(zhì)量張量的值，以便，例如典型地，對于電荷載流 子傳輸?shù)膬?yōu)選方向，增強(qiáng)材料的傳導(dǎo)性質(zhì)。合適的張量元的逆 (inverse)被稱為傳導(dǎo)有效質(zhì)量。換句話說，為了表征半導(dǎo)體材料結(jié) 構(gòu)，使用如上所述的并在想要的載流子傳輸方向上計(jì)算的用于電子/ 空穴的傳導(dǎo)有效質(zhì)量來區(qū)分改進(jìn)的材料。
利用上述量度，對于特定目的可以選擇具有改進(jìn)的能帶結(jié)構(gòu)的材 料。 一個(gè)這種例子將是用作半導(dǎo)體器件中的摻雜劑阻擋層的超晶格25 材料。首先參考圖1描述根據(jù)本發(fā)明的包括超晶格25的平面MOSFET
20。 但是，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在這里標(biāo)識(shí)的材料可被用 于許多不同類型的半導(dǎo)體器件，如分立器件和/或集成電路。作為示例， 其中可以使用超晶格25作為電介質(zhì)界面層的另 一應(yīng)用是FINFET。
所示的MOSFET 20包括其中具有一個(gè)或多個(gè)體注入29的襯底
21。 在襯底21中還注入輕摻雜的源/漏延伸區(qū)22、 23和更重?fù)诫s的源 區(qū)/漏區(qū)26、 27。溝道層24示例性地延伸在輕摻雜的源/漏延伸區(qū)22、 23之間。超晶格25被有利地放置在體注入29和溝道層24之間，作 為摻雜劑阻擋層，以阻擋摻雜劑擴(kuò)散到溝道中。
更具體地， 一個(gè)或多個(gè)體注入29可以用于設(shè)定MOSFET 20的 電壓閾值(VT)，和/或用于減小穿通(punch through)效應(yīng)，如所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的。作為示例，這種體注入可以具有約大于 lxlO"cm^的摻雜劑濃度。然而，在許多應(yīng)用中，期望具有基本上不
ii摻雜的溝道。通過"基本上不摻雜"，來表示沒有有意地添加摻雜劑， 但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，仍可能由于半導(dǎo)體工藝而存在雜質(zhì)。
如此，基本上未摻雜的溝道層24中的摻雜劑濃度可以優(yōu)選小于約 lxl0lscnT3，以及更優(yōu)選的，例如，小于約5xlO"cnT3。
在其中溝道直接位于體注入上的典型的現(xiàn)有技術(shù)MOSFET器件 中，可能難以防止摻雜劑擴(kuò)散到溝道中。如下面將進(jìn)一步論述的，由 于其結(jié)構(gòu)，超晶格25有利地阻擋本體和溝道層24之間摻雜劑的不期 望的擴(kuò)散。
柵介質(zhì)層37(在圖1中，為了圖示清楚，用點(diǎn)刻法示出)在溝 道層24上，而柵電極層36在柵介質(zhì)層上并與溝道層相反。在所示的 MOSFET20中還提供了側(cè)壁隔片40、 41，以及在輕摻雜的源區(qū)和漏 區(qū)22、 23上的硅化物層30、 31以及各源/漏接觸32、 33。硅化物層 34也在柵電極層36上。
申請人已確定了用于MOSFET 20的超晶格25的改進(jìn)的材料或 結(jié)構(gòu)。更具體地，申請人已確定了具有這樣的能帶結(jié)構(gòu)的材料或結(jié)構(gòu)， 即，對于該能帶結(jié)構(gòu)，電子和/或空穴的適當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)有效質(zhì)量基本上小 于硅的對應(yīng)值。
現(xiàn)在另外參考圖2和3，所述材料或結(jié)構(gòu)處于超晶格25的形式， 在原子或分子級控制該超晶格25的結(jié)構(gòu)，以及可以使用巳知的原子 或分子層淀積技術(shù)來形成該超晶格25的結(jié)構(gòu)。超晶格25包括以層疊 關(guān)系布置的多個(gè)層組45a-45n，特別是參考圖2的示例性剖面圖也許 最好理解。
超晶格25的每一組層45a-45n示例性地包括多個(gè)層疊的基本半 導(dǎo)體單層46和其上的能帶改變層50，該基本半導(dǎo)體單層46限定各基 本半導(dǎo)體部分46a-46n。為了圖示清楚，在圖2中以點(diǎn)刻法表示能帶 改變層50。
能帶改變層50示例性地包括被約束在相鄰基本半導(dǎo)體部分的晶 格內(nèi)的一個(gè)非半導(dǎo)體單層。亦即，相鄰層組45a-45n中的相對的基本 半導(dǎo)體單層46被化學(xué)地鍵合在一起。例如，在硅單層46的情況下，單層的組46a的上部或頂部半導(dǎo)體單層中的一些硅原子將與組46b的 下部或底部單層中的硅原子共價(jià)地鍵合。這允許晶格延續(xù)通過層組， 盡管存在非半導(dǎo)體單層(例如，氧單層或多個(gè)氧單層)。當(dāng)然，在相 鄰組45a-45n的相對硅層46之間將不存在完全的或純粹的共價(jià)鍵，如 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，這是因?yàn)檫@些層的每個(gè)層中的一些硅 原子將鍵合到非半導(dǎo)體原子(即，本例子中的氧原子)。
在其他實(shí)施例中，可以是不止一個(gè)非半導(dǎo)體層單層。作為示例， 能帶改變層50中的非半導(dǎo)體單層的數(shù)目可以優(yōu)選小于約五個(gè)單層， 由此提供希望的能帶改變特性。
應(yīng)當(dāng)注意，在這里所指的非半導(dǎo)體或半導(dǎo)體單層意味著如果用 體(bulk)形成，則用于單層的材料將是非半導(dǎo)體或半導(dǎo)體。亦即， 如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，材料(諸如半導(dǎo)體)的單個(gè)單層， 可以不必顯示出與用體形成或用相對厚的層形成所表現(xiàn)的相同特性。
申請人提出如下理論，但不希望限于此與其它情況下的相比， 對于平行層方向中的電荷載流子，能帶改變層50和相鄰的基本半導(dǎo) 體部分46a-46n導(dǎo)致超晶格25具有較低的合適的傳導(dǎo)有效質(zhì)量?？紤] 另一方法，該平行方向垂直于層疊方向。能帶改變層50也可以使超 晶格25具有公共能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)還有利地用作垂直地在超晶格上面 和下面的層或區(qū)域之間的絕緣體。此外，如上所述，該結(jié)構(gòu)還有利地 提供對垂直地在超晶格25上面和下面的層之間摻雜劑和/或材料的流 出或擴(kuò)散的阻擋層。
還提出如下理論半導(dǎo)體器件(諸如所示的MOSFET20)，與 其它情況相比，基于較低的傳導(dǎo)有效質(zhì)量將享有較高的電荷載流子遷 移率。在某些實(shí)施例中，由于本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的能帶工程，超晶格25 可以具有基本上直接的能帶隙，如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的，該基本上 直接的能帶隙對于例如光電器件可以是特別有用的。當(dāng)然，不必在每 個(gè)應(yīng)用中利用超晶格25的所有上述特性。例如，在某些應(yīng)用中，超 晶格25可以僅僅利用其摻雜劑阻擋/隔絕特性或其增強(qiáng)的遷移率，或 者在其他應(yīng)用中可以利用這兩者，這對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將是很好理解的。
此外，由于上述的對于平行層方向上的電荷載流子的較低的合適
的傳導(dǎo)有效質(zhì)量，在某些實(shí)施例中，超晶格25還可以有利地用來提 供溝道層24。更具體地，在所示的實(shí)施例中，MOSFET20的溝道層 24是超晶格25的帽蓋層52。然而，在某些實(shí)施例中，超晶格25可 以被制得充分厚，以使得部分溝道被限定在超晶格的上部層組45中。 在其他實(shí)施例中，例如，可以在摻雜劑阻擋超晶格25上生長第二溝 道超晶格層。例如，在轉(zhuǎn)讓給本受讓人的序列號為10/647,069的美國 申請中，提供了關(guān)于使用這種超晶格作為半導(dǎo)體器件中的溝道的更多 細(xì)節(jié)，因此將其內(nèi)容全部引入供參考。
帽蓋層52在超晶格25的上部層組45n上。帽蓋層52可以包括 多個(gè)基本半導(dǎo)體單層46。帽蓋層52可以具有2至100個(gè)之間的基本 半導(dǎo)體的單層，更優(yōu)選的，10至50個(gè)之間的單層。也可以使用其他 厚度。
每個(gè)基本半導(dǎo)體部分46a-46n可以包括選自由IV族半導(dǎo)體、 III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族半導(dǎo)體構(gòu)成的組的基本半導(dǎo)體。當(dāng)然，如 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，術(shù)語IV族半導(dǎo)體也包括IV-IV族半 導(dǎo)體。更具體地，基本半導(dǎo)體可以包括例如硅和鍺的至少一種。
每個(gè)能帶改變層50可以包括，例如，選自由氧、氮、氟和碳-氧構(gòu)成的組的非半導(dǎo)體。非半導(dǎo)體也希望是在下一層的淀積中熱穩(wěn)定 的，從而便于制造。在其他實(shí)施例中，非半導(dǎo)體可以是與給定的半'導(dǎo) 體工藝兼容的另 一無機(jī)或有機(jī)元素或化合物，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 將理解的。
應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語"單層"意指包括單個(gè)原子層，并且也指包括單個(gè) 分子層。還應(yīng)注意，由單個(gè)單層提供的能帶改變層50也意味著包括 其中不是所有可能的位點(diǎn)都被占據(jù)的單層。例如，特別參考圖3的原 子視圖，圖示了硅作為基本半導(dǎo)體材料、氧作為能帶改變材料的4/1 重復(fù)結(jié)構(gòu)。對于氧，僅僅一半的可能位點(diǎn)被占據(jù)。
如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，在其他實(shí)施例中，和/或?qū)τ诓煌牟牧?，將不一定是占?jù)一半這樣的情況。實(shí)際上，甚至在該示 意圖中也可以看出，給定的單層中的氧的單個(gè)原子并沒有沿平坦平面 精確地對準(zhǔn)，如原子淀積領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的。作為示例，優(yōu)選 的占據(jù)范圍從可能的氧位點(diǎn)的約八分之一至一半，在某些實(shí)施例中也 可以使用其他數(shù)量。
在常規(guī)半導(dǎo)體工藝中，當(dāng)前硅和氧被廣泛地使用，因此制造商將 能容易地使用在這里描述的這些材料。原子或單層淀積現(xiàn)在也被廣泛 地使用。由此，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，可以容易地采用和
實(shí)現(xiàn)結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的超晶格25的半導(dǎo)體器件。
申請人提出了以下理論，但不希望限制于此對于超晶格，如 Si/0超晶格，硅單層的數(shù)目應(yīng)該希望是七個(gè)或更少，以便超晶格的能 帶始終是公共的或是比較均勻的，以實(shí)現(xiàn)期望的優(yōu)點(diǎn)。在圖2和3中 示出的對于Si/O的4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被建模以指示在X方向上對于 電子和空穴的增強(qiáng)的遷移率。例如，對于電子計(jì)算的傳導(dǎo)有效質(zhì)量(對 于體硅是各向同性的)是0.26，以及對于X方向上的4/1 SiO超晶格， 它是0.12,導(dǎo)致0.46的比率。類似地，對于體硅，對空穴的計(jì)算得到 0.36的值，以及對于4/1 Si/O超晶格，得到0.16的值，導(dǎo)致0.44的 比率。
盡管在特定半導(dǎo)體器件中可能希望這種方向性優(yōu)選的特點(diǎn)，但是 其他器件可能受益于在平行于層組的任意方向中遷移率的更均勻的 增加。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，對于電子和空穴，或僅僅這 些類型的電荷載流子中的一種，具有增強(qiáng)的遷移率也可以是有益的。
用于超晶格25的4/1 Si/O實(shí)施例的較低的傳導(dǎo)有效質(zhì)量可以小 于其它情況下產(chǎn)生的傳導(dǎo)有效質(zhì)量三分之二，并且對于電子和空穴都 是如此。當(dāng)然，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員也將理解的，超晶格25在其 中還可以包括至少一種類型導(dǎo)電性的摻雜劑。例如，如果超晶格將提 供部分溝道，那么摻雜超晶格25的某些部分將可能是特別適合的。 在其他實(shí)施例中，優(yōu)選使超晶格25的一個(gè)或多個(gè)組層45基本上未被 摻雜。
15現(xiàn)在另外參考圖4，描述根據(jù)本發(fā)明具有不同特性的超晶格25， 的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，示出了 3/1/5/1的重復(fù)樣式。更具體地， 最低的基本半導(dǎo)體部分46a，具有三個(gè)單層，第二最低的基本半導(dǎo)體部 分46b，具有五個(gè)單層。該樣式重復(fù)貫穿超晶格25，始終。能帶改變層 50，每個(gè)可以包括一個(gè)單層。對于這種包括Si/0的超晶格25，，電荷載 流子遷移率的增強(qiáng)與各層的平面中的取向無關(guān)。沒有特別提及的圖4 中的其他元件類似于上面參考圖2論述的那些元件，在這里不再進(jìn)一 步論述。
在某些器件實(shí)施例中，超晶格25的所有的基本半導(dǎo)體部分 46a-46n可以具有相同數(shù)目的單層的厚度。在其他實(shí)施例中，至少一 些基本半導(dǎo)體部分46a-46n可以具有不同數(shù)目的單層的厚度。在其他 實(shí)施例中，所有的基本半導(dǎo)體部分46a-46n可以具有不同數(shù)目的單層 的厚度。
在圖5A-5C中，給出了使用密度泛函理論(DFT)計(jì)算的能帶 結(jié)構(gòu)。DFT會(huì)低估帶隙的絕對值是本領(lǐng)域眾所周知的。因此，可以通 過合適的"截取糾正"偏移間隙上面的所有能帶。但是，已知能帶的形 狀是更加可靠的。垂直能量軸應(yīng)該按此解釋。
圖5A示出了從對于體硅(由連續(xù)線表示)和對于圖1-3所示的 4/1 Si/0超晶格25 (由虛線表示)的伽馬點(diǎn)(G)計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu)。 這些方向表示4/1 Si/0結(jié)構(gòu)的單位晶胞(unit cell)，并不表示Si的 常規(guī)單位晶胞，盡管圖中的(001)方向確實(shí)對應(yīng)于Si的常規(guī)單位晶 胞的(001)方向，因此，示出了 Si導(dǎo)帶最小值的預(yù)期位置。圖中的 (100)和(010)方向?qū)?yīng)于常規(guī)Si單位晶胞的(110)和(-110) 方向。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，圖上的Si的能帶被折疊，以在用 于4/1 Si/O結(jié)構(gòu)的合適的倒晶格(reciprocal lattice )方向上表示它們。
能夠看出，4/1 Si/0結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最小值位于伽馬點(diǎn)處，與體硅(Si) 相反，而在(001)方向中的布里淵區(qū)的邊緣處(我們稱之為Z點(diǎn)) 出現(xiàn)價(jià)帶最小值。還可以注意到，由于由附加的氧層引入的微擾引起 的能帶分裂，4/1 Si/O結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最小值的曲率與用于Si的導(dǎo)帶最小
16值的曲率相比更大。
圖5B示出了從對于體硅(連續(xù)線)和對于4/1 Si/O超晶格25(虛 線)的Z點(diǎn)計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu)。該示了在(100)方向中價(jià)帶的 增加的曲率。
圖5C示出了從對于體硅(連續(xù)線)和對于圖4的超晶格25，的 5/1/3/1 Si/O結(jié)構(gòu)(虛線)的伽馬和Z點(diǎn)計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu)。由于5/1/3/1 Si/0結(jié)構(gòu)的對稱性，在(100)和(010)方向中計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)是等 效的。因此，預(yù)期傳導(dǎo)有效質(zhì)量和遷移率在平行于層的平面中，即， 垂直于(001)層疊方向，是各向同性的。注意，在5/1/3/1 Si/O例子 中，導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值兩者都在Z點(diǎn)或接近Z點(diǎn)。
盡管增加的曲率是降低了的有效質(zhì)量的表示，但是通過傳導(dǎo)倒數(shù) 有效質(zhì)量張量計(jì)算可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^和判定。這使申請人進(jìn)一步提 出一下理論5/1/3/1超晶格25，應(yīng)該是基本上直接帶隙。如所屬領(lǐng)域 的技術(shù)人員將理解的，用于光躍遷的合適的矩陣元是直接和間接帶隙 行為之間的區(qū)別的另 一種指示。
現(xiàn)在將另外參考圖6A-6E，描述用于制造MOSFET20的方法。 該方法從提供硅襯底21開始。作為示例，該襯底可以是具有<100>取 向的輕摻雜的P-型或N-型單晶硅的八英寸晶片21，但也可以使用其 他適合的村底。根據(jù)本例子，在襯底中形成溝槽60，以及在溝槽中形 成體注入或多個(gè)體注入29。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，在其他實(shí)施例中，可以 在形成溝槽60之前執(zhí)行體注入。
接下來，在溝槽60中形成超晶格25材料層。更具體地，利用原 子層淀積，在溝槽60中淀積超晶格25材料，并如上所述的在其上形 成外延硅帽蓋層52，以提供MOSFET 20的溝道層24，以及將表面 平坦化。
應(yīng)當(dāng)注意，在某些實(shí)施例中，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的， 可以有選擇地在希望的區(qū)域中淀積超晶格25材料，而不是跨整個(gè)襯 底21淀積。亦即，在某些實(shí)施例中，可以在襯底21的上表面上形成 超晶格，而無需溝槽60，并且可以與其橫向鄰近地外延形成源區(qū)/漏區(qū)22、 26和23、 27。此外，在所有實(shí)施例中可以不需要平坦化。
外延硅帽蓋層52可以具有優(yōu)選能夠防止在柵氧化物生長或任何 其他后續(xù)氧化過程中的溝道消耗的厚度。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所知 的，根據(jù)眾所周知的對于給定的氧化物生長消耗約45%的下面的硅的 關(guān)系，可以由此調(diào)整硅帽蓋層尺寸。
一旦超晶格25的形成完成，形成柵介質(zhì)層37和柵電極層36。 更具體地，淀積介質(zhì)材料，執(zhí)行多晶淀積、構(gòu)圖和刻蝕的步驟，以提 供圖6B所示的柵疊層。多晶淀積指在氧化物上硅的低壓化學(xué)氣相淀 積(LPCVD)(因此它形成多晶材料)。該步驟包括用P+或As-摻 雜，以使之導(dǎo)電，以及該層可以為例如約250 nm厚。
此外，該構(gòu)圖步驟可以包括執(zhí)行旋涂光致抗蝕劑、烘焙、曝光(即， 光刻步驟)以及顯影該抗蝕劑。通常，然后該圖形被轉(zhuǎn)移到另一層(氧 化物或氮化物)，在刻蝕步驟過程中其充當(dāng)蝕刻掩模。刻蝕步驟典型 地是等離子刻蝕(各向異性、干法刻蝕)，等離子刻蝕是材料選擇性 的(例如，與氧化物相比刻蝕硅快十倍)并將光刻圖形轉(zhuǎn)移到所關(guān)心 的材料。
盡管在所示的實(shí)施例中不需要超晶格25的刻蝕，但是在如上所 述的在襯底21的上表面上形成摻雜劑阻擋超晶格的那些實(shí)施例中， 可以使用已知的半導(dǎo)體工藝技術(shù)刻蝕超晶格25材料。但是，應(yīng)當(dāng)注 意，在超晶格25中存在非半導(dǎo)體，例如，氧，使用被制定用于氧化 物而不是硅的蝕刻劑可以更容易刻蝕超晶格。當(dāng)然，如所屬領(lǐng)域的技 術(shù)人員將理解的，對于給出的實(shí)施方式合適的刻蝕將基于用于超晶格 25和襯底21的結(jié)構(gòu)和材料而變。
在圖6C中，形成輕摻雜的源和漏("LDD")延伸22。使用n-型或p-型LDD注入、退火和清洗形成這些區(qū)域。在LDD注入之后可 以使用退火步驟，但是取決于特定的工藝，它可以被省略。清洗步驟 是一種化學(xué)刻蝕，以在淀積氧化物層之前去除金屬和有機(jī)物。
圖6D示出了側(cè)壁隔片40、 41和源區(qū)和漏區(qū)26、 27注入的形成。 為此目的，可以淀積Si()2掩模并回刻。n-型或p-型離子注入用來形成
18源區(qū)和漏區(qū)26， 27，這取決于給出的實(shí)施方式。然后該結(jié)構(gòu)被退火和 清洗。然后可以執(zhí)行自對準(zhǔn)硅化物形成，以形成硅化物層30、 31和 34，以及形成源/漏接觸32, 33,以提供圖1所示的最終半導(dǎo)體器件 20。該硅化物形成亦稱為硅化。硅化工藝包括金屬淀積(例如，Ti)、 氮退火、金屬刻蝕以及二次退火。
當(dāng)然，上文不過是其中可以使用本發(fā)明的工藝和器件的一個(gè)例 子，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將理解其在許多其他工藝和器件中的應(yīng)用和使 用。在其他工藝和器件中，可以在部分晶片上或基本上跨全部晶片形 成本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。此外，在某些實(shí)施例中對于形成超晶格25，也可以 不需要使用原子層淀積工具。例如，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的， 可以使用CVD工具形成單層，工藝條件與單層的控制相容。例如， 在上述美國申請10/467,069中可以發(fā)現(xiàn)與根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的 制造有關(guān)的更多細(xì)節(jié)。
受益于上述說明和相關(guān)附圖中給出教導(dǎo)，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將 想到本發(fā)明的許多改進(jìn)及其他實(shí)施例。因此，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于 公開的特定實(shí)施例，并且許多的修改和實(shí)施例都被包括在所附權(quán)利要 求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體器件，包括至少一個(gè)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，其包括，本體，鄰近所述本體的溝道層，以及摻雜劑阻擋超晶格，其在所述本體和所述溝道層之間并包括多個(gè)層疊的層組，所述摻雜劑阻擋超晶格的每個(gè)層組包括限定基本半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊的基本半導(dǎo)體單層、和被約束在相鄰基本半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。
2. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述本體在其中具有至少一 個(gè)摻雜區(qū)。
3. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述本體具有大于約lxl018 cn^的摻雜劑濃度。
4. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述溝道層基本上不被摻雜。
5. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述溝道層具有小于約 lxlO"cnT3的摻雜劑濃度。
6. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述摻雜劑阻擋超晶格的 至少一個(gè)層組基本上不被摻雜。
7. 如權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述基本半導(dǎo)體包括硅。
8. 如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層包括氧。
9. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個(gè)非半導(dǎo)體單 層包括從主要由氧、氮、氟和碳-氧組成的組中選擇的非半導(dǎo)體。
10. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括位于所述溝道層上的柵極。
11. 如權(quán)利要求10的半導(dǎo)體器件，還包括與所述溝道層橫向鄰 近的源區(qū)和漏區(qū)。
12. 如權(quán)利要求10的半導(dǎo)體器件，其中所述柵極包括鄰近所述 半導(dǎo)體溝道層的柵絕緣層以及鄰近所述柵絕緣層的柵電極。
13. 如權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個(gè)非半導(dǎo)體單 層具有單個(gè)單層的厚度。
14. 如權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述基本半導(dǎo)體部分具有 小于八個(gè)單層的厚度。
15. 如權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所有所迷基本半導(dǎo)體部分 具有相同數(shù)目的單層的厚度。
16. 如權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中至少一些所述基本半導(dǎo)體 部分具有不同數(shù)目的單層的厚度。
17. 如權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述超晶格的相鄰層組中 的相對的基本半導(dǎo)體單層被化學(xué)地鍵合在一起。
18. —種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括 通過以下步驟形成至少一個(gè)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET):形成本體，形成鄰近本體的摻雜劑阻擋超晶格，該摻雜劑阻擋超晶格 包括多個(gè)層疊的層組，所述摻雜劑阻擋超晶格的每個(gè)層組包括限 定基本半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊的基本半導(dǎo)體單層、和被約束在相 鄰基本半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層，以及形成鄰近該摻雜劑阻擋超晶格并與本體相反的溝道層。
19. 如權(quán)利要求18的方法，其中該本體在其中具有至少一個(gè)摻雜區(qū)。
20. 如權(quán)利要求18的方法，其中該本體具有大于約lxl018 cnT3 的摻雜劑濃度。
21. 如權(quán)利要求18的方法，其中該溝道層基本上不被摻雜。
22. 如權(quán)利要求18的方法，其中該溝道層具有小于約lxl015cnT3 的摻雜劑濃度。
23. 如權(quán)利要求18的方法，其中該摻雜劑阻擋超晶格的至少一 個(gè)層組基本上不被摻雜。
24. 如權(quán)利要求18的方法，其中該基本半導(dǎo)體包括硅。
25. 如權(quán)利要求24的方法，其中該至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層包括氧。
26. 如權(quán)利要求18的方法，其中該至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層包括 從主要由氧、氮、氟和碳-氧組成的組中選擇的非半導(dǎo)體。
27. 如權(quán)利要求18的方法，還包括形成位于該溝道層上的柵極。
28. 如權(quán)利要求27的方法，還包括形成橫向鄰近該溝道層的源 區(qū)和漏區(qū)。
29. 如權(quán)利要求27的方法，其中形成柵極包括形成鄰近半導(dǎo) 體溝道層的柵絕緣層，以及鄰近該柵絕緣層并與溝道層相反的柵電 極。
30. 如權(quán)利要求18的方法， 單個(gè)單層的厚度。
31. 如權(quán)利要求18的方法, 個(gè)單層的厚度。
32. 如權(quán)利要求18的方法， 有相同數(shù)目的單層的厚度。
33. 如權(quán)利要求18的方法， 具有不同數(shù)目的單層的厚度。其中該至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層具有 其中該基本半導(dǎo)體部分具有小于八 其中所有的所述基本半導(dǎo)體部分具 其中至少一些所述基本半導(dǎo)體部分
34.如權(quán)利要求18的方法，其中該超晶格的相鄰層組中的相對 的基本半導(dǎo)體單層被化學(xué)地鍵合在一起。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，可以包括至少一個(gè)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。該至少一個(gè)MOSFET可以包括本體、鄰近本體的溝道層、以及在本體和溝道層之間的摻雜劑阻擋超晶格。該摻雜劑阻擋超晶格可以包括多個(gè)層疊的層組。摻雜劑阻擋超晶格的每個(gè)層組可以包括限定基本半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊的基本半導(dǎo)體單層，以及被約束在相鄰的基本半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。
文檔編號H01L29/10GK101467259SQ200780021569
公開日2009年6月24日 申請日期2007年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月1日
發(fā)明者M·伊薩, R·J·史蒂芬森 申請人:梅爾斯科技公司