專利名稱：利用中間退火制造包括能帶工程超晶格的半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及具有基于能帶工程的增 強特性的半導(dǎo)體及其相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
人們已經(jīng)提出了用于增強半導(dǎo)體器件性能的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，諸如通
過提高電荷載流子的遷移率。例如，Currie等人的第2003/0057416 號美國專利申請披露了硅、硅-鍺以及松弛硅的應(yīng)變材料層，并且，該 應(yīng)變材料層還含有無雜質(zhì)區(qū)，否則將會導(dǎo)致性能退化。在上硅層內(nèi)所 得到的總雙軸應(yīng)變改變了栽流子遷移率，使較高的速度和/或較低的功 率器件成為可能。Fitzgerald等人的公開的第2003/0034529號美國專 利申請披露了同樣是基于類似應(yīng)變硅技術(shù)的CMOS逆變器。
Takagi的第6,472,685 B2號美國專利披露了包括硅層和夾在硅 層之間的碳層的半導(dǎo)體器件，使得第二硅層的導(dǎo)帶和價帶接收彈性應(yīng) 變。具有較小的有效質(zhì)量并由施加到柵極電極的電場感應(yīng)所產(chǎn)生的電 子，被限制在第二硅層內(nèi)，從而斷定n溝道MOSFET具有更高的遷 移率。
Ishibashi等人的第4,937,204號美國專利披露了這樣一種超晶 格，其中多個層(少于8個單層，且包含片段或二元化合物半導(dǎo)體層) 交替且外延地生長。主電流的方向與超晶格的各層垂直。
Wang等人的第5,357,119號美國專利披露了具有通過降低超晶 格內(nèi)的合金散射而獲得的較高遷移率的Si-Ge短程超晶格。沿著上述 路線，Candelaria的第5,683,934號美國專利披露了包括溝道層的提 高遷移率的MOSFET,其中溝道層包含由硅和以將溝道層置于彈性應(yīng)力之下的百分比替代性地存在于硅晶格中的第二種材料形成的合金。
Tsu的第5,216,262號美國專利披露了一種量子阱結(jié)構(gòu)，該量子阱結(jié)構(gòu)包括兩個阻擋層區(qū)和夾在阻擋層之間的薄的外延生長的半導(dǎo)體層。每個阻擋層區(qū)包括具有厚度通常在2到6個單層范圍內(nèi)的Si02/Si的交替層。在阻擋層之間夾有更厚的硅部分。
也是Tsu的一篇標(biāo)題為"硅納米結(jié)構(gòu)器件中的現(xiàn)象(phenomenain silicon nanostructure devices )"的文章披露了硅和氧的半導(dǎo)體-原子超晶格(SAS)，該文章于2000年9月6日在Applied Physics andMaterials Science & Processing第391-402頁在線發(fā)表。據(jù)披露，Si/O超晶格被披露用于在硅量子和發(fā)光器件中。具體地，構(gòu)建并測試了綠色電致熒光二極管結(jié)構(gòu)。二極管結(jié)構(gòu)中的電流是垂直的，即，與SAS的層是垂直的。所披露的SAS可以包括由被吸收的核素諸如氧原子以及CO分子所分離的半導(dǎo)體層。超出被吸收的氧單層的硅生長被描述為具有相當(dāng)?shù)偷娜毕菝芏鹊耐庋由L。 一個SAS結(jié)構(gòu)包括大約為8個硅原子層的1.1 nm厚的硅部分，另一個結(jié)構(gòu)具有兩倍于上述硅厚度的厚度。發(fā)表于Physical Review Letters第89巻第7期(2002年8月12日)的Luo等人的一篇標(biāo)題為"直接帶隙發(fā)光硅的化學(xué)設(shè)計(Chemical Design of Direct-gap Light-Emitting Silicon)，，的文章，進一步討論了 Tsu的8個發(fā)光SAS結(jié)構(gòu)。
Wang、 Tsu和Lofgren的公開的第WO 02/103,767 Al號的國際專利申請披露了由薄硅和氧、碳、氮、磷、銻、砷或氫形成的阻擋層構(gòu)建區(qū)，從而使垂直流過晶格的電流降低超過4個數(shù)量級。絕緣層/阻擋層允許低缺陷外延生長硅緊鄰絕緣層沉積。
Mears等人的公開的第2，347，520號GB專利申請披露了非周期光子能帶隙(APBG)結(jié)構(gòu)的原理可以適用于電子能帶隙工程。具體地，該申請披露了可以調(diào)整材料參數(shù)，例如，能帶最小值的位置、有效質(zhì)量等，以產(chǎn)生具有理想能帶結(jié)構(gòu)特征的新的非周期材料。披露了將其他參數(shù)諸如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和介電常數(shù)或?qū)Т怕试O(shè)計到材料中去也是可能的。
盡管在材料工程上付出相當(dāng)大的努力以提高半導(dǎo)體器件中的電荷載流子的遷移率，對更大的改進仍有著需求。更高的遷移率可以增加器件速度和/或降低器件功耗。盡管不斷地向更小的器件特征轉(zhuǎn)變，有了更高的遷移率，也可以保持器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前述背景，因此，本發(fā)明的目的是提供用于制造(例如)具有更高電荷載流子遷移率的半導(dǎo)體器件的方法。
通過用于制造半導(dǎo)體器件的方法提供本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)勢，所述方法包括形成含有多個疊加的層組的超晶格，其中，每個層組包括用于限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制于相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層。更具體而言，本發(fā)明還可以包括在完成超晶格的形成前，進行至少一次退火。
形成超晶格可以包括通過連續(xù)沉積多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層來形成每個組。另外，進行所述至少一次退火可以包括在完成至少一個層組
內(nèi)的所有多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之前，進行所述至少一次退火。進行所述至少一次退火可以包括在完成至少一個層組內(nèi)的多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層中的至少一個的沉積之后，進行所述至少一次退火。例如，
進行所述至少一次退火可以包括在完成不多于8個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之后，以及，更優(yōu)選地，在完成不多于4個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層之后，進行所述至少一次退火。
進行所述至少一次退火可以包括在大約550到750°C的范圍內(nèi)的溫度下，以及，更優(yōu)選地，在大約625到675。C的范圍內(nèi)的溫度下，進行所述至少一次退火?？梢赃M行至少一次持續(xù)在大約1到30分鐘的范圍內(nèi)(更優(yōu)選地，在大約5到15分鐘的范圍內(nèi))的時長的退火。
每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以包含硅，在一些實施例中，所述至少一個非半導(dǎo)體單層中的每一個可以包含氧。例如，每個非半導(dǎo)體單層可以是單個單層厚。另外，每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以是小于8個單層厚。超晶格可以還包括位于最上面的層組上的基半導(dǎo)覆蓋層。在一些實施例中，所有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以具有相同數(shù)量的單層的厚度。在其他實施例中，有些基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以具有不同數(shù)量的單層厚度。
每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以包含選自包括第IV族半導(dǎo)體、第III-V族半導(dǎo)體以及第II-VI族半導(dǎo)體的組中的基礎(chǔ)半導(dǎo)體。另外，每個非半導(dǎo)體單層可以包含選自包括氧、氮、氟和碳-氧中的組的非半導(dǎo)體。
形成超晶格可以包括在基片上形成超晶格。該方法還包括用至少一種導(dǎo)電率對所劑超晶格進行摻雜。
在一些有利的實施例中，超晶格可以限定半導(dǎo)體器件的溝道。因
此，該方法還可以包括形成與所述超晶格溝道橫向相鄰的源區(qū)和漏區(qū)、以及形成位于所述超晶格溝道上面的柵極。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造包括超晶格的半導(dǎo)體器件的方法的流程圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明形成的包括超晶格的半導(dǎo)體器件的橫截面示意圖。
圖3是如圖2中所示的超晶格的極大地放大的橫截面示意圖。圖4是圖2中所示的超晶格的一部分的透視原子的示意圖。圖5是可以用于圖2的器件中的超晶格的另一實施例的極大地放
大的橫截面示意圖。
圖6A是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)中的體硅和圖2-4中所示的4/1 Si/0超晶
格的從伽馬點(G)計算所得的能帶結(jié)構(gòu)的圖。
圖6B是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)中的體硅和圖2-4中所示的4/1 Si/0超晶
格的從Z點計算所得的能帶結(jié)構(gòu)的圖。
圖6C是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)中的體硅和圖5中所示的5/1/3/1 Si/O超
9晶格的伽馬點和z點計算所得的能帶結(jié)構(gòu)的圖。
圖7和8分別是根據(jù)本發(fā)明在沒有中間退火的情況下形成的3層和6層的超晶格基礎(chǔ)半導(dǎo)體層組的透射電鏡(TEM)圖。
圖9和10分別是根據(jù)本發(fā)明在有中間退火的情況下形成的3層和8層的超晶格基礎(chǔ)半導(dǎo)體層組的TEM圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖對本發(fā)明進行更加全面的描述，在附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式實施，并且不應(yīng)當(dāng)被理解為受限于本文所闡述的實施例。更確切地說，提供上述實施例，使得本公開內(nèi)容將是全面的、完整的，并將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分地傳達(dá)本發(fā)明的范疇。在本文中，相似的標(biāo)號表示相似的元件，撇號用來表示可替換的實施例中的類似元件。
本發(fā)明涉及在原子或分子水平上控制半導(dǎo)體材料的特性，以在半導(dǎo)體器件內(nèi)獲得改善的性能。此外，本發(fā)明涉及對用于半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電通道內(nèi)的改進的材料的確定、產(chǎn)生和使用。
申請人在不希望被束綽的情況下提出了下述理論此處所描述的某些超晶格降低了電荷栽流子的有效質(zhì)量，從而這導(dǎo)致了更高的電荷栽流子遷移率。在文獻(xiàn)中以各種定義描述了有效質(zhì)量。作為測量有效質(zhì)量中的改進的方法，申請人分別使用了關(guān)于電子和空穴的"導(dǎo)電率倒易有效質(zhì)量張量"M:'和M卩1，其定義如下
對電子而言，
對空穴而言:其中f是費米-狄拉克分布，Ep是費米能量，T是溫度，E(k，n)是電子在與波矢量k和第n個能帶相對應(yīng)的狀態(tài)下的能量，指數(shù)i和j指笛卡兒坐標(biāo)x、 y和z，對布里淵散射區(qū)(B.Z.)進行積分，分別對電子和空穴的具有高于和低于費密能級的能帶進行求和。
申請人對導(dǎo)電率倒易有效質(zhì)量張量的定義是這樣的材料的導(dǎo)電率的張量分量對于導(dǎo)電率倒易有效質(zhì)量張量的對應(yīng)分量的較大值來說是較大的。此外，申請人在不希望被限定于上述范圍的情況下，提出了下述理論此處所描述的超晶格設(shè)定了導(dǎo)電率倒易有效質(zhì)量張量的值，以增強材料的導(dǎo)電特性，諸如通常是關(guān)于電荷載流子傳輸?shù)膬?yōu)選方向上的導(dǎo)電特性。合適的張量元素的逆被稱為導(dǎo)電率有效質(zhì)量。換言之，為了描述半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的特征，以上所描述的且在沿所預(yù)定的栽流子傳輸方向上計算所得的電子/空穴的導(dǎo)電率有效質(zhì)量被用于辨別改進的材料。
較高的電荷栽流子遷移率可以是由于載流子在平行方向上比存在的其他方向上的導(dǎo)電率有效質(zhì)量低而產(chǎn)生的。該導(dǎo)電率有效質(zhì)量可以小于在其他情況下出現(xiàn)的導(dǎo)電率有效質(zhì)量的三分之二。當(dāng)然，超晶格還可以在其中包含至少一種導(dǎo)電率摻雜劑。
利用上述手段，人們可以選擇具有用于特殊目的的改進的能帶結(jié)構(gòu)的材料。 一個這樣的實例就是用于半導(dǎo)體器件中的溝道區(qū)的超晶格25材料?，F(xiàn)在參照圖2首先描述包括根據(jù)本發(fā)明的超晶格25的平面MOSFET 20。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解此處所確定的材料將用于許多不同類型的半導(dǎo)體器件中，諸如分立器件和/或集成電路。
所示出的MOSFET20包括基片21、輕摻雜的源/漏擴展區(qū)22、23、較重?fù)诫s的源/漏區(qū)26、 27和由超晶格25提供的位于源/漏區(qū)之間的溝道區(qū)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，源/漏硅化物層30、 31和源/漏接觸區(qū)32、 33位于源/漏區(qū)上面。柵極35示例性地包括與由
柵極電極層38。在所示出的MOSFET 20內(nèi)還提供側(cè)壁分隔片40、41，并且在柵極電極層38之上提供硅化物層34。為了清楚地說明，在圖2中利用點劃線示出將柵極絕緣層36,用虛線示出被由輕摻雜的 源/漏擴展區(qū)22、 23的注入而注入摻雜劑的超晶格25的各區(qū)。
申請人已經(jīng)確定了改進的材料或結(jié)構(gòu)以及用于制造MOSFET 20 的溝道區(qū)的方法。更具體而言，申請人已經(jīng)確定了具有下述能帶結(jié)構(gòu) 的材料或結(jié)構(gòu)關(guān)于電子和/或空穴的合適的導(dǎo)電率有效質(zhì)量基本上小 于硅的對應(yīng)值。
現(xiàn)在再參照圖2和3，材料或結(jié)構(gòu)的形式為超晶格25，其結(jié)構(gòu)在 原子或分子的水平上受控并可以利用已知的原子或分子層沉積技術(shù) 形成。超晶格25包括以疊層關(guān)系排列的多個層組45a-45n，具體參照 圖3的示意的橫切面圖也許可以最好地理解這一點。
超晶格25的每個層組45a-45n包括用于限定各自的基礎(chǔ)半導(dǎo)體 部分46a-46n的多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46及其上的能帶修改層 50。為了說明清楚，在圖3中以點劃線表示能帶修改層50。
能帶修改層50示例性地包括限制于相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶 格內(nèi)的一個非半導(dǎo)體單層。即，相鄰層組45a-45n內(nèi)的相對的基礎(chǔ)半 導(dǎo)體單層46通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起。例如，就硅單層46而言，組45a
硅原;:乂共;鍵形式結(jié)合在 一"。這;得晶格沿層ii續(xù)i展，_盡管
存在非半導(dǎo)體單層(例如， 一個或多個氧單層)。當(dāng)然，隨著上述層的 每一個內(nèi)的某些硅原子將與非半導(dǎo)體原子(即，本實例中的氧)鍵合，
相鄰組45a-45n的相對硅層46之間將沒有完全的或純粹的共價鍵，這 一點應(yīng)該會被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
在其他實施例中， 一個以上的這樣的單層是可能的。應(yīng)當(dāng)注意的 是此處參照非半導(dǎo)體或半導(dǎo)體單層意味著用于單層的材料如果以塊 狀形成，應(yīng)是非半導(dǎo)體或半導(dǎo)體。即，材料諸如半導(dǎo)體的單個單層可 能不一定表現(xiàn)出與以塊狀或以相對來說較厚的層形成的單層相同的 特性，這一點會為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
申請人在不希望受限的情況下提出了下述理論能帶修改層50 和相鄰的半導(dǎo)體部分46a - 46n導(dǎo)致超晶格25在平行的層方向上比所存在的其他方向上具有較低的合適的電荷載流子的導(dǎo)電率有效質(zhì)量。
考慮到其他方式，上述平行方向與疊加方向垂直。能帶修改層50也 可以導(dǎo)致超晶格25具有普通的能帶結(jié)構(gòu)。
同樣，提出了這樣的理論，即半導(dǎo)體器件，諸如所示的MOSFET 20，基于比在其他情況下所存在的較低導(dǎo)電率有效質(zhì)量，具有較高的 電荷栽流子遷移率。在某些實施例中，作為本發(fā)明所取得的能帶工程 的結(jié)果，超晶格25還可以具有對光電子器件來說可能尤其有利的基 本上直接的能帶隙，例如，轉(zhuǎn)讓給本受讓且其全部內(nèi)容以引用方式并 入本文的共同未決的申請標(biāo)題為"包括具有能帶工程的超晶格的有源 光學(xué)器件的集成電路"(INTEGRATED CIRCUIT COMPRISING AN ACTIVE OPTICAL DEVICE HAVING AN ENERGY BAND ENGINEERED SUPERLATTICE)、第10/936,903號美國專利申請 所闡述的那些器件。
MOSFET20的源/漏區(qū)22/26、 23/27和柵極35可以被看作是促 使電荷載流子穿過相對于疊加的組45a-45n中的各層的平行方向上的 超晶格25進行傳輸?shù)膮^(qū)域，這一點會被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。 本發(fā)明也考慮了其他這樣的區(qū)域。
超晶格25也示例性地包括位于上層組45n上的覆蓋層52。覆蓋 層52可以包括多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46。覆蓋層52的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層 可以在2到100個范圍內(nèi)，更優(yōu)選在10到50個單層之間。
每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a-46n可以包括選自含有第IV族半導(dǎo)體、 第III-V族半導(dǎo)體以及第II-VI族半導(dǎo)體的組中的基礎(chǔ)半導(dǎo)體。當(dāng) 然，術(shù)語組IV半導(dǎo)體也包括第IV-IV族半導(dǎo)體，這一點會被本領(lǐng)域 的技術(shù)人員所理解。更具體而言，例如基礎(chǔ)半導(dǎo)體可以包含硅和鍺中 的至少一種。
例如每個能帶修改層50可以包括選自包括氧、氮、氟以及碳-氧的組中的非半導(dǎo)體。通過下一層的沉積從而方便制造，非半導(dǎo)體在 熱穩(wěn)定上也是理想的。在其他實施例中，非半導(dǎo)體可以是與給定的半 導(dǎo)體處理相兼容的其他的無機或有機元素或化合物，這一點會為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。更具體而言，例如基礎(chǔ)半導(dǎo)體可以包括硅和鍺 中的至少一種。
應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語單層是指包括單個原子層以及單個分子層。同樣
應(yīng)當(dāng)注意，由單個單層提供的能帶修改層50也指包括其內(nèi)部不是所 有可能的位置都被占據(jù)的單層。例如，尤其是參照圖3的原子圖，說 明了作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的硅以及作為能帶修改材料的氧的4/1的重 復(fù)結(jié)構(gòu)。氧的僅僅一半的可能位置被占據(jù)。
在其他實施例中和/或在采用不同材料的情況中，上述一半占據(jù) 并不一定是本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。事實上，甚至可以從該示 意圖中看出，給定單層中的氧的單個原子不會沿平面被準(zhǔn)確地排列以 直線，這也是原子沉積領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的。作為實例，優(yōu)選的 占據(jù)范圍從完全占滿的可能氧位置的大約1/8到一半，盡管其他數(shù)量 可以用在某些實施例中。
目前硅和氧被廣泛地用于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體處理中，因此，制造商能 夠容易地使用此處所描述的上述材料?，F(xiàn)在原子或單層沉積也被廣泛 地使用。因此，可以容易地采用和實現(xiàn)包含根據(jù)本發(fā)明的超晶格25 的半導(dǎo)體器件，這一點會被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
申請人在不希望受限的情況下提出了這樣的理論，即對于超晶格 諸如Si/0超晶格，例如，硅單層的數(shù)量在理想情況下應(yīng)當(dāng)為7個或更 少以便超晶格的能帶在整個范圍內(nèi)是一樣的或相對一致的，以獲得理 想的優(yōu)勢。然而，可以在其他實施例中使用8個或更多個層，這取決 于給定的應(yīng)用。已經(jīng)對圖3和4中所示的Si/O的4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)建立模 型，以表示電子和空穴在X方向上的提高了的遷移率。例如，對于電 子來說，計算所得的導(dǎo)電率有效質(zhì)量(對于體硅來說是各向同性的)為 0.26，對于4/1 SiO超晶格在X方向來說為0.12，從而得到0.46的比 值。類似地，對于體硅來說，對空穴計算所得出的值為0.36，對于4/1 Si/0超晶格來說為0.16，從而得到0.44的比值。
盡管在某些半導(dǎo)體器件中，上述方向優(yōu)先特征可能是理想的，但 是其他器件可能受益于在平行于層組的任何方向上的遷移率的更加
14一致的增加。對電子或空穴來說，或僅僅上述類型的電荷載流子中的 一種來說，具有提高的遷移率也是有利的，這一點會被本領(lǐng)域的技 術(shù)人員所理解。
超晶格25的4/1 Si/O實施例的較低導(dǎo)電率有效質(zhì)量可以小于其 他情況下出現(xiàn)的導(dǎo)電率有效質(zhì)量的三分之二，這既適用于電子也適用 于空穴。當(dāng)然，超晶格25還可以包括摻雜于其中的至少一種導(dǎo)電率 摻雜劑，這一點會被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
實際上，現(xiàn)在再參照圖5，現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的具有不同特性 的超晶格25，的另一實施例。在該實施例中，示出了重復(fù)模式3/1/5/1。 更具體而言，最下層的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a，具有三個單層，次最下層 的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46b，具有五個單層。這種模式在整個超晶格25，范 圍內(nèi)重復(fù)。能帶修改層50，可以均包括單個單層。對于包括Si/0的上 述超晶格25，來說，電荷載流子遷移率的提高不依賴于層平面內(nèi)的取 向。沒有具體提及的圖5的上述其他元件與參照圖3的上述元件相似， 此處不需要進一步的討論。
在某些器件實施例中，超晶格的所有基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可以具有相 同數(shù)量的單層的厚度。在其他實施例中，至少有些基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可 以具有不同數(shù)量的單層的厚度。在其他實施例中，所有基礎(chǔ)半導(dǎo)體部 分可以具有不同數(shù)量的單層的厚度。
在圖6A - 6C中，給出了利用密度函數(shù)理論(DFT)計算所得的能 帶結(jié)構(gòu)。在本領(lǐng)域中眾所周知DFT低估了能帶隙的絕對值。因此， 可以通過適當(dāng)?shù)?剪裁修正"偏移帶隙之上的所有能帶。然而，已經(jīng)知 道能帶的形狀更加地可靠。應(yīng)當(dāng)從這個角度說明垂直的能軸。
圖6A顯示了由伽馬點(G)計算所得的體硅(以連續(xù)線表示)和圖 3-4中所示的4/1 Si/0超晶格25(以點線表示)的能帶結(jié)構(gòu)。盡管圖中 的(001)方向與Si的慣用晶胞的(001)方向?qū)?yīng)，但是該方向是指4/1 Si/0結(jié)構(gòu)的晶胞，而不是Si的慣用晶胞，從而顯示了Si導(dǎo)帶最低值 的期望位置。圖中的(100)和(010)方向與Si慣用晶胞的(110)和(-llO) 方向?qū)?yīng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，圖上的Si能帶被折疊而將它們在4/1 Si/O結(jié)構(gòu)的適當(dāng)?shù)牡挂c陣方向上表示出來。
可以看出，與體硅(Si)不同的是，4/1 Si/O結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最低值位 于伽馬點處，而價帶最低值發(fā)生在(001)方向上的布里淵散射區(qū)的邊 緣，我們稱之為Z點。有人可能也會注意到，與Si的導(dǎo)帶最低值的 曲率相比，4/1 Si/0結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最低值的曲率較大，這要歸因于由額 外的氧層引入的擾動而產(chǎn)生的能帶分離。
圖6B顯示了由Z點計算所得的體硅(連續(xù)線)和4/1 Si/O超晶格 25(點線)的能帶結(jié)構(gòu)。該圖說明了價帶在(100)方向上的增加的曲率。
圖6C顯示了由伽馬點和Z點計算所得的體硅(連續(xù)線)和圖4的 超晶格25，的5/1/3/1 Si/0結(jié)構(gòu)(點線)的能帶結(jié)構(gòu)。由于5/1/3/1 Si/O 結(jié)構(gòu)的對稱性，在(100)和(010)方向上計算所得的能帶結(jié)構(gòu)是相等的。 因此，導(dǎo)電率有效質(zhì)量和遷移率被期望在平行于層的即垂直于(001) 疊層方向上平面內(nèi)呈現(xiàn)各向同性。注意在5/1/3/1 Si/0實例中，導(dǎo)帶 最低值和價帶最大值都位于或靠近Z點。
盡管曲率的增加表示有效質(zhì)量的減小，但是可以通過導(dǎo)電率倒易 有效質(zhì)量張量的計算進行適當(dāng)?shù)谋容^和區(qū)分。這導(dǎo)致申請人進一步提 出5/1/3/1超晶格25，應(yīng)當(dāng)基本上為直接能帶隙的理論。光過渡的適當(dāng) 矩陣元是直接與間接能帶隙行為之間的差別的另 一指示。
現(xiàn)在再參照圖1，現(xiàn)在將描述用于制造包括超晶格25的半導(dǎo)體 器件諸如MOSFET 20的方法。超晶格25可以形成于硅基片21上。 作為實例，基片21可以是8英寸晶圓的具有<100>晶向的輕摻雜P型 或N型單晶硅，盡管也可以使用其他適合的基片。
超晶格25材料形成于基片21的整個上表面或其部分上。一般來 講，在完成超晶格25之前，有利地進行一次或多次退火。即，在超 晶格25的形成過程中間進行的一次或多次退火，而不是在其完成后 簡單地對整個超晶格進行退火。申請人在不希望受限的情況下提出了 這樣的理論，即進行上述中間退火使與能帶修改層50交界的界面處 的原子結(jié)構(gòu)能夠提供更少的缺陷和更光滑的表面，這使得超晶格25 更適合器件的集成，這一點將在以下進行進一步討論。更具體而言，退火允許氧進入夾在兩個硅層之間的氧的較低能量位置(即，"體"硅-氧-硅的最低能量與位于表面上的氧的關(guān)系)。然而，頂部的硅層足夠 薄，盡管限制了氧的位置，但是它可以再排列以占據(jù)位于氧之下的硅 層的晶體結(jié)構(gòu)配置或取向。
應(yīng)當(dāng)注意，如果頂部的硅層太厚(例如，超過8個單層)，再排列 起來可能太剛性或受到限制。此外，如果它位于表面上或硅矩陣內(nèi)， 氧的最低能量位置(即，鍵合配置)是不同的，這一點會被本領(lǐng)域的技 術(shù)人員所理解。理想的情況是在其硅矩陣環(huán)境位置內(nèi)具有氧鍵，這是 由于這樣允許重新開始外延硅生長。
以框100開始，在框IOI，例如在基片21上形成非半導(dǎo)體單層。 作為實例，就氧而言，暴露時間可以優(yōu)選在小于8秒的范圍內(nèi)，盡管 也可以使用其他暴露時間。然后，在框102,通過連續(xù)的原子層沉積 形成一個或多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46。例如可以利用硅烷、乙硅烷、丙 珪烷或其他適合的沉積制劑，在大約425到625。C范圍內(nèi)的溫度下 以及在大約20到80托范圍內(nèi)的壓力下進行沉積。氮或氫可以用作具 有大約20到40 SLM的傳輸制劑。
然后，在框103，進行中間退火。通常，應(yīng)當(dāng)在進行退火之前形 成的組46a-46n的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46的數(shù)量取決于給定組內(nèi)的基礎(chǔ)半 導(dǎo)體單層的總數(shù)。即，對于具有相對較小數(shù)量的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46(例 如，4個或更小)的組46a-46n而言，可能僅需要在沉積組內(nèi)的所有單 層后進行退火。
另一方面，如果組46a-46n具有相對較大數(shù)量的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層 46(例如，大于4個)，那么，在沉積該組中的所有層之前進行退火是 理想的。作為實例，在重復(fù)的8/1結(jié)構(gòu)中，在形成每個組的底部的4 層后進行退火可能是理想的。優(yōu)選地，應(yīng)當(dāng)在完成不多于8個基礎(chǔ)半 導(dǎo)體單層的沉積后，更優(yōu)選地，在完成不多于4個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層之 后，進行退火。
應(yīng)當(dāng)注意，在所有實施例中，不需要對超晶格25中的每個組 46a-46n進行各自的退火步驟。例如，在有些應(yīng)用中，每隔一組，或僅對下和/或上組等進行退火是理想的。
可以通過停止沉積氣體(例如，硅烷)流動和使溫度增加到大約
550到750'C的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地，在625到675。C范圍內(nèi)，進行退 火。每次退火可以進行大約1到30分鐘范圍內(nèi)的時長，更優(yōu)選地， 在大約5到15分鐘范圍內(nèi)的時長。例如，可以利用快速熱處理燈進 行退火，盡管也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他合適的技術(shù)。一 旦在框104完成退火，如果目前組中的任何基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46保持 形成，這在框105-106以上述的相同方式進行。如果在框107要形成 更多的組46a-46n，則重復(fù)前述的步驟以形成下一組。否則，基礎(chǔ)半 導(dǎo)體覆蓋層52可以可任選地形成于最上層組45n上以在框108處完 成超晶格，從而結(jié)束所說明的方法(框109)。
參照圖7-10中所示的透射電鏡(TEM)圖像，將更加充分地理解 由上述的中間退火所得到的缺陷降低和相關(guān)的光滑度的提高。具體地 說，圖7顯示了包括已經(jīng)在氧下暴露一秒鐘而沒有首先退火的三層基 礎(chǔ)硅單層的組。對于已經(jīng)在氧下類似地暴露一秒鐘而沒有首先退火的 圖8中所示的6層基礎(chǔ)硅單層的組來說，致使上述結(jié)構(gòu)上的表面粗糙 的缺陷變得甚至更加明顯。
然而，在上述的氧層形成之前的退火提供了顯著的缺陷降低，從 而提高了表面的光滑度。圖9中所示的結(jié)構(gòu)是與圖7中所示的相同的 三個基礎(chǔ)硅單層組，但在氧暴露前在其上進行過退火。在所圖示的實 例中，氧暴露時間為2秒鐘。圖10中示出了 8個基礎(chǔ)硅單層組，其 中在最初的4個基礎(chǔ)硅單層的沉積后以及在氧暴露(在本實例中氧暴 露時間為1.5秒)之前進行退火。
圖1中沒有圖示的其他方法步驟可以包括形成與由超晶格25所 提供的溝道橫向相鄰的源和漏區(qū)22/26、 23/27、以及形成位于超晶格 溝道上的柵極35和圖1中所示的其余結(jié)構(gòu)特征。利用眾所周知的半 導(dǎo)體技術(shù)可以容易地進行上述步驟，這一點會被本領(lǐng)域中的技術(shù)人員 所理解。例如，在美國專利申請序列號第10/940,426號的標(biāo)題為"在 源區(qū)和漏區(qū)的上方包括垂直分級的超晶格的半導(dǎo)體器件"
18(SEMICONDUCTOR DEVICE COMPRISING A SUPERLATTICE CHANNEL VERTICALLY STEPPED ABOVE SOURCE AND DRAIN REGIONS )的共同未決的申請中，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于上述步驟 的其他細(xì)節(jié)，該專利申請轉(zhuǎn)讓給本受讓人并且其全部內(nèi)容以引用的方 式并入本文。
受益于前面的描述和相關(guān)的附圖中所給出的教導(dǎo)，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員將會想到本發(fā)明的許多修改和其他實施例。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本 發(fā)明不限于所披露的具體的實施例，并且上述修改和實施例應(yīng)當(dāng)被涵 蓋于所附的權(quán)利要求的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括形成包括多個疊加的層組的超晶格，每個層組包括限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制于相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格范圍內(nèi)的選自基本上包括氧、氮、氟和碳-氧的組中的至少一個非半導(dǎo)體單層；以及在完成所述超晶格的形成之前，進行至少一次退火。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中形成所述超晶格包括通過所述多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的連續(xù)的沉積來形成每個組；并且其中進行所述至少一次退火包括在完成至少一個層組內(nèi)的所有的多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之前，進行所述至少一次退火。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成至少一個層組內(nèi)的所述多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的至少一個的沉積之后，進行所述至少一次退火。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成不多于8層基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之后，進行所述至少一次退火。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成不多于4層基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之后，進行所述至少一次退火。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在大約550到750'C范圍內(nèi)的溫度下進行所述至少一次退火。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在大約625到675'C范圍內(nèi)的溫度下進行所述至少一次退火。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括進行至少一次持續(xù)在大約1到30分鐘范圍內(nèi)的時長的退火。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括進行至少一次持續(xù)在大約5到15分鐘范圍內(nèi)的時長的退火。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中至少一個非半導(dǎo)體單層中的每個是單個單層厚。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分是小于8個單層厚。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中超晶格還包括位于最上部的層組上的基礎(chǔ)半導(dǎo)體覆蓋層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分具有相同數(shù)量的單層的厚度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分中至少一些具有不同數(shù)量的單層的厚度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中每個基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包括選自包括第IV族半導(dǎo)體、笫III-V族半導(dǎo)體以及第II-VI族半導(dǎo)體的組中的基礎(chǔ)半導(dǎo)體。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中形成所述超晶格包括在基片上形成所述超晶格。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括用其內(nèi)的至少一種導(dǎo)電率摻雜劑對所述超晶格進行摻雜。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述超晶格限定了用于所述半導(dǎo)體器件的溝道，并且，該方法還包括形成與所述超晶格溝道橫向相鄰的源區(qū)和漏區(qū)；以及形成位于所述超晶格溝道上的柵極。
19. 一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括形成包括多個連續(xù)沉積的層組的超晶格，每個層組包括用于限定基礎(chǔ)硅部分的多個連續(xù)沉積的基礎(chǔ)硅單層和限制于相鄰的基礎(chǔ)硅部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層；以及在完成至少一個層組內(nèi)的所有的多個基礎(chǔ)硅單層的沉積之前，進行至少一次退火。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成不多于4個基礎(chǔ)硅單層的沉積之后，進行所述至少一次退火。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在大約625到675。C范圍內(nèi)的溫度下進行所述至少一次退火。
22. —種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括形成包括多個疊加的層組的超晶格，每個層組包括用于限定基礎(chǔ)硅部分的多個疊加的基礎(chǔ)硅單層和限制于相鄰的基礎(chǔ)硅部分的晶格內(nèi)的至少一個氧單層；以及在完成所述超晶格的形成之前，在約550到750'C范圍內(nèi)的溫度下進行至少一次持續(xù)在大約1到30分鐘范圍內(nèi)的時長的退火。
23. 才艮據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成所述超晶格包括通過多個基礎(chǔ)硅單層的連續(xù)沉積來形成每個組；并且其中進行所述至少一次退火包括在完成至少一個層組內(nèi)的所有的多個基礎(chǔ)硅單層的沉積之前，進行所述至少一次退火。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成至少一個層組內(nèi)的所述多個基礎(chǔ)硅單層的至少一個的沉積之后，進行所述至少一次退火。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成不多于4個基礎(chǔ)硅單層的沉積之后，進行所述至少一次退火。
26. —種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括形成包括多個疊加的層組的超晶格，每個層組包括用于限定基礎(chǔ)硅部分的多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制于相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層，并且相鄰的層組內(nèi)的相對的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層以化學(xué)形式結(jié)合在一起；以及在完成所述超晶格的形成之前，進行至少一次退火。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述超晶格包括通過所述多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的連續(xù)沉積來形成每個組；并且，其中進行所述至少一次退火包括在完成至少一個層組內(nèi)的所有的多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之前，進行所述至少一次退火。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成至少一個層組內(nèi)的所述多個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的至少一個的沉積之后，進行所述至少一次退火。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成不多于8個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之后，進行所述至少一次退火。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在完成不多于4個基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層的沉積之后，進行所述至少一次退火。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中進行所述至少一次退火包括在大約625到675t!范圍內(nèi)的溫度下進行所述至少一次退火。
全文摘要
一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，可以包括形成包括多個疊加的層組的超晶格，每個層組包括用于限定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個疊加的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和限制于相鄰的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分內(nèi)的至少一個非半導(dǎo)體單層。本方法也可以包括在完成超晶格的形成之前，進行至少一次退火。
文檔編號H01L21/8238GK101501818SQ200680022402
公開日2009年8月5日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者斯考特·A·克瑞普斯, 羅伯特·約翰·史蒂芬森, 邁爾柯·伊薩 申請人:梅爾斯科技公司