本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，具體地，涉及一種具有作為溝道區(qū)域的鍺層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。

背景技術(shù)：

鍺(ge)是比硅(si)具有更好的電子學(xué)性質(zhì)的半導(dǎo)體。例如，通過將鍺層用作溝道區(qū)域，已開發(fā)了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet、)。專利文獻(xiàn)1描述了在還原氣體氣氛或惰性氣體氣氛中對(duì)鍺層進(jìn)行熱處理。

現(xiàn)有文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：國(guó)際公布號(hào)no.2014/050187

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題

在mosfet中，可以通過例如增加溝道遷移率來增加導(dǎo)通態(tài)電流。此外，可以通過例如減小源極區(qū)域和漏極區(qū)域中的結(jié)電流來減小截止態(tài)電流。然而，難以在減小截止態(tài)電流的同時(shí)增加導(dǎo)通態(tài)電流。因此，難以增加導(dǎo)通態(tài)電流與截止態(tài)電流的比(所謂的導(dǎo)通/截止(on/off)比)。

本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，其目的在于提供一種能夠增加導(dǎo)通態(tài)電流與截止態(tài)電流的比的半導(dǎo)體器件及其制造方法。

解決問題的手段

本發(fā)明是一種半導(dǎo)體器件，其特征在于包括：溝道區(qū)域，形成在鍺層中并具有第一導(dǎo)電類型；以及源極區(qū)域和漏極區(qū)域，形成在鍺層中并具有不同于第一導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型，其中溝道區(qū)域中的氧濃度小于結(jié)界面中的氧濃度，所述結(jié)界面在源極區(qū)域和漏極區(qū)域的至少一個(gè)與圍繞源極區(qū)域和漏極區(qū)域的至少一個(gè)并具有第一導(dǎo)電類型的區(qū)域之間。

在上述構(gòu)造中，溝道區(qū)域中的氧濃度可以被配置為1×10¹⁶cm^-3或更小，且結(jié)界面中的氧濃度可以被配置為大于1×10¹⁶cm^-3。

在上述構(gòu)造中，溝道區(qū)域中的氧濃度可以被配置為5×10¹⁵cm^-3或更小。

在上述構(gòu)造中，第一導(dǎo)電類型可以被配置為p型，且第二導(dǎo)電類型可以被配置為n型。

本發(fā)明是一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法的特征在于包括：形成溝道區(qū)域，所述溝道區(qū)域形成在鍺層中并具有第一導(dǎo)電類型；在鍺層中形成源極區(qū)域和漏極區(qū)域，所述源極區(qū)域和漏極區(qū)域具有不同于第一導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型；以及設(shè)置氧濃度，使得溝道區(qū)域中的氧濃度小于結(jié)界面中的氧濃度，所述結(jié)界面在源極區(qū)域和漏極區(qū)域的至少一個(gè)與圍繞源極區(qū)域和漏極區(qū)域的至少一個(gè)并具有第一導(dǎo)電類型的區(qū)域之間。

在上述構(gòu)造中，設(shè)置氧濃度可以被配置為包括在還原氣氛中對(duì)鍺層進(jìn)行熱處理，同時(shí)暴露在鍺層中要作為溝道區(qū)域的區(qū)域，并且不暴露要作為結(jié)界面的區(qū)域上的鍺層的表面。

在上述構(gòu)造中，熱處理可以被配置為包括對(duì)以下鍺層進(jìn)行熱處理：在其中的溝道區(qū)域和結(jié)界面中的氧濃度為1×10¹⁶cm^-3或更大。

在上述構(gòu)造中，所述方法可以被配置為進(jìn)一步包括：在熱處理之前將氧引入到要作為溝道區(qū)域的區(qū)域和要作為結(jié)界面的區(qū)域中。

在上述構(gòu)造中，設(shè)置氧濃度可以被配置為包括選擇性地將氧引入到要作為結(jié)界面的區(qū)域中，而不將氧引入到要作為溝道區(qū)域的區(qū)域中。

在上述構(gòu)造中，設(shè)置氧濃度可以被配置為包括設(shè)置氧濃度，使得溝道區(qū)域中的氧濃度變?yōu)?×10¹⁶cm^-3或更少，且結(jié)界面中的氧濃度變?yōu)榇笥?×10¹⁶cm^-3。

本發(fā)明的效果

本發(fā)明可以提供一種能夠增加導(dǎo)通態(tài)電流與截止態(tài)電流的比的半導(dǎo)體器件。

附圖說明

圖1(a)至圖1(d)是示出了用于制造實(shí)驗(yàn)所用的mos結(jié)構(gòu)的方法的橫截面視圖；

圖2是在襯底a和b中的電子遷移率μeff相對(duì)于表面電子密度ns的曲線圖；

圖3(a)和圖3(b)分別是襯底a和b中的n-fet的源極電流is和漏極電流id相對(duì)于柵極電壓vg的曲線圖；

圖4是襯底b中的氧濃度相對(duì)于深度的曲線圖；

圖5(a)和圖5(b)是襯底b受到氫熱處理的樣品的遷移率μeff相對(duì)于表面密度ns的曲線圖；

圖6(a)和圖6(b)是襯底b受到氫熱處理的樣品的漏極電流id相對(duì)于柵極電壓vg的曲線圖；

圖7是將氧離子離子注入到襯底a中的樣品的電子遷移率μeff相對(duì)于表面電子密度ns的曲線圖；

圖8是將氧離子離子注入到襯底a中的樣品的氧濃度相對(duì)于距表面的深度的曲線圖；

圖9(a)至圖9(d)是示出了用于制造用于評(píng)估結(jié)電流的樣品的方法的橫截面視圖；

圖10是將氧離子注入到襯底a中的樣品和不將氧離子注入到襯底a中的樣品的氧濃度相對(duì)于距表面的深度的曲線圖。

圖11(a)是使用襯底a的fet的結(jié)電流相對(duì)于結(jié)電壓的曲線圖，圖11(b)示出了反向電流；

圖12是使用襯底a的fet的截止漏電流相對(duì)于熱處理溫度的曲線圖；

圖13示出了使用其中注入氧離子的襯底a的fet的結(jié)電流的溫度依賴性；

圖14是根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的橫截面視圖；

圖15(a)至圖15(d)是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的用于制造fet的方法的橫截面視圖；

圖16(a)至圖16(c)是示出了根據(jù)第三實(shí)施例的用于制造fet的方法的橫截面視圖；

圖17(a)至圖17(c)是示出了根據(jù)第四實(shí)施例的用于制造fet的方法的橫截面視圖；

圖18是根據(jù)第五實(shí)施例的制造的fet的橫截面視圖；

圖19是第五實(shí)施例中的源極電流is和漏極電流id相對(duì)于柵極電壓vg的曲線圖；以及

圖20是第五實(shí)施例中的電子遷移率μeff相對(duì)于表面電子密度ns的曲線圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將描述引導(dǎo)發(fā)明人到本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)。

將通過不同生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)的襯底a和襯底b用作單晶鍺襯底來制造mos結(jié)構(gòu)。圖1(a)至圖1(d)是示出了用于制造實(shí)驗(yàn)所用的mos結(jié)構(gòu)的方法的橫截面視圖。如圖1(a)所示，制備將(111)平面作為主平面的單晶鍺襯底10。當(dāng)鍺襯底10為p型時(shí)，受主濃度na是2×10¹⁶cm^-3。當(dāng)鍺襯底10為n型時(shí)，施主濃度nd是1×10¹⁶cm^-3。

如圖1(b)所示，在鍺襯底10上形成氧化鍺膜12。通過在氧氣氣氛中對(duì)鍺襯底10進(jìn)行熱處理，來形成氧化鍺膜12。在氧氣壓力為70個(gè)大氣壓、襯底溫度為500℃下形成氧化鍺膜12。氧化鍺膜12的膜厚度約為5至6nm。如圖1(c)所示，在氧化鍺膜12的表面上形成作為柵電極14的金屬膜。柵電極14由金(au)膜形成。上述工藝完成了用于測(cè)量遷移率的樣本。

對(duì)于所制造的樣品，通過分割cv法(splitcvmethod)來測(cè)量室溫下的載流子數(shù)和遷移率μeff。分割cv法是根據(jù)cv測(cè)量的積分來計(jì)算載流子數(shù)并根據(jù)載流子數(shù)和i-v測(cè)量來計(jì)算遷移率的方法。根據(jù)載流子數(shù)來計(jì)算表面載流子密度ns。

當(dāng)制造fet時(shí)，如圖1(d)所示，在鍺襯底10中形成源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18。通過離子注入法形成源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18。在n-fet中，鍺襯底10是p型，且源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18是n型。在p-fet中，鍺襯底10是n型，且源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18是p型。此后，當(dāng)活化退火時(shí)，在氮?dú)鈿夥罩袑?duì)鍺襯底10進(jìn)行熱處理。源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18具有與圍繞源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18的區(qū)域的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型，因此，形成了pn結(jié)。

在n-fet中，磷(p)被離子注入，以形成源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18。磷(p)以50kev的注入能量和1×10¹⁵cm^-2的注入劑量進(jìn)行離子注入。在n-fet中，硼(b)被離子注入，以形成源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18。硼(b)以20kev的注入能量和1×10¹⁵cm^-2的注入劑量進(jìn)行離子注入。

在鍺襯底10上形成氧化鍺膜12，作為圖1(b)所示的柵極絕緣膜。柵電極14形成在氧化鍺膜12上。柵電極14由鋁(al)膜形成。絕緣膜24形成在鍺襯底10上。絕緣膜24由從鍺襯底10側(cè)依次堆疊的氧化釔膜和氧化硅膜形成。在源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18上的絕緣膜24中形成孔。將源電極26形成為通過所述孔與源極區(qū)域16相接觸，并且將漏電極28形成為通過所述孔與漏極區(qū)域18相接觸。源電極26和漏電極28由鋁膜形成。

對(duì)于所制造的fet樣品，在室溫下相對(duì)于柵極電壓vg測(cè)量源極電流is和漏極電流id。

圖2是在襯底a和b中的電子遷移率μeff相對(duì)于表面電子密度ns的曲線圖。如圖2所示，襯底a的電子遷移率μeff在ns的約0.2×10¹²cm^-2處到達(dá)最大值，大約為1700cm²/vs。襯底b的電子遷移率μeff的在ns的約1×10¹²cm^-2處到達(dá)最大值，大約為300cm²/vs。在所有ns處，襯底a的遷移率μeff高于襯底b的遷移率μeff。如上所述的襯底a和b之間的遷移率不同的原因是未知的。

圖3(a)和圖3(b)分別是襯底a和b中的n-fet的源極電流is和漏極電流id相對(duì)于柵極電壓vg的曲線圖。用襯底a制造的n-fet的柵極長(zhǎng)度l為400μm，且柵極寬度w為90μm，而用襯底b制造的n-fet的柵極長(zhǎng)度l為100μm，且柵極寬度w為120μm。源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18的尺寸為130×100μm²。在500℃的溫度下執(zhí)行10分鐘的活化退火。

如圖3(a)和圖3(b)所示，襯底a和b兩者中的夾斷電壓(pinch-offvoltage)約為-1v。在柵極電壓vg為正的區(qū)域內(nèi)的源極電流is和漏極電流id對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通態(tài)電流。在柵極電壓vg為-1v或更小的區(qū)域內(nèi)的源極電流is和漏極電流id對(duì)應(yīng)于截止態(tài)電流。具有較大導(dǎo)通態(tài)電流和較小截止態(tài)電流的fet具有更好的性能。

襯底a中的導(dǎo)通態(tài)電流大于襯底b中的導(dǎo)通態(tài)電流。這是因?yàn)槿鐖D2所示，襯底a中的遷移率高于襯底b中的遷移率。另一方面，襯底b中的截止態(tài)電流小于襯底a中的截止態(tài)電流。這被認(rèn)為是由于襯底b中的pn結(jié)的漏電流小于襯底a中的pn結(jié)的漏電流。對(duì)于導(dǎo)通態(tài)電流而言，襯底a是更理想的，而對(duì)于截止態(tài)電流而言，襯底b是更理想的。如果可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通態(tài)電流大致等于襯底a中的導(dǎo)通態(tài)電流且截止態(tài)電流大致等于襯底b中的截止態(tài)電流，則fet特性得以改善。本發(fā)明人研究了襯底a和b之間的導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流不同的原因。

對(duì)襯底a和b進(jìn)行二次離子質(zhì)譜(sims)分析。圖4是襯底b中的氧濃度相對(duì)于深度的曲線圖。在圖1(a)之后且在圖l(b)之前，在暴露襯底b的表面的同時(shí)在大氣壓下的氫氣(100％)氣氛中執(zhí)行熱處理。熱處理溫度為700℃和850℃，熱處理時(shí)間為15分鐘。在圖4中，黑色方塊表示在襯底b受到氫熱處理之前的sims分析的結(jié)果，黑色三角形表示在700℃的氫熱處理后的sims分析的結(jié)果，且黑色圓圈表示在850℃的氫熱處理后的sims分析的結(jié)果。氧氣的檢測(cè)極限約為1×10¹⁵cm^-3。在深度小于約0.3至0.4μm的區(qū)域中，氧濃度極高。這是由于觀察到被吸附在鍺襯底的表面上的氧。

如圖4所示，在氫熱處理之前的襯底b中，氧濃度為1×10¹⁶cm^-3或更大，至少直到距該表面的深度達(dá)到5μm為止。另一方面，襯底a中的氧濃度等于或小于檢測(cè)極限。如上所述，襯底b的氧濃度高于襯底a。從這個(gè)事實(shí)來看，估計(jì)襯底b中的低的遷移率和低的結(jié)漏電流由于某種原因與鍺襯底10中的氧濃度有關(guān)。

當(dāng)在700℃下對(duì)襯底b進(jìn)行氫熱處理時(shí)，襯底b中的氧濃度降低到1×10¹⁶cm^-3或更小。在1.5μm或更小的深度下，氧濃度約為5×10¹⁵cm^-3或更小，且在1μm或更小的深度下，氧濃度約為3×10¹⁵至4×10¹⁵cm^-3。當(dāng)在850℃下對(duì)襯底b進(jìn)行熱處理時(shí)，氧濃度進(jìn)一步降低。在4μm或更小的深度下，氧濃度約為5×10¹⁵cm^-3或更小。在1.5μm或更小的深度下，氧濃度約為2×10¹⁵cm^-3。如上所述，隨著氫熱處理的溫度升高，襯底10中的氧濃度降低。

對(duì)于襯底b，制造在各種熱處理溫度下進(jìn)行氫熱處理的樣品，以測(cè)量遷移率。樣品的制造工藝與圖1(a)至圖1(c)所示的制造工藝相同，除了在圖1(b)的工藝之前在氫氣氣氛中執(zhí)行15分鐘的熱處理。

圖5(a)和圖5(b)是襯底b受到氫熱處理的樣品的遷移率μeff相對(duì)于表面密度ns的曲線圖。圖5(a)的襯底b是p型，表面密度ns表示表面電子密度，且遷移率μeff表示電子遷移率。圖5(b)的襯底b是n型，表面密度ns表示表面空穴密度，且遷移率μeff表示空穴遷移率。氫熱處理溫度為650℃(空心正方形)、700℃(空心三角形)和850℃(空心圓圈)，且熱處理時(shí)間為15分鐘。參考樣品(黑色圓圈)未被熱處理，氧化鍺膜的膜厚為15nm，且氧化鍺膜的成膜溫度高于其它樣品的成膜溫度。

如圖5(a)所示，在參考樣品中，最大的電子遷移率μeff約為300cm²/vs。當(dāng)將熱處理溫度設(shè)置為650℃時(shí)，最大遷移率μeff改善為約600cm²/vs。當(dāng)將熱處理溫度設(shè)置為700℃時(shí)，最大遷移率μeff進(jìn)一步改善為約800cm²/vs。當(dāng)將熱處理溫度設(shè)置為850℃時(shí)，最大遷移率μeff變?yōu)榧s1200cm²/vs，與襯底a的遷移率大致相同。

如圖5(b)所示，在每個(gè)樣品中，最大空穴遷移率μeff為500至700cm²/vs。隨著熱處理溫度升高，最大空穴遷移率增加。通過氫熱處理對(duì)空穴遷移率的改善不如對(duì)電子遷移率的改善那么明顯。

對(duì)于襯底b，制造在各種熱處理溫度下進(jìn)行氫熱處理的fet樣品。樣品的制造工藝與圖1(a)至圖1(d)所示的制造工藝相同，除了在圖1(b)的工藝之前在氫氣氣氛中執(zhí)行15分鐘的熱處理。所制造的fet的柵極長(zhǎng)度l為200μm，且柵極寬度w為90μm。源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18的尺寸為130×100μm²。

圖6(a)和圖6(b)是襯底b受到氫熱處理的樣品的漏極電流id相對(duì)于柵極電壓vg的曲線圖。圖6(a)呈現(xiàn)了n-fet，且圖6(b)呈現(xiàn)了p-fet。漏極電壓vd為0.5v。如圖6(a)所示，在n-fet中，當(dāng)執(zhí)行氫熱處理時(shí)，導(dǎo)通態(tài)電流(在vg約為2v下的id)變得大于參考樣品的導(dǎo)通態(tài)電流。然而，截止態(tài)電流(在vg約為-1v下的id)也變得更大。如上所述，氫熱處理使得fet特性變得與圖3(b)所示的襯底a的特性相同。如圖6(b)所示，在p-fet中，難以觀察到由于氫熱處理引起的fet特性的變化。

如上所述，氫熱處理增加了導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流。這被認(rèn)為是由于氫熱處理改善了遷移率并增加了結(jié)漏電流。與p-fet相比，氫熱處理影響n-fet。

圖4與圖5(a)和圖5(b)之間的比較表明隨著氫熱處理的溫度升高，襯底b中的氧濃度降低，且電子遷移率和空穴遷移率得到改善。當(dāng)氫熱處理的溫度為850℃時(shí)，襯底b中的氧濃度變?yōu)榧s2×10¹⁵cm^-3，且電子遷移率變?yōu)榕c圖2所示的襯底a的電子遷移率相同。這表明鍺襯底10中的氧濃度與遷移率相關(guān)。特別是在氧濃度和電子遷移率之間存在相關(guān)性。為了改善遷移率，熱處理溫度優(yōu)選為750℃或更大；更優(yōu)選地，為800℃或更大；進(jìn)一步優(yōu)選地，為850℃或更大。由于鍺的熔點(diǎn)約為938℃，所以熱處理溫度優(yōu)選為925℃或更小，更優(yōu)選地，為900℃或更小。

圖4與圖6(a)和圖6(b)之間的比較表明隨著氫熱處理的溫度升高和襯底b中的氧濃度降低，導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流增大。當(dāng)氫熱處理的溫度為850℃時(shí)，導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流變得與圖3(a)所示的襯底a的導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流相同。導(dǎo)通態(tài)電流增加的原因是由于遷移率得到改善，且截止態(tài)電流增加的原因是由于結(jié)漏電流增大。這表明鍺襯底10中的氧濃度與導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流之間存在相關(guān)性。特別是在氧濃度和n-fet的特性之間存在相關(guān)性。

在襯底b中，盡管不知道為什么隨著氫熱處理的熱處理溫度升高，氧濃度降低，但是可以認(rèn)為例如通過還原氣體去除了鍺襯底10中的氧氣。

為了確認(rèn)由氫熱處理降低了鍺襯底中的氧濃度，將氧離子離子注入到襯底a的鍺襯底10中，然后執(zhí)行熱處理。在熱處理氣氛為氮?dú)鈿夥障轮圃炝藰悠罚⒃跓崽幚須夥諡闅錃鈿夥障轮圃炝藰悠?。除了離子注入和熱處理之外，制造工藝與圖1(a)至圖1(c)所示的工藝相同。在圖1(a)的狀態(tài)下，以100kev的注入能量和1×10¹³cm^-2的注入劑量將氧離子注入到鍺襯底10中。然后，為了通過離子注入修復(fù)損傷，使用氧化硅膜作為蓋層執(zhí)行在750℃的氮?dú)夥罩械臒崽幚?。然后，去除蓋層，并在暴露鍺襯底10的表面的同時(shí)執(zhí)行在氮?dú)鈿夥栈驓錃鈿夥罩械臒崽幚?。熱處理中的熱處理溫度?00℃，且熱處理時(shí)間為15分鐘。然后，執(zhí)行圖1(b)和圖1(c)的工藝。

圖7是將氧離子離子注入到襯底a中的樣品的電子遷移率μeff相對(duì)于表面電子密度ns的曲線圖。在參考樣品中，并未進(jìn)行氧離子注入，并且沒有執(zhí)行熱處理。如圖7所示，在參考樣品中，最大的遷移率約為1200cm²/vs。在氧離子注入之后在氮?dú)鈿夥罩惺艿綗崽幚淼臉悠分?，最大遷移率約為500cm²/vs。相反，在氧離子注入之后在氫氣氣氛中受到熱處理的樣品中，最大遷移率約為800cm²/vs。如上所述，當(dāng)注入氧離子時(shí)，遷移率降低。氧離子注入后的氮熱處理對(duì)遷移率的改善較差，但是氫熱處理改善了遷移率。

對(duì)在700℃下受到氫熱處理的樣品進(jìn)行sims分析。圖8是將氧離子離子注入到襯底a中的樣品中的氧濃度相對(duì)于距表面的深度的曲線圖。實(shí)線表示氫熱處理之前的參考樣品的sims分析結(jié)果，短劃線表示在700℃的氫熱處理之后的樣品的sims分析結(jié)果，且點(diǎn)線表示離子注入的氧離子的計(jì)算結(jié)果。在深度小于150nm的區(qū)域中，觀察到被吸附在鍺襯底表面上的氧。由于測(cè)量速度不同，所以在深度淺的區(qū)域中的檢測(cè)極限和行為與圖4中的那些不同。

如圖8所示，在參考樣品中，注入氧離子之前的襯底a中的氧濃度約為8×10¹⁵cm^-3，其為檢測(cè)極限。氧離子被離子注入到鍺襯底10中，使得氧濃度在約150nm的深度處達(dá)到5×10¹⁷cm^-3的峰值，如由點(diǎn)線所示計(jì)算結(jié)果所呈現(xiàn)的。

由于在700℃下進(jìn)行氫熱處理，在150至600nm的深度處，氧濃度高達(dá)3×10¹⁶cm^-3。在600nm或更大的深度處，氧濃度為檢測(cè)極限。圖8揭示了通過對(duì)注入氧的鍺襯底10進(jìn)行氫熱處理，來降低鍺襯底10中的氧濃度。如圖7所示，通過氫熱處理比通過氮熱處理更多地增大遷移率。因此，認(rèn)為氫熱處理去除襯底10中的氧并改善遷移率。

從圖4至圖8所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)在約700℃或更大溫度下在還原氣體氣氛中對(duì)襯底b進(jìn)行熱處理時(shí)，去除襯底b內(nèi)的氧，從而氧濃度降低。襯底b中的氧濃度的降低使襯底b的遷移率大致等于如圖5(a)所示的襯底a的遷移率。如圖6(a)所示，襯底b中的導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流大致等于襯底a中的導(dǎo)通態(tài)電流和截止態(tài)電流。因此，認(rèn)為襯底中的氧濃度與襯底a和b之間的遷移率和結(jié)漏電流中的差異相關(guān)。

為了檢查鍺襯底中的氧濃度與結(jié)漏電流之間的關(guān)系，在注入氧離子的襯底a中形成pn結(jié)，以評(píng)估結(jié)電流和fet特性。

圖9(a)至圖9(c)是示出了用于制造用于評(píng)估結(jié)電流的樣品的方法的橫截面視圖。如圖9(a)所示，將氧離子注入到將(111)平面作為主平面的p型單晶鍺襯底10中，以形成氧離子注入?yún)^(qū)域20。氧離子以100kev的注入能量和1×10¹³cm^-3的注入劑量進(jìn)行注入。在注入氧離子之后，為了修復(fù)損傷，將氧化硅膜形成為蓋層，且在750℃下執(zhí)行在氮?dú)鈿夥罩械臒崽幚怼Ｔ摴に囆纬缮疃燃s為300nm的氧離子注入?yún)^(qū)域20。

如圖9b所示，在氧離子注入?yún)^(qū)域20中形成n型區(qū)域22。通過離子注入磷離子來形成n型區(qū)域22。磷離子以30kev的注入能量和1×10¹³cm^-2或1×10¹⁴cm^-2的注入劑量進(jìn)行注入。在離子注入之后，當(dāng)活化退火時(shí)，在600℃下，在氮?dú)鈿夥罩袌?zhí)行30秒的熱處理。該工藝形成深度約為50nm的n型區(qū)域22。n型區(qū)域22的尺寸為80×80μm²。

如圖9(c)所示，絕緣膜24形成在鍺襯底10中的氧離子注入?yún)^(qū)域20上。絕緣膜24由從襯底10側(cè)依次堆疊的氧化釔膜和氧化硅膜形成。在n型區(qū)域22上的絕緣膜24中形成孔。形成通過所述孔與n型區(qū)域22相接觸的源電極26和漏電極28。源電極26和漏電極28由鋁膜形成。

圖9(d)是用于評(píng)估fet特性的樣品的橫截面視圖。如圖9(d)所示，氧離子注入的區(qū)域20形成在如圖9(a)中的鍺襯底10中。將圖9(c)的n型區(qū)域22形成為源極區(qū)域16和漏極區(qū)域18。其他結(jié)構(gòu)與圖1(d)的結(jié)構(gòu)相同，因此省略其描述。

對(duì)以1×10¹³cm^-3的劑量將氧離子注入到襯底a中的樣品以及未注入氧的樣品進(jìn)行sims分析。圖10是將氧離子注入到襯底a中的樣品和未注入氧的樣品中的氧濃度相對(duì)于距表面的深度的曲線圖。如圖10所示，沒有注入氧的樣品中的氧濃度大約等于測(cè)量極限(1×10¹⁵cm^-3)。在注入氧的樣品中，在深度約250nm處的氧濃度約為5×1017cm^-3。

圖11(a)是使用襯底a的fet的結(jié)電流相對(duì)于結(jié)電壓的曲線圖，圖11(b)示出了反向電流。呈現(xiàn)了沒有離子注入氧的樣品(劑量為0的樣品)、氧劑量為1×10¹³cm^-2的樣品以及氧劑量為1×10¹⁴cm^-2的樣品的結(jié)電流的測(cè)量結(jié)果。如圖11(a)所示，在注入氧的樣品中的反向結(jié)電流比沒有注入氧的樣品中的反向結(jié)電流小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。如圖11(b)所示，在注入氧的樣品中的反向擊穿電壓vbv大于沒有注入氧的樣品中的反向擊穿電壓vbv。

圖12是使用襯底a的fet的截止漏電流相對(duì)于熱處理溫度的曲線圖。熱處理溫度是用于在圖9b中的磷注入之后的活化退火的熱處理溫度。截止漏電流是fet樣品中柵極電壓為-1v處的漏極電流。如圖12所示，在注入氧的樣品中的反向漏電流比沒有注入氧的樣品中的反向漏電流小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

如上所述，在離子注入氧的樣品中的結(jié)電流比沒有離子注入氧的樣品中的結(jié)電流小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，離子注入氧的樣品中的擊穿電壓比沒有離子注入氧的樣品中的擊穿電壓大，且離子注入氧的樣品中的截止漏電流比沒有離子注入氧的樣品中的截止漏電流小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖13示出了使用其中注入氧離子的襯底a的fet的結(jié)電流的溫度依賴性。所測(cè)量的樣品是氧氣劑量為1×10¹⁵cm^-2的樣品。在600℃下執(zhí)行30秒的活化退火。將所測(cè)量的溫度設(shè)置為300k、250k、200k和15ok，并測(cè)量結(jié)電流。如圖13所示，隨著溫度降低，反向結(jié)電流減小到足以改變?nèi)舾晌粩?shù)(thenumberofdigits)。這表明反向結(jié)電流不僅僅是由隧道電流引起的。

認(rèn)為當(dāng)將缺陷引入到半導(dǎo)體中時(shí)，產(chǎn)生了通過缺陷的隧道電流并且反向結(jié)漏電流增加。然而，如圖11(a)和圖11(b)所示，已經(jīng)揭示了由于與鍺襯底10中的氧相關(guān)的缺陷增加，所以這種漏電流減小。因此，反向擊穿電壓增加。此外，截止態(tài)電流減小。這個(gè)原因是不清楚的。圖13示出了反向結(jié)電流不是隧道電流并具有活化能。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，描述了導(dǎo)通態(tài)電流大且截止態(tài)電流小的實(shí)施例。

第一實(shí)施例

圖14是根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的橫截面視圖。如圖14所示，源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38形成在鍺層30中。在源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38之間的鍺層30上形成柵極絕緣膜32。在柵極絕緣膜32上形成柵電極34。除了柵電極34之外，在鍺層30上形成絕緣膜40。在源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38上的絕緣膜40中形成孔。將源電極42形成為通過所述孔與源極區(qū)域36相接觸，并且將漏電極44形成為通過所述孔與漏極區(qū)域38相接觸。

在柵極絕緣膜32下方的鍺層30中的柵電極34和溝道區(qū)域50的導(dǎo)電類型與源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38的導(dǎo)電類型不同。源極區(qū)域36和鍺層30形成pn結(jié)，且漏極區(qū)域38和鍺層30形成pn結(jié)。在溝道區(qū)域中形成氧濃度低的低氧濃度區(qū)域48。在pn結(jié)界面52中，形成高氧濃度區(qū)域46，其中所述高氧濃度區(qū)域中的氧濃度高于低氧濃度區(qū)域48中的氧濃度。

鍺層30可以是形成在襯底(例如，硅襯底)上的單晶鍺襯底、單晶或多晶鍺膜。例如，鍺層30由n型或p型鍺制成。此外，鍺層30可以含有硅，只要能夠獲得上述實(shí)驗(yàn)效果即可。要求硅的組成比大約為總量的10％或更少。鍺層30的主平面可以是任何平面，且例如可以是(100)平面、(111)平面或(110)平面。(100)平面、(111)平面或(110)平面包括與這些平面等同的晶面。此外，主平面可以從這些平面偏離若干度。也就是說，主平面的法線方向可以從<111>方向和<110>方向傾斜若干度，優(yōu)選為，一度或更少。

柵極絕緣膜32可以是氧化鍺膜、高介電常數(shù)絕緣膜或氧化鍺膜和高介電常數(shù)絕緣膜的多層膜。高介電常數(shù)絕緣膜可以是由氧化鉿、氧化鋯或氧化釔制成的稀土金屬氧化膜。優(yōu)選地，柵極絕緣膜32的膜厚為2nm或更小，更優(yōu)選為1.5nm或更小，進(jìn)一步優(yōu)選地為1.0nm或更小。柵電極34可以由通過金屬或半導(dǎo)體制成的導(dǎo)電層形成。氧化鍺膜可以含有氧勢(shì)(oxygenpotential)比氧化鍺的氧勢(shì)低的物質(zhì)，諸如，氧化釔或氧化鈧。氧勢(shì)小于氧化鍺的氧勢(shì)的物質(zhì)可以是氮化鍺或氧化鋁。此外，氧化鍺膜可以含有堿土元素、稀土元素和鋁中的至少一種的氧化材料。這種構(gòu)造可以在鍺層30和柵極絕緣膜32之間提供良好的界面。此外，柵極絕緣膜32可以變薄。例如，等效氧化物厚度(eot)可以為1nm或更小。

在n-fet中，鍺層30為p型，且源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38為n型。在p-fet中，鍺層30為n型，且源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38為p型。在n-fet中，使用將(111)平面作為主平面的鍺層30可以改善性能。在p-fet中，使用將(100)平面或(110)平面作為主平面的鍺層30可以改善性能。

絕緣膜40是保護(hù)鍺層30的表面的膜。絕緣膜40可以是含有例如氧化硅膜或氮化硅膜的膜。源電極42和漏電極44分別是與源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38歐姆接觸的電極。源電極42和漏電極44可以由例如通過鋁等制成的金屬膜形成。

在第一實(shí)施例中，在鍺層30中形成具有第一導(dǎo)電類型的溝道區(qū)域50。在鍺層30中形成具有第二導(dǎo)電類型(不同于第一導(dǎo)電類型)的源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38。溝道區(qū)域50中的氧濃度小于源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38與圍繞鍺層30中的源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38的區(qū)域之間的結(jié)界面52中的氧濃度。由于溝道區(qū)域50中的氧濃度是低的，所以能夠改善溝道區(qū)域50中的遷移率。因此，可以增加導(dǎo)通態(tài)電流。由于結(jié)界面52中的氧濃度是高的，所以可以減小結(jié)漏電流。因此，可以減小導(dǎo)通態(tài)電流。因此，可以提高導(dǎo)通態(tài)電流與截止態(tài)電流的比。因此，可以改善fet特性。

僅需要高氧濃度區(qū)域46以包括結(jié)界面52，且高氧濃度區(qū)域46可以包括源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38的整體。僅需要溝道區(qū)域中的氧濃度小于源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38中的至少一個(gè)的結(jié)界面中的氧濃度。

如圖4所示，為了使導(dǎo)通態(tài)電流變大，溝道區(qū)域50中的氧濃度優(yōu)選為1×10¹⁶cm^-3或更小，更優(yōu)選為5×10¹⁵cm^-3或更小，進(jìn)一步優(yōu)選為3×10¹⁵cm^-3或更小。

為了減小截止態(tài)電流，結(jié)界面52中的氧濃度優(yōu)選為大于1×10¹⁶cm^-3，更優(yōu)選為2×10¹⁶cm^-3或更大，進(jìn)一步優(yōu)選為5×10¹⁶cm^-3或更大。

如圖6(a)和圖6(b)所示，為了改善fet特性，第一導(dǎo)電類型優(yōu)選為p型，第二導(dǎo)電類型優(yōu)選地為n型。

第二實(shí)施例

圖15(a)至圖15(d)是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的用于制造fet的方法的橫截面視圖。如圖17(a)所示，制備鍺層30。鍺層30的氧濃度為1×10¹⁶cm^-3或更少，例如，襯底a的鍺層30具有這樣的氧濃度。如圖15(b)所示，將氧引入到鍺層30的表面附近，以形成高氧濃度區(qū)域46。例如通過氧離子的離子注入而形成高氧濃度區(qū)域46。

如圖15(c)所示，在鍺層30上形成具有孔56的蓋層54。蓋層54由例如氧化硅膜形成。當(dāng)通過孔56暴露鍺層30的表面時(shí)，執(zhí)行在還原氣體氣氛中的熱處理。該工藝去除孔56下方的高氧濃度區(qū)域46中的氧，并形成低氧濃度區(qū)域48。蓋層54所覆蓋的高氧濃度區(qū)域46中的氧未被去除。

僅需要還原氣體含有諸如氫氣的氣體。例如，還原氣體可以是例如100％氫氣的氣體，或氫氣和惰性氣體的混合氣體。惰性氣體例如是非氧化性氣體，且是稀有氣體或氮?dú)?。還原氣體可以不必含有氫氣。例如，僅需要還原氣體是含有少量氧的氣體、幾乎不會(huì)通過熱處理與鍺層30發(fā)生反應(yīng)的氣體、以及通過熱處理去除鍺層30中的氧的氣體。例如，還原氣體可以是含有少量氧的氮?dú)狻Ｈ缟纤?，在熱處理中使用的氣體優(yōu)選地含有少量的氧。熱處理溫度優(yōu)選地為700℃或更高，更優(yōu)選地為800℃或更高，如圖4和圖6(a)所示。熱處理溫度優(yōu)選地為1分鐘或更長(zhǎng)，更優(yōu)選地為5分鐘或更長(zhǎng)，進(jìn)一步優(yōu)選地為15分鐘或更長(zhǎng)。

如圖15(d)所示，源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38形成在高氧濃度區(qū)域46中。形成柵極絕緣膜32和柵電極34，使得溝道區(qū)域50(參見圖14)被包含在低氧濃度區(qū)域48內(nèi)。絕緣膜40形成在鍺層30中的高氧濃度區(qū)域46上。將源電極42形成為通過絕緣膜40的孔與源極區(qū)域36相接觸，并且將漏電極44形成為通過絕緣膜40的孔與漏極區(qū)域38相接觸。該工藝形成與第一實(shí)施例的fet相似的fet。

在第二實(shí)施例中，如圖15(b)和15(c)所示，設(shè)置氧濃度，使得在要作為溝道區(qū)域50的區(qū)域中的氧濃度變得小于在要作為結(jié)界面52的區(qū)域中的氧濃度(參見圖14)。如在第一實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)也可以改善fet特性。

此外，如圖15(c)所示，在還原氣氛中對(duì)鍺層30進(jìn)行熱處理，同時(shí)暴露鍺層30中要作為溝道區(qū)域50的區(qū)域并且不暴露要作為結(jié)界面52(參見圖14)的區(qū)域上的鍺層30的表面。該工藝允許容易地形成低氧濃度區(qū)域48。

如圖15(b)所示，在熱處理之前，可以將氧引入要作為溝道區(qū)域50的區(qū)域以及要作為結(jié)界面52的區(qū)域。該工藝允許容易地形成高氧濃度區(qū)域46。

第三實(shí)施例

圖16(a)至圖16(c)是示出了根據(jù)第三實(shí)施例的用于制造fet的方法的橫截面視圖。如圖17(a)所示，制備鍺層30。鍺層30的氧濃度大于1×10¹⁶cm^-3，例如，襯底b的鍺層30具有這樣的氧濃度。如圖16b所示，與第二實(shí)施例的圖15(c)相同，去除要作為溝道區(qū)域50的區(qū)域中的氧，以形成低氧濃度區(qū)域48。如圖16(c)所示，接著執(zhí)行與第二實(shí)施例的圖15(d)中的工藝相同的工藝。其他工藝與第二實(shí)施例的工藝相同，因此省略其描述。

如第三實(shí)施例所述，可以通過使用氧濃度高的鍺層30(例如，襯底b)，省略引入氧的工藝。

第四實(shí)施例

圖17(a)至圖17(c)是示出了根據(jù)第四實(shí)施例的用于制造fet的方法的橫截面視圖。如圖17(a)所示，制備鍺層30。鍺層30的氧濃度為1×10¹⁶cm^-3或更少，例如，襯底a的鍺層30具有這樣的氧濃度。如圖17(b)所示，不將氧引入要作為溝道區(qū)域50的區(qū)域，并且將氧引入要作為結(jié)界面52的區(qū)域。如圖17(c)所示，接著執(zhí)行與第二實(shí)施例的圖15(d)的工藝相同的工藝。其他工藝與第一實(shí)施例的工藝相同，因此省略其描述。

在第四實(shí)施例中，氧被選擇性地引入到要作為結(jié)界面52的區(qū)域中，而不被引入到要作為溝道區(qū)域50的區(qū)域中。該工藝允許省略第一實(shí)施例的圖15(c)所示的在還原氣體氣氛中的熱處理。

第五實(shí)施例

第五實(shí)施例通過使用第二實(shí)施例的圖15(a)至圖15(d)所示的方法來制造n-fet。圖18是根據(jù)第五實(shí)施例的制造的fet的橫截面視圖。將(100)作為主平面且受主濃度為2×10¹⁶cm^-3的p型襯底a用作鍺層30。氧離子以100kev的注入能量和1×10¹³cm^-2的劑量進(jìn)行注入。用于在氫氣氣氛中進(jìn)行熱處理的蓋層是氧化硅膜。在750℃的熱處理溫度下執(zhí)行氫熱處理，熱處理時(shí)間為15分鐘。使用50kev的注入能量且1×10¹⁵cm^-2的劑量的磷離子執(zhí)行用于形成源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38的離子注入。在氮?dú)鈿夥罩袌?zhí)行活化退火，熱處理溫度為600℃，且熱處理時(shí)間為30秒。

將eot為4nm的氧化鍺膜用作柵極絕緣膜32。將鋁膜用作柵電極34、源電極42和漏電極44。將氧化釔膜40a和氧化硅膜40b用作絕緣膜40。試驗(yàn)fet的柵極長(zhǎng)度l為200μm，且柵極寬度w為90μm。

圖19是第五實(shí)施例中的源極電流is和漏極電流id相對(duì)于柵極電壓vg的曲線圖。如圖19所示，在室溫下，當(dāng)漏-源電壓vds為0.5v和1v時(shí)，導(dǎo)通態(tài)電流ion與截止態(tài)電流ioff的比約為10⁵。亞閾值系數(shù)ss為74mv/dec。

圖20是第五實(shí)施例中的電子遷移率μeff相對(duì)于表面電子密度ns的曲線圖。除了不執(zhí)行在氫氣氣氛中的熱處理之外，通過與第五實(shí)施例的方法相同的方法來制造比較示例。線si表示硅mosfet中的典型遷移率。如圖20所示，比較示例的遷移率小于simosfet的遷移率。第五實(shí)施例的遷移率大于simosfet的遷移率，直到ns達(dá)到1×10¹²cm^-2。最大遷移率為1412cm²/vs。10⁵的導(dǎo)通/截止比，74mv/dec的亞閾值系數(shù)和1412cm²/vs的電子遷移率是至今報(bào)道的鍺mosfet的那些當(dāng)中的最高值。

盡管第一至第五實(shí)施例描述了作為示例的mosfet，但是可以應(yīng)用于除了mosfet之外的半導(dǎo)體器件。

第一至第五實(shí)施例已經(jīng)描述了幾乎整個(gè)溝道區(qū)域50被包括在低氧濃度區(qū)域48中以及幾乎整個(gè)pn結(jié)界面52被包括在高氧濃度區(qū)域46中的示例情況，但是一部分溝道區(qū)域50可以不必被包括在低氧濃度區(qū)域48中，且一部分pn結(jié)界面52可以不必被包括在高氧濃度區(qū)域46中。例如，可以在高氧濃度區(qū)域46中包括一部分溝道區(qū)域50，所述部分位于pn結(jié)界面52附近?？梢栽诘脱鯘舛葏^(qū)域48中包括一部分pn結(jié)界面52，所述部分位于溝道區(qū)域50附近。優(yōu)選地，所述溝道區(qū)域50的有助于增加導(dǎo)通態(tài)電流的區(qū)域被包含在低氧濃度區(qū)域48中。優(yōu)選地，所述pn結(jié)界面52的有助于減小截止態(tài)電流的區(qū)域被包含在高氧濃度區(qū)域46中。

作為fet的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)將在鍺層30中形成源極區(qū)域36和漏極區(qū)域38的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)描述為示例，但是fet可以具有其它結(jié)構(gòu)。例如，可以采用輕摻雜漏極(ldd)結(jié)構(gòu)或fin-fet結(jié)構(gòu)。備選地，可以使用絕緣體上鍺(goi)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)根據(jù)第三實(shí)施例的制造方法來制造fet時(shí)，難以檢測(cè)在鍺襯底表面附近的溝道區(qū)域中的氧濃度。然而，認(rèn)為氧濃度近似等于在柵極絕緣膜32下約1μm的深度處的氧濃度。此外，如圖4所示，在柵極絕緣膜32下方的鍺層中，距表面1μm處的氧濃度變得小于距表面5μm處的氧濃度，并變得小于1×10¹⁶cm^-3。

盡管迄今為止已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這些具體實(shí)施例，并且可以在本文所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)對(duì)它們進(jìn)行各種改變和修改。

附圖標(biāo)記說明

10鍺襯底

12氧化鍺膜

14柵電極

16源極區(qū)域

18漏極區(qū)域

20氧離子注入?yún)^(qū)域

24絕緣膜

26源電極

28漏電極

30鍺層

32柵極絕緣膜

34柵電極

36源極區(qū)域

38漏極區(qū)域

40絕緣膜

42源電極

44漏電極

46高氧濃度區(qū)域

48低氧濃度區(qū)域

50溝道區(qū)域

52結(jié)界面

54蓋層

56孔