包括超晶格耗盡層堆疊的半導(dǎo)體裝置和相關(guān)方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置可以包括：襯底上交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊，每個超晶格層包括多個堆疊的層組，所述超晶格層的每個層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個堆疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和約束在相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層。所述半導(dǎo)體裝置可以進(jìn)一步包括在所述交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊的上部體半導(dǎo)體層中的間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)，以及在間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，在所述上部體半導(dǎo)體層上的柵極，和延伸穿過體層和超晶格層并進(jìn)入襯底的STI區(qū)，并且可以用交替的摻雜劑導(dǎo)電類型對體層進(jìn)行摻雜。
【專利說明】
包括超晶格耗盡層堆疊的半導(dǎo)體裝置和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本申請涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，并且更具體地，涉及包含超晶格的半導(dǎo)體裝置和相關(guān)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已經(jīng)提出了結(jié)構(gòu)和技術(shù)來增強(qiáng)半導(dǎo)體裝置的性能，比如通過增強(qiáng)電荷載流子的迀 移率來增強(qiáng)半導(dǎo)體裝置的性能。例如，Currie等人的美國專利申請No. 2003/0057416公開了 硅的應(yīng)變材料層、硅-鍺以及松弛硅并且還包括無雜質(zhì)區(qū)域(否則將會引起性能退化）。上部 硅層中產(chǎn)生的雙軸應(yīng)變改變載流子迀移率，從而允許較高速和/或較低功耗裝置。 Fitzgerald等人的已公布的美國專利申請No. 2003/0034529公開了同樣基于類似應(yīng)變娃技 術(shù)的CMOS反相器。
[0003] Takagi的美國專利No. 6，472，685B2公開了一種半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置包括夾 于硅層間的硅碳層，以使得第二硅層的導(dǎo)帶和價帶受到拉伸應(yīng)變。具有較小的有效質(zhì)量并 且已被施加到柵極電極的電場感應(yīng)的電子被限制在第二硅層中，因此，可以肯定η溝道 M0SFET具有更高的迀移率。
[0004] Ishibashi等人的美國專利No. 4，937，204公開了一種超晶格，其中多層（少于8個 單層，且包含部分或雙金屬半導(dǎo)體層或二元化合物半導(dǎo)體層)交替地并且外延地生長。主電 流流動方向垂直于超晶格層。
[0005] Wang等人的美國專利No . 5，357，119公開了具有通過減少超晶格中的合金散射獲 得的較高迀移率的硅-鍺短周期超晶格。按照這些原則，Candelaria的美國專利No. 5，683， 934公開了包括溝道層的增強(qiáng)迀移率M0SFET，該溝道層包含硅和在硅晶格中以一定比例替 代性出現(xiàn)的第二材料的合金，這將溝道層置于拉伸應(yīng)力下。
[0006] Tsu的美國專利No. 5，216，262公開了包括兩個勢皇區(qū)和夾于勢皇之間的薄外延生 長的半導(dǎo)體層的量子阱結(jié)構(gòu)。每個勢皇區(qū)包括厚度通常在2到6個單層范圍內(nèi)的交替的 Si02/Si層。硅的更厚部分夾于勢皇之間。
[0007] 同樣Tsu 于 2000年9 月 6 日在 Appllied Physics and Materials Science& Processing的第391-402頁在線發(fā)表的題目為"Phenomena in silicon nanostructure devices"的文章公開了硅和氧的半導(dǎo)體-原子超晶格(SAS) ji/0超晶格被公開為在硅量子 以及發(fā)光裝置中是有用的。具體地，構(gòu)建和測試了綠色電致發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。二極管結(jié)構(gòu)中 電流流動是垂直的，即垂直于SAS層。公開的SAS可以包括由吸附物(諸如氧原子、以及⑶分 子)分開的半導(dǎo)體層。在吸收的氧單層上硅的生長被描述為具有相當(dāng)?shù)腿毕菝芏鹊耐庋?。?個SAS結(jié)構(gòu)包括1. lnm厚的硅部分（即，大約8個硅原子層）以及具有兩倍于此硅厚度的另一 個結(jié)構(gòu)。Luo等人在Physics Review Letters，Vol · 89，No · 7(2002年8月12日）發(fā)表的題目為 "Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon"的文章進(jìn)一步討論了Tsu的 發(fā)光SAS結(jié)構(gòu)。
[0008] Wang、Tsu和Lofgren的已公開的國際申請W0 02/103，767A1公開了薄娃和氧、碳、 氮、磷、銻、砷或者氫的勢皇構(gòu)成塊，從而使垂直地流過晶格的電流降低了超過四個量級。絕 緣層/勢皇層允許低缺陷外延硅接著沉積到絕緣層。
[0009] Mears等人的已公開的英國專利申請2,347,520公開了非周期性光子帶隙以1^6) 結(jié)構(gòu)的原理可能適合于電子帶隙工程。具體地，該申請公開了可以設(shè)定材料參數(shù)(例如，能 帶極小值的位置、有效質(zhì)量等等)來產(chǎn)生具有期望的能帶結(jié)構(gòu)特性的新非周期性材料。還公 開了可以對材料進(jìn)行設(shè)計(jì)的其它參數(shù)(諸如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和介電常數(shù)或者磁導(dǎo)率）。
[0010]盡管由這些結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)勢，但是用于在各種半導(dǎo)體裝置中集成先進(jìn)半導(dǎo)體材料 的進(jìn)一步的發(fā)展可能是希望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] -種用于制備半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法可以包括:在襯底上形成交替的超晶 格層和體半導(dǎo)體層的堆疊，每個超晶格層包括多個堆疊的層組，并且超晶格層的每個層組 包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個堆疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和約束在相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分 的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層。所述方法還可以包括在交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層 的堆疊的上部體半導(dǎo)體層中形成間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)，并且在間隔開的源極區(qū)和漏極 區(qū)之間，在上部體半導(dǎo)體層上形成柵極。
[0012] 更具體地，所述方法可以進(jìn)一步包括形成延伸穿過所述交替的超晶格層和體半導(dǎo) 體層的堆疊并進(jìn)入所述襯底的至少一個淺溝槽隔離(STI)區(qū)。此外，所述方法還可以包括以 交替的摻雜劑導(dǎo)電類型對相應(yīng)的超晶格之間的體層進(jìn)行摻雜。
[0013] 通過示例，每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以包含硅、鍺等。同樣通過示例，所述至少一個 非半導(dǎo)體單層包含選自包括氧、氮、氟和碳-氧的組的非半導(dǎo)體。形成所述柵極可以包括在 所述間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，在所述上部體半導(dǎo)體層上形成氧化物層，以及形成覆 在所述氧化物層上的柵極電極。此外，來自相對的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的至少一些半導(dǎo)體原子 通過其間的所述非半導(dǎo)體層可以被化學(xué)地束縛在一起。
[0014]相關(guān)的半導(dǎo)體裝置可以包括:襯底上交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊，每個 超晶格層包括多個堆疊的層組，并且所述超晶格層的每個層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的 多個堆疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和約束在相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo) 體單層。所述半導(dǎo)體裝置可以進(jìn)一步包括在交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊的上部體 半導(dǎo)體層中的間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)，以及在間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，在所述上 部體半導(dǎo)體層上的柵極。
【附圖說明】
[0015]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的用于在半導(dǎo)體裝置中使用的超晶格的高倍放大的示意性截 面圖。
[0016]圖2是圖1中示出的超晶格的一部分的透視示意性原子圖。
[0017] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的超晶格的另一個實(shí)施例的高倍放大的示意性截面圖。
[0018] 圖4A是對現(xiàn)有技術(shù)中的體硅和圖1 -2中示出的4/1S i /0超晶格兩者從伽馬點(diǎn)(G)計(jì) 算的能帶結(jié)構(gòu)的圖表。
[0019 ]圖4B是對現(xiàn)有技術(shù)中的體娃和圖1 -2中示出的4/1S i /0超晶格兩者從Z點(diǎn)計(jì)算的能 帶結(jié)構(gòu)的圖表。
[0020]圖4C是對現(xiàn)有技術(shù)中的體硅和圖3中示出的5/1/3/lSi /0超晶格兩者從伽馬點(diǎn)和Z 點(diǎn)計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)的圖表。
[0021 ]圖5是根據(jù)示例實(shí)施例的包括超晶格耗盡層堆疊的平面CMOS裝置的截面圖。
[0022]圖6-8是例示制備圖5的平面CMOS裝置的方法的一系列截面圖。
[0023]圖9是對應(yīng)于圖5-8中例示的工藝步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 現(xiàn)在將參考附圖在下文中更完整地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例。然而，本發(fā)明可以以多種不同形式來體現(xiàn)并且不應(yīng)該解釋為局限于本文闡述的實(shí)施例。 相反，提供這些實(shí)施例以使得本公開將是透徹且完整的，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完整地 傳達(dá)本發(fā)明的范圍。同樣的附圖標(biāo)記始終指代同樣的要素，并且主要符號被用來指示不同 實(shí)施例中的類似要素。
[0025] 本發(fā)明涉及在原子或分子層面控制半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。進(jìn)一步地，本發(fā)明涉及用 于在半導(dǎo)體裝置中使用的改進(jìn)材料的確定、創(chuàng)造以及使用。
[0026]
【申請人】從理論上闡明（但不希望束縛于此)本文描述的特定超晶格降低了電荷載 流子的有效質(zhì)量，并且這從而導(dǎo)致更高的電荷載流子迀移率。在文獻(xiàn)中，用各種定義來描述 有效質(zhì)量。作為有效質(zhì)量的改進(jìn)的測量，
【申請人】分別針對電子和空穴使用"電導(dǎo)率倒數(shù)有效 質(zhì)量張量（conductivity reciprocal effective mass tensor)"Me-1 和Mh-1，對于電子定義 為：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 其中f是費(fèi)米狄拉克分布，Ef是費(fèi)米能級，T是溫度，E(k，n)是電子在與波矢k和第η 個能帶對應(yīng)的態(tài)中的能量，下標(biāo)i和j指的是笛卡爾坐標(biāo)系x、y、z，在布里淵區(qū)(Β.Ζ.)進(jìn)行積 分，并且分別對于電子和空穴的能量在費(fèi)米能級以上或以下的能帶進(jìn)行求和。
[0031]
【申請人】對電導(dǎo)率倒數(shù)有效質(zhì)量張量的定義使得材料的電導(dǎo)率的張量分量比電導(dǎo) 率倒數(shù)有效質(zhì)量張量的相應(yīng)分量的較大值更大。再次，
【申請人】從理論上闡明（但不希望束縛 于此)本文描述的超晶格設(shè)置電導(dǎo)率倒數(shù)有效質(zhì)量張量的值以便增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性質(zhì)(諸 如一般針對電荷載流子輸運(yùn)的優(yōu)選方向）。適當(dāng)張量參數(shù)元（appropriate tensor element)的逆也被稱為電導(dǎo)率有效質(zhì)量。換句話說，為了表征半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，使用如上描 述并在預(yù)期的載流子輸運(yùn)方向上計(jì)算的電子/空穴的電導(dǎo)率有效質(zhì)量來區(qū)分改進(jìn)的材料。
[0032]
【申請人】已經(jīng)確認(rèn)了用于在半導(dǎo)體裝置中使用的改進(jìn)的材料或結(jié)構(gòu)。更具體地，申 請人已經(jīng)確認(rèn)了具有電子和/或空穴的適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率有效質(zhì)量比硅的相應(yīng)值小得多的能帶 結(jié)構(gòu)的材料或結(jié)構(gòu)。除這些結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)的迀移率特性之外，如將會在下面進(jìn)一步討論的，還 可以以它們提供壓電、熱電、和/或鐵電的性質(zhì)這樣的方式來形成或使用它們，這些性質(zhì)對 于用在很多不同類型的裝置中是有益的。
[0033]現(xiàn)在參照圖1和2,材料或結(jié)構(gòu)以超晶格25的形式，超晶格25的結(jié)構(gòu)被在原子或分 子層面控制并且可以使用已知的原子或分子層沉積的技術(shù)來形成。超晶格25包括以堆疊關(guān) 系布置的多個層組45a-45n，也許具體參考圖1的示意性截面圖能最好理解。
[0034] 超晶格25的每個層組45a-45n例示性地包括限定相應(yīng)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n 的多個堆疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46和其上的能帶修改層50。為了清晰地例示，通過圖1中的點(diǎn) 畫指示能帶修改層50。
[0035] 能帶修改層50例示性地包括約束在相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的一個非半 導(dǎo)體單層。"約束在相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)"意味著:來自相對的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分 46a-46n的至少一些半導(dǎo)體原子通過其間的非半導(dǎo)體單層50被化學(xué)地束縛在一起，如圖2所 示。如下面將進(jìn)一步討論的，一般來說，通過原子層沉積技術(shù)來控制沉積在半導(dǎo)體部分46a-46η上的非半導(dǎo)體材料的量以使得不是所有可用的半導(dǎo)體鍵合位點(diǎn)（即，小于全部或100% 覆蓋)被到非半導(dǎo)體原子的鍵占據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)這種配置。因此，隨著半導(dǎo)體材料的另外單層 46沉積在非半導(dǎo)體單層50上或之上，新沉積的半導(dǎo)體原子將會占據(jù)在非半導(dǎo)體單層之下的 半導(dǎo)體原子的其余空位鍵合位點(diǎn)。
[0036] 在其它實(shí)施例中，可以是多于一個這樣的非半導(dǎo)體單層。應(yīng)該注意，在此對非半導(dǎo) 體或半導(dǎo)體單層的引述意味著：用于該單層的材料以體形成則會是非半導(dǎo)體或半導(dǎo)體。也 就是說，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，諸如硅的材料的單個單層可能并不必然展現(xiàn)出與它形 成為體或相對厚的層的情況下的相同的性質(zhì)。
[0037]
【申請人】從理論上闡明（但不希望束縛于此）：能帶修改層50和相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部 分46a-46n使得超晶格25在平行層的方向上對于電荷載流子具有比以其它方式出現(xiàn)的低的 適當(dāng)電導(dǎo)率有效質(zhì)量。以另一種方式考慮，該平行方向與堆疊方向是正交的。能帶修改層50 還可以使得超晶格25具有常見能帶結(jié)構(gòu)，同時還有益地起在垂直地位于超晶格之上和之下 的層或區(qū)之間的絕緣體的作用。
[0038] 此外，該超晶格結(jié)構(gòu)還可以有益地作為對在垂直地位于超晶格25之上和之下的層 之間的摻雜劑和/或材料擴(kuò)散的阻擋物。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，這些性質(zhì)可以因此有益 地允許超晶格25提供針對高K電介質(zhì)的界面，該界面不僅減少高K材料擴(kuò)散進(jìn)入溝道區(qū)，而 且還可以有益地降低不期望的散射效應(yīng)并且改進(jìn)裝置迀移率。
[0039]還可以從理論上闡明，包括超晶格25的半導(dǎo)體裝置基于比以其它方式存在的更低 的電導(dǎo)率有效質(zhì)量，可以享有更高的電荷載流子迀移率。在一些實(shí)施例中，作為由本發(fā)明獲 得的能帶工程的結(jié)果，超晶格25可以進(jìn)一步具有基本上直接帶隙，這例如對光電裝置尤其 有益。
[0040] 超晶格25還例示性地包括在上部層組45η上的帽層52。該帽層52可以包含多個基 礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46。帽層52可以具有2到100個基礎(chǔ)半導(dǎo)體的單層，并且，更優(yōu)選地具有10到50 個單層。
[00411 每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n可以包含選自包括IV族半導(dǎo)體、III-V族半導(dǎo)體以及 II-VI族半導(dǎo)體的組的基礎(chǔ)半導(dǎo)體。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，術(shù)語"IV族半導(dǎo)體"還 包括IV-IV族半導(dǎo)體。更具體地，例如，基礎(chǔ)半導(dǎo)體可以包括硅和鍺中的至少一種。
[0042] 例如，每個能帶修改層50可以包含選自包括氧、氮、氟、碳和碳-氧的組的非半導(dǎo) 體。該非半導(dǎo)體通過下一層的沉積是合乎期望地?zé)岱€(wěn)定的，從而促進(jìn)制造。在其它實(shí)施例 中，非半導(dǎo)體可以是與給定半導(dǎo)體工藝相兼容的另外的無機(jī)或有機(jī)的元素或化合物，如本 領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到的。更具體地，例如，基礎(chǔ)半導(dǎo)體可以包含硅和鍺中的至少一種。
[0043] 應(yīng)該注意的是，術(shù)語"單層"意在包括單原子層以及單分子層。還需注意的是，由單 個單層提供的能帶修改層50也意在包括其中不是所有可能的位點(diǎn)都被占據(jù)（即，少于全部 或100%覆蓋）的單層。例如，特別參考圖2的原子圖示，例示了用于硅作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料 和氧作為能帶修改材料的4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)。在例示的示例中，用于氧的可能位點(diǎn)只有一半被占 據(jù)。
[0044] 在其它實(shí)施例和/或以不同的材料，這種一半占據(jù)將不一定會是本領(lǐng)域技術(shù)人員 將會意識到的情況。事實(shí)上，甚至在這個示意圖中也可以看到，給定單層中的個體氧原子并 沒有如原子沉積的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識到的那樣精確地沿著平面對齊。舉例來說， 優(yōu)選的占據(jù)范圍是從可能的氧位點(diǎn)被占滿的大約八分之一到一半，盡管在其它特定實(shí)施例 中可以使用其它數(shù)字。
[0045] 當(dāng)前在傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝中廣泛使用硅和氧，并且因此，制造商們很容易能夠使用 本文描述的這些材料。原子或單層沉積現(xiàn)在同樣被廣泛使用。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識 到，根據(jù)本發(fā)明的包含超晶格25的半導(dǎo)體裝置可以非常容易被采納和實(shí)施。
[0046]
【申請人】從理論上闡明（但不希望被束縛于此），對于超晶格(諸如Si/Ο超晶格），例 如，硅單層的數(shù)量理想地應(yīng)該是7或者更小以便超晶格的能帶始終是一致或者相對均勻的， 以獲得期望的優(yōu)點(diǎn)。圖1和2中示出的Si/Ο的4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被模型化來指示電子和空穴 在X方向的增強(qiáng)的迀移率。例如，電子的計(jì)算的電導(dǎo)率有效質(zhì)量（對于體硅，各向同性）是 0.26，且對于4/lSi/O超晶格它在X方向上是0.12，得到了0.46的比率。類似地，對于空穴的 計(jì)算，對體硅產(chǎn)生了 0.36的值以及對4/1S i /0超晶格產(chǎn)生0.16的值，得到了 0.44的比率。
[0047] 盡管這種方向性優(yōu)選特征在某些半導(dǎo)體裝置中可能是期望的，但是其它裝置可能 得益于在任何平行于層組的方向上的迀移率更加均勻地增加。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到， 具有對于電子和空穴兩者或者僅僅這些類型的電荷載流子的一種的迀移率的增大也可以 是有益的。
[0048] 對于超晶格25的4/lSi/O實(shí)施例的較低電導(dǎo)率有效質(zhì)量可以比以其它方式發(fā)生的 電導(dǎo)率有效質(zhì)量的2/3小，并且這適用于電子和空穴兩者。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到， 超晶格25可以進(jìn)一步包含至少一種類型的導(dǎo)電性摻雜劑。
[0049] 事實(shí)上，現(xiàn)在附加地參考圖3,現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的具有不同性質(zhì)的超晶格25' 的另一個實(shí)施例。在這個實(shí)施例中，例示了 3/1/5/1的重復(fù)模式。更具體地，最低的基礎(chǔ)半導(dǎo) 體部分46a '具有三個單層，并且第二低的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46b '具有5個單層。在超晶格25 ' 中始終以這個模式重復(fù)。能帶修改層50'各自可以包括單個單層。對于這樣的包括Si/Ο的超 晶格25'，電荷載流子迀移率的增強(qiáng)獨(dú)立于在層平面的取向。圖3中未特別提到的那些其它 項(xiàng)與以上參照圖1討論的項(xiàng)類似，并且不需要在此進(jìn)一步的討論。
[0050] 在一些裝置實(shí)施例中，超晶格的所有基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以是相同數(shù)量的單層那樣 厚。在其它實(shí)施例中，至少一些基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以是不同數(shù)量的單層那樣厚。在另外的其 它實(shí)施例中，所有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以是不同數(shù)量的單層那樣厚。
[0051]在圖4A-4C中，呈現(xiàn)了使用密度泛函理論(DFT)計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)。在本領(lǐng)域眾所周 知，DFT低估了帶隙的絕對值。因此帶隙之上的所有能帶可以被移動適當(dāng)?shù)?剪刀修正 (scissors correction)"。然而，已知能帶的形狀是可靠得多的。應(yīng)該考慮此來解釋垂直能 量軸。
[0052]圖4A示出了對體娃（由連續(xù)線表示）和圖1示出的4/lSi/O超晶格25(由虛線表示） 從伽馬點(diǎn)(G)計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)。各方向涉及4/1 Si/Ο結(jié)構(gòu)的單元晶胞而不是傳統(tǒng)的娃晶胞， 盡管圖中的（001)方向確實(shí)對應(yīng)于傳統(tǒng)硅單元晶胞的（001)方向，并因此，示出了硅導(dǎo)帶最 小值的期望位置。圖中的（100)和(010)方向?qū)?yīng)于傳統(tǒng)硅單元晶胞的（110)和(-110)方向。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，圖中硅的能帶被折疊以將它們表示在4/lSi/O結(jié)構(gòu)的適當(dāng)?shù)?格子方向上。
[0053]可以看到，4/lSi/O結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最小值位于的伽馬點(diǎn)處，與體硅(Si)形成對照，而 價帶最小值發(fā)生在(〇〇1)方向上布里淵區(qū)的邊緣(我們稱之為Z點(diǎn)）處。還應(yīng)該注意到，相比 于硅導(dǎo)帶最小值的曲率，4/lSi/O結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最小值的曲率更大，這是因?yàn)橛筛郊拥难鯇右?入的擾動導(dǎo)致的能帶分裂。
[0054]圖4B示出了對體硅(連續(xù)線）和4/lSi/O超晶格25(虛線）兩者從Z點(diǎn)計(jì)算的能帶結(jié) 構(gòu)。這個圖例示了（100)方向上價帶的增強(qiáng)的曲率。
[0055] 圖4C示出了對體硅(連續(xù)線)和圖3的超晶格25'的5/l/3/lSi/0結(jié)構(gòu)(虛線)兩者從 伽馬點(diǎn)和Z點(diǎn)計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)。由于5/l/3/lSi/0結(jié)構(gòu)的對稱性，在（100)和(010)方向計(jì)算 的能帶結(jié)構(gòu)是等價的。因此，預(yù)期電導(dǎo)率有效質(zhì)量和迀移率在平行于層的平面（即，垂直于 (001)堆疊方向）中是各向同性的。注意，在5/l/3/lSi/0示例中，導(dǎo)帶最小值和價帶最大值 兩者都在Z點(diǎn)處或者靠近Z點(diǎn)。
[0056] 盡管增大的曲率是降低的有效質(zhì)量的指示，但是也可以通過電導(dǎo)率倒數(shù)有效質(zhì)量 張量的計(jì)算來取得合適的對比和區(qū)別。這使得
【申請人】進(jìn)一步從理論上闡明：5/1/3/1超晶格 25'應(yīng)該大體上是直接帶隙的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，光躍迀的合適的矩陣元是直接和 非直接帶隙行為之間差別的另一個指示。
[0057] 使用上述手段，可以為特定的目的選擇具有改進(jìn)的能帶結(jié)構(gòu)的材料。更具體地參 照圖5,多個超晶格材料層125可以用在半導(dǎo)體裝置100中，半導(dǎo)體裝置100在示出的示例中 是CMOS裝置(具有在左側(cè)的PM0S晶體管和在右側(cè)的匪0S晶體管），從而在PM0S晶體管的源極 106、漏極107和溝道區(qū)108下面以及在匪0S晶體管的源極109、漏極110和溝道區(qū)111下面的 硅襯底105上形成相應(yīng)的"準(zhǔn)-BOX"結(jié)構(gòu)。更具體地，每個準(zhǔn)-BOX包含一系列垂直間隔開的超 晶格層125,體半導(dǎo)體材料(例如，硅)的區(qū)或?qū)?12-115堆疊在超晶格層125之間并具有交替 的摻雜類型。在例示性示例中，NM0S堆疊包括襯底105上的底部超晶格層125、底部超晶格層 上的N型硅層114、N型硅層上的中間超晶格層、中間超晶格層上的P型硅層115以及P型硅層 上的上部超晶格層。如圖所示，對于PM0S堆疊，P型硅層112在底部上且N型硅層113在頂部 上。
[0058] 如上所述，其中限定了溝道區(qū)108、111和源極區(qū)106、109以及漏極區(qū)107、110的上 部半導(dǎo)體層116(圖6)可以有利地在上部超晶格125上外延生長。然而，如果需要的話，在一 些實(shí)施例中，溝道可以部分或全部地駐留在上部超晶格層中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，這 種準(zhǔn)-BOX堆疊可以概念性地被考慮來執(zhí)行與埋氧(BOX)層類似的功能，但是在此，準(zhǔn)-BOX堆 疊提供了嵌入的PN結(jié)來為溝道區(qū)108、111的進(jìn)一步電隔離提供耗盡層的額外利益。準(zhǔn)-BOX 耗盡層堆疊可以因此被用在各種應(yīng)用中，例如，在部分耗盡(PD)或全耗盡(FD)SOI實(shí)現(xiàn)中作 為對SOI或BOX層的替換。
[0059]用于制備半導(dǎo)體裝置100的示例方法將參照圖6-9來描述。開始于塊201，在塊201， 可以在硅襯底105上形成多個毯狀超晶格層125,超晶格層125之間形成有層間外延硅層 117。在塊202，然后可以執(zhí)行STI模塊以形成匪0S和PM0S晶體管之間的STI區(qū)120。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將會意識到，STI工藝可以包括，例如，在期望位置刻蝕穿過三個超晶格層125的溝 槽、襯墊氧化、襯里氧化、致密化退火以及犧牲氧化。在塊203,然后可以執(zhí)行阱注入模塊來 在超晶格層125之間的半導(dǎo)體層112-115中注入相應(yīng)的P或N型摻雜劑，接著在合適時進(jìn)行退 火(例如，快速熱退火(RTA))。在塊204-205,該方法可以進(jìn)一步包括柵極的形成和源極106、 109以及漏極107、110的注入，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到的。每個柵極例示性地包括覆 在相應(yīng)的溝道區(qū)108、111中每一個上、在源極區(qū)和漏極區(qū)106、107和109、110之間的氧化物 層121以及在每個氧化物層上的柵極電極層122。
[0060] 應(yīng)該注意的是，雖然在本文闡述的示例中提供了特定參數(shù)(例如，尺寸等)和材料， 但本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以在不同實(shí)施例中使用其它合適的參數(shù)和材料。例如，耗盡 層堆疊或準(zhǔn)-BOX不需要在NM0S和PM0S裝置中都使用(例如它可以在一個或另一個中使用）。 此外，堆疊中可以包括多于一個的PN結(jié)。即，若需要的話，附加的超晶格125和摻雜的半導(dǎo)體 層可以被包括在堆疊中。
[0061] 得益于前面描述和相關(guān)附圖呈現(xiàn)的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員會想到多種修改和其它 實(shí)施例。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限制于所公開的具體實(shí)施例，并且那些修改和實(shí)施例意 在包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于制備半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法包括： 在襯底上形成交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊，每個超晶格層包括多個堆疊的層 組，所述超晶格層的每個層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個堆疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和約 束在相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層； 在所述交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊的上部體半導(dǎo)體層中形成間隔開的源極 區(qū)和漏極區(qū)；并且 在所述間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，在所述上部體半導(dǎo)體層上形成柵極。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括形成延伸穿過所述交替的超晶格層和體半 導(dǎo)體層的堆疊并進(jìn)入所述襯底的至少一個淺溝槽隔離STI區(qū)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以交替的摻雜劑導(dǎo)電類型對相應(yīng)的超晶格 之間的體層進(jìn)行摻雜。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含硅。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含鍺。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層包含氧。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層包含選自包括氧、氮、 氟和碳-氧的組的非半導(dǎo)體。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述柵極包括： 在所述間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，在所述上部體半導(dǎo)體層上形成氧化物層，以及 形成覆在所述氧化物層上的柵極電極。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中來自每個超晶格層的相對的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的至 少一些半導(dǎo)體原子通過其間的所述非半導(dǎo)體單層被化學(xué)地束縛在一起。10. -種半導(dǎo)體裝置，包括： 襯底上交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊，每個超晶格層包括多個堆疊的層組，所 述超晶格層的每個層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個堆疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和約束在 相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層； 在所述交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊的上部體半導(dǎo)體層中的間隔開的源極區(qū) 和漏極區(qū)；以及 在所述間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，在所述上部體半導(dǎo)體層上的柵極。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，進(jìn)一步包括延伸穿過所述交替的超晶格層和 體半導(dǎo)體層的堆疊并進(jìn)入所述襯底的至少一個淺溝槽隔離STI區(qū)。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中相應(yīng)的超晶格之間的體層被用交替的摻 雜劑導(dǎo)電類型進(jìn)行摻雜。13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含硅。14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含鍺。15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層包含氧。16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個非半導(dǎo)體單層包含選自包 括氧、氮、氟和碳-氧的組的非半導(dǎo)體。17. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述柵極包括:在所述間隔開的源極區(qū)和 漏極區(qū)之間、在所述上部體半導(dǎo)體層上的氧化物層，以及覆在所述氧化物層上的柵極電極。18. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中來自相對的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的至少一些 半導(dǎo)體原子通過其間的所述非半導(dǎo)單體層被化學(xué)地束縛在一起。19. 一種半導(dǎo)體裝置，包括： 襯底上交替的超晶格層和體半導(dǎo)體層的堆疊，每個超晶格層包括多個堆疊的層組，所 述超晶格層的每個層組包括限定基礎(chǔ)硅部分的多個堆疊的基礎(chǔ)硅單層和約束在相鄰的基 礎(chǔ)硅部分的晶格內(nèi)的至少一個氧單層； 在交替的超晶格層和體硅層的堆疊的上部體硅層中的間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)；和 在所述間隔開的源極區(qū)和漏極區(qū)之間、在所述上部體硅層上的柵極。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體裝置，進(jìn)一步包括延伸穿過所述交替的超晶格層和 體硅層的堆疊并進(jìn)入所述襯底的至少一個淺溝道隔離STI區(qū)。21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體裝置，其中相應(yīng)的超晶格之間的體層被用交替的摻 雜劑導(dǎo)電類型進(jìn)行摻雜。
【文檔編號】H01L29/10GK105900241SQ201480071521
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月21日
【發(fā)明人】R·J·梅爾斯, 武內(nèi)秀木, E·特洛特曼
【申請人】阿托梅拉公司