專利名稱：包含超晶格區(qū)的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更特別地，涉及基于能帶設(shè)計(jì)具有增強(qiáng) 的性能的半導(dǎo)體和相關(guān)的方法。
背景技術(shù)：
已提出諸如通過增強(qiáng)電荷載流子的遷移率而增強(qiáng)半導(dǎo)體器件的性
能的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。例如，Currie等人的美國專利申請(qǐng)No. 2003/0057416 公開了硅的應(yīng)變材料層、硅-鍺和松馳的硅，還包括否則會(huì)導(dǎo)致性能 劣化的無雜質(zhì)區(qū)。在上面的硅層中得到的雙軸應(yīng)變改變載流子遷移率， 從而使得能夠得到更高速度和/或更低功率的器件。公開的Fitzgerald 等人的美國專利申請(qǐng)No. 2003/0034529公開了也基于類似的應(yīng)變硅技 術(shù)的CMOS逆變器。
Takagi的美國專利No. 6472685 B2公開了包含夾在硅層之間的硅 和碳層使得第二硅層的導(dǎo)帶和價(jià)帶接收拉伸應(yīng)變的半導(dǎo)體器件。具有 較小的有效質(zhì)量并且通過施加到柵電極的電場而感應(yīng)的電子被限制在 第二硅層中，由此，斷言n溝道MOSFET具有較高的遷移率。
Ishibashi等人的美國專利No. 4937204公開了 一種超晶格，其中， 少于八個(gè)單層并包含部分或二元或二元化合物半導(dǎo)體層的多個(gè)層被交 替和外延生長。主電流流動(dòng)的方向與超晶格的層垂直。
Wang等人的美國專利No. 5357119公開了具有通過減小超晶格 中的合金散射而實(shí)現(xiàn)的較高遷移率的Si-Ge短周期超晶格。沿著這些 路線，Candelaria的美國專利No. 5683934公開了包括含珪和第二材 料的合金的溝道層的增強(qiáng)遷移率的MOSFET，該第二材料以將溝道層 置于拉伸應(yīng)力下的百分比替代性地存在于硅晶格中。
Tsh的美國專利No. 5216262公開了包含兩個(gè)勢壘區(qū)和夾在勢壘之間的薄外延生長半導(dǎo)體層的量子阱結(jié)構(gòu)。各勢壘區(qū)由厚度一般處于
二到六個(gè)單層的范圍中的Si02/Si的交替的層構(gòu)成。厚得多的硅的部 分被夾在勢壘之間。
也是Tsu的并在2000年9月6日由Applied Physics and Materials Science & Processing在線出版的第391~402頁的題目為"Phenomena in silicon nanostructure devices，，的文章公開了珪和氧的半導(dǎo)體原子超 晶格(SAS) 。 Si/0超晶格被公開為在硅量子和發(fā)光器件中是有用的。 特別地，綠色電致發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)被構(gòu)建和測試。二極管結(jié)構(gòu)中的電 流流動(dòng)是垂直的，即，與SAS的層垂直。所公開的SAS可包含被諸 如氧原子和CO分子的吸附物質(zhì)(species)分隔開的半導(dǎo)體層。超出 氧的吸附單層的硅生長被描述為缺陷密度相當(dāng)?shù)偷耐庋印?一個(gè)SAS結(jié) 構(gòu)包含約為八個(gè)硅原子層的l.lnm厚的硅部分，另一結(jié)構(gòu)具有兩倍于 該厚度的珪。在Physical Review Letters, Vol. 89， No. 7 ( 2002年8月 12日)中出版的Luo等人的題目為"Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Smcon，，的文章進(jìn)一步討論了 Tsu的發(fā)光SAS結(jié)構(gòu)。
Wang、 Tsu和Lofgren的出版的國際申請(qǐng)WO 02/103767 Al公 開了薄的硅和氧、碳、氮、磷、銻、砷或氫的勢壘構(gòu)建塊，以由此將 垂直流過晶格的電流減小四個(gè)數(shù)量級(jí)以上。絕緣層/勢壘層允許挨著絕 緣層沉積低缺陷的外延硅。
出版的Mears等人的英國專利申請(qǐng)2347520公開了非周期光子帶 隙(APBG)結(jié)構(gòu)的原理可適于電子帶隙設(shè)計(jì)。特別地，該申請(qǐng)公開 了可以定制例如帶最小值的位置、有效質(zhì)量等的材料參數(shù)，以產(chǎn)生具 有希望的帶結(jié)構(gòu)特性的新的非周期材料。諸如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和介電 常數(shù)(dielectric permittivity)或磁導(dǎo)率的其它參數(shù)被公開為也可能被 設(shè)計(jì)到材料中。
特別是在諸如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的多 數(shù)載流子器件中，半導(dǎo)體器件中的載流子流動(dòng)的阻力是無效率的重要 來源。因此，希望提供可減小這些器件中的載流子流動(dòng)導(dǎo)通電阻 (on-resistance )的增強(qiáng)的半導(dǎo)體材料。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上的背景，因此本發(fā)明的目的是提供具有減小的載流子流 動(dòng)導(dǎo)通電阻的半導(dǎo)體器件。
通過一種半導(dǎo)體器件提供根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)及其它目的、特征和 優(yōu)點(diǎn)，該半導(dǎo)體器件可包括襯底和在襯底中在其間界定溝道區(qū)的隔開 的源區(qū)和漏區(qū)。襯底可在溝道和/或漏區(qū)中具有多個(gè)隔開的超晶格。各
超晶格可包含多個(gè)層疊的層組，各組包含界定基礎(chǔ)(base)半導(dǎo)體部 分的多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和其上的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。并 且，所述至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層可在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi) 被約束。
更特別地，源區(qū)和漏區(qū)可橫向隔開，并且隔開的超晶格可在源區(qū) 和漏區(qū)之間橫向延伸。另外，源區(qū)和漏區(qū)可垂直隔開，并且隔開的超 晶格可在源區(qū)和漏區(qū)之間垂直延伸。并且，隔開的超晶格可基本上相 互平行。該器件還可包括鄰近溝道區(qū)的柵電介質(zhì)層和鄰近柵電介質(zhì)層 的柵電極層。
作為例子，基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可包含硅，并且非半導(dǎo)體單層可包含 氧。更一般地，基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可包含選自由第IV族半導(dǎo)體、第III-V 族半導(dǎo)體和第n-VI族半導(dǎo)體構(gòu)成的組的基礎(chǔ)半導(dǎo)體，并且，非半導(dǎo) 體單層可包含選自由氧、氮、氟和碳-氧構(gòu)成的組的非半導(dǎo)體。
例如，各非半導(dǎo)體層可以是單個(gè)單層厚。并且，各基礎(chǔ)半導(dǎo)體部 分可小于八個(gè)單層厚。并且，各超晶格還可在最上面的層組上包含基 礎(chǔ)半導(dǎo)體蓋層。另外，所有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分均可為相同數(shù)量的單層
厚，基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分中的至少一些可為不同數(shù)量的單層厚，或者，所 有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分均可為不同數(shù)量的單層厚。并且，各超晶格的鄰 近的層組中的相對(duì)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分可在化學(xué)上鍵合(bound)在一 起。
本發(fā)明的其它方面涉及器件的相關(guān)制造方法。


圖1是在其漏區(qū)和溝道區(qū)中包含多個(gè)超晶格的根據(jù)本發(fā)明的n溝 道橫向DMOS器件的頂視圖。
圖2是圖1的器件的超晶格的剖面圖。
圖3是沿線3-3切取的圖1的器件的剖面圖。
圖4是圖1的器件的襯底的透視圖，示出其中的超晶格填充溝槽。
圖5是在其漏極和溝道區(qū)中包含多個(gè)超晶格的根據(jù)本發(fā)明的n溝 道垂直DMOS器件的頂^L圖。
圖6是圖5的器件的超晶格的剖面圖。
圖7是沿線7-7切取的圖5的器件的剖面圖。
圖8是圖5的器件的襯底的透視圖，示出其中的超晶格填充溝槽。
圖9是用于根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中的超晶格的放大很大的示 意性剖面圖。
圖10是圖9所示的超晶格的一部分的示意性透視原子圖。
圖ll是可在圖l的器件中使用的超晶格的另一實(shí)施例的放大很大 的示意性剖面圖。
圖12A是現(xiàn)有技術(shù)中的塊體硅和圖9 10所示的4/1 Si/O超晶格 的從伽馬點(diǎn)(G)計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)的示圖。
圖12B是現(xiàn)有技術(shù)中的塊體硅和圖9 10所示的4/1 Si/O超晶格 的從Z點(diǎn)計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)的示圖。
圖12C是現(xiàn)有技術(shù)中的塊體硅和圖11所示的5/1/3/1 Si/0超晶格 的從伽馬點(diǎn)和Z點(diǎn)計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)的示圖。
圖13是包含用于減小導(dǎo)通電阻的多個(gè)超晶格的根據(jù)本發(fā)明的n 溝道MOSFET器件的剖面圖。
圖14是包含用于減小導(dǎo)通電阻的多個(gè)超晶格的根據(jù)本發(fā)明的n 溝道溝槽DMOS器件的剖面圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明可以使用多個(gè)超晶格用于減小導(dǎo)通電阻的n 溝道超3D MOSFET的透視圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖更全面地說明本發(fā)明。 但是，本發(fā)明可以許多不同的形式實(shí)施并且不應(yīng)被解釋為限于這里闡 述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是使得本公開是完全徹底的，并 且完全地將本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。類似的附圖標(biāo)記始 終表示類似的要素，并且使用帶撇的符號(hào)來表示替代性實(shí)施例中的類 似要素。
本發(fā)明涉及在原子或分子級(jí)控制半導(dǎo)體材料的性能，以在半導(dǎo)體 器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的性能。并且，本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體器件中的改進(jìn) 的材料的識(shí)別、產(chǎn)生和使用。特別地，以下的說明討論已填充有高載 流子遷移率的、能帶被設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)的溝槽的加入，以有 利地減小器件導(dǎo)通電阻。
申請(qǐng)人提出理論，但不希望束綽于這種理論即，這里說明的某 些超晶格減小電荷載流子的有效質(zhì)量，并且這由此導(dǎo)致更高的電荷載 流子遷移率。在文獻(xiàn)中以各種定義對(duì)于有效質(zhì)量進(jìn)行了描述。作為有 效質(zhì)量的改善的度量，申請(qǐng)人分別對(duì)于電子和空穴使用"傳導(dǎo)率倒易有 效質(zhì)量張量(conductivity reciprocal effective mass tensor ) ，，m:'和m:1 ，
被定義為
對(duì)于電子，
<formula>formula see original document page 10</formula>
對(duì)于空穴，
<formula>formula see original document page 10</formula>
這里，f是費(fèi)米-迪拉克分布，Ef是費(fèi)米能，T是溫度，E(k，n)是 處于與波矢k和第n個(gè)能帶對(duì)應(yīng)的狀態(tài)中的電子的能量，指數(shù)i和j 是指笛卡爾坐標(biāo)x、 y和z，在布里淵區(qū)(B.Z.)上取積分，并且對(duì)于 電子和空穴分別在具有費(fèi)米能之上和之下的能量的帶上求和。申請(qǐng)人對(duì)于傳導(dǎo)率倒易有效質(zhì)量張量的定義使得，對(duì)于傳導(dǎo)率倒 易有效質(zhì)量張量的相應(yīng)分量的較大值，材料的傳導(dǎo)率的張量分量較大。
申請(qǐng)人又提出理論，但不希望束綽于該理論這里說明的超晶格設(shè)置 傳導(dǎo)率倒易有效質(zhì)量張量的值，以使得諸如一般對(duì)于電荷載流子輸運(yùn) 的擇優(yōu)方向增強(qiáng)材料的傳導(dǎo)性能。適當(dāng)?shù)膹埩吭氐牡箶?shù)(inverse) 被稱為傳導(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 如上所述并且沿想要的載流子輸運(yùn)方向計(jì)算的傳導(dǎo)電子和空穴的傳導(dǎo) 率有效質(zhì)量，以辨別改進(jìn)的材料。
通過使用上述的度量，可以對(duì)于特定的目的選擇具有改進(jìn)的帶結(jié) 構(gòu)的材料。這樣的一個(gè)例子是在諸如圖1~4所示的橫向DMOS器件 20的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中使用的超晶格 25材料(將在后面進(jìn)一步詳細(xì)討論)。雖然出于示意的目的示出并且 在這里說明橫向DMOS結(jié)構(gòu)，但應(yīng)理解，也可以如圖13所示在其它 的半導(dǎo)體器件(例如，PMOS、 NMOS、 CMOS等)中類似地加入超 晶格材料。器件20解釋性地包含襯底21、源區(qū)23、體(body)區(qū)26 和摻雜的漏區(qū)27。源區(qū)和漏區(qū)23和27在其間界定溝道區(qū)24。源區(qū)和 漏區(qū)23和27具有各自的接觸70、 71和其上的金屬化72、 73 (圖1)。 應(yīng)當(dāng)理解，在圖1中載流子流動(dòng)是從左到右的。應(yīng)當(dāng)注意，示出的器 件的漏極不僅包含摻雜的漏區(qū)27 (形成歐姆接觸的位置)，而且包含 P型體26右邊和下面的N型區(qū)的部分。
器件20還解釋性地包含在本例子中延伸到溝道和漏區(qū)24、 27中 的多個(gè)隔開的超晶格25。超晶格25解釋性地在源區(qū)和漏區(qū)23、 27之 間橫向延伸。在橫向DMOS器件的情況中，超晶格25在一些實(shí)施例 中可能僅處于漏區(qū)27中，在其它的實(shí)施例中僅處于溝道區(qū)中，但在示 出的實(shí)施例中，超晶格25存在于溝道區(qū)24和漏區(qū)27中。
柵結(jié)構(gòu)35形成在襯底21上，并解釋性地包含在溝道區(qū)24上的柵 電介質(zhì)層36和在柵電介質(zhì)層上的柵電極層37。從以下的超晶格結(jié)構(gòu) 的說明可以理解，由于這是橫向DMOSFET器件，因此，在器件20 的溝道和/或漏區(qū)24、 27中包含隔開的超晶格可有利地減小主要載流子流動(dòng)路徑中的導(dǎo)通電阻，該主要載流子流動(dòng)路徑在示出的例子中為
橫向并沿著襯底21的表面。并且，在示出的例子中，隔開的超晶格 25基本上相互平行，但在其它的實(shí)施例中可以使用其它的配置。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5-8說明垂直DMOS器件20'的另一示例性實(shí)施例。 在本實(shí)施例中，均為橫向的源區(qū)和漏區(qū)22'、 23',皮垂直隔開，即，漏 區(qū)在源區(qū)旁邊和下面，體區(qū)38'位于其間，并且超晶格25'如圖6和圖 7所示在源區(qū)和漏區(qū)之間垂直延伸。在形成于N+襯底21'上的N外延 層26'中形成體區(qū)38'。器件20'還解釋性地包含鄰近柵極35'的金屬接 觸30'、 40',源/體端子32',柵端子34'和漏端子39'。
這里也應(yīng)注意，諸如圖13所示的常規(guī)MOS器件和圖14所示的 溝槽DMOS器件20〃的其它器件配置是可能的。在Blanchard的美國 專利No. 4767722中可找到關(guān)于溝槽DMOS器件的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，在此 通過引用而加入該專利的全部內(nèi)容。可有利地使用上述的超晶格填充 溝槽以減小器件導(dǎo)通電阻的另一示例性結(jié)構(gòu)是如圖15所示并在2002 IEEE, Super 3D MOSFET， Proc. ISPSD第233~236頁中的J. Sakakibara的題目為"Break國Through Of The Si Limit Under 300 V
Breakdown Voltage With New Concept Power Device: Super 3D MOSFET，，的文章中進(jìn)一步說明的超3D MOSFET 80〃，在此也通過引 用而加入該文章的全部內(nèi)容。
雖然附圖中的所有器件均是n溝道器件，但可通過用n型區(qū)替換 p型區(qū)以及相反來形成p溝道器件。
可以使用各種技術(shù)形成超晶格25。 一種方法是，在襯尿21中蝕 刻溝槽，然后，在溝槽的側(cè)壁和底部上(圖2)或僅在溝槽的側(cè)壁上 (圖6)執(zhí)行選擇性原子層沉積，以形成下述的超晶格結(jié)構(gòu)，這是本 領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的。溝槽可如圖1所示僅在源區(qū)和漏區(qū)之間延 伸以及如圖5所示僅在源區(qū)之間延伸，或者可跨過整個(gè)器件或跨過整 個(gè)晶片延伸。作為替代方案，可以在半導(dǎo)體層的表面上形成超晶格25 柱體，然后半導(dǎo)體材料可被沉積(例如，外延)或構(gòu)建在柱體周圍的 半導(dǎo)體層上并任選地被拋光，以由此界定其中具有超晶格25的襯底21 。在Mears等人的發(fā)明名稱為"FINFET INCLUDING A SUPERLATTICE"的共同未決美國專利申請(qǐng)系列No. 11/426969中可 找到關(guān)于超晶格柱體形成的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，該專利申請(qǐng)被受讓給當(dāng)前的 受讓人且由此通過引用而加入其全部內(nèi)容。
從以下的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在上述的器件中，在 體-漏結(jié)和漏接觸區(qū)之間包含鄰近漏區(qū)的高遷移率的、能帶被設(shè)計(jì)的 半導(dǎo)體超晶格25可有利地提供所希望的導(dǎo)通電阻降低。本領(lǐng)域技術(shù)人 員也將會(huì)理解，超晶格25在一些實(shí)施例中可延伸到源區(qū)的體中。襯底 21和能帶被設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體超晶格25將優(yōu)選具有高得足以耐受所希望 的器件電壓的電阻率。
申請(qǐng)人例如已識(shí)別出用于諸如MOSFET的半導(dǎo)體器件的改進(jìn)的 材料或結(jié)構(gòu)。更具體而言，申請(qǐng)人已識(shí)別出具有這樣的能帶結(jié)構(gòu)的材 料或結(jié)構(gòu)，對(duì)于所述能帶結(jié)構(gòu)，電子和/或空穴的適當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)率有效質(zhì) 量明顯比硅的相應(yīng)值小。
現(xiàn)在另外參照?qǐng)D9和圖10，材料或結(jié)構(gòu)采取在原子或分子級(jí)控制 其結(jié)構(gòu)的超晶格25的形式，并且可使用原子或分子層沉積的已知技術(shù) 形成。超晶格25包含以層疊的關(guān)系配置的多個(gè)層組45a 45n,特別參 照?qǐng)D9的示意性剖面圖可能會(huì)最好地理解這一點(diǎn)。
超晶格25的各層組45a 45n解釋性地包含界定各自的基礎(chǔ)半導(dǎo) 體部分46a 46n的多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46和其上的能帶改變 層50。為了清楚地解釋，能帶改變層50由圖1中的點(diǎn)畫表示。
能帶改變層50解釋性地包含在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi) 被約束的一個(gè)非半導(dǎo)體單層。在其它的實(shí)施例中，多于一個(gè)的這種單 層會(huì)是可能的。應(yīng)當(dāng)注意，這里提到的非半導(dǎo)體或半導(dǎo)體單層意味著， 如果以塊體形成，用于單層的材料將是非半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體。即，如 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的那樣，諸如半導(dǎo)體的材料的單個(gè)單層不一 定表現(xiàn)出與如果以塊體或以相對(duì)較厚的層形成會(huì)表現(xiàn)出的性能相同的 性能。
申請(qǐng)人提出理論，但不希望束縛于該理論即，能帶改變層50和鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a 46n導(dǎo)致超晶格25沿平行層方向具有 的電荷載流子的適當(dāng)傳導(dǎo)率有效質(zhì)量比否則會(huì)存在的低。以另一方式 考慮，該平行方向與層疊方向正交。能帶改變層50還可導(dǎo)致超晶格 25具有共同(common)的能帶結(jié)構(gòu)。能帶改變層50還可導(dǎo)致超晶格 25具有共同的能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)還有利地用作超晶格的垂直上下方的層 或區(qū)之間的絕緣體。
并且，該結(jié)構(gòu)還可有利地用作對(duì)于在超晶格25的垂直上下方的層 之間的摻雜劑和/或材料滲出的阻擋物。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的 那樣，這些性能由此可有利地允許超晶格25提供用于高K電介質(zhì)的 界面，該界面不僅減少高K材料滲入溝道區(qū)中，而且還會(huì)有利地減少 不希望的散射效果并改善器件遷移率。
還提出理論與否則會(huì)存在的相比，包含超晶格25的半導(dǎo)體器件 會(huì)基于較低的傳導(dǎo)率有效質(zhì)量而享有較高的電荷載流子遷移率。在一 些實(shí)施例中，并且，作為通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的能帶設(shè)計(jì)的結(jié)果，超晶格 25例如還可具有可能對(duì)于光電器件特別有利的基本上直接的能帶隙， 如下面進(jìn)一步詳細(xì)說明的那樣。
超晶格25還解釋性地在上層組45n上包含蓋層52。蓋層52可包 含多個(gè)基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層46。蓋層52可具有基礎(chǔ)半導(dǎo)體的2~100個(gè)單 層，更優(yōu)選10 50個(gè)單層。
各基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a 46n可包含選自由第IV族半導(dǎo)體、第III-V 族半導(dǎo)體和第II-VI族半導(dǎo)體構(gòu)成的組的基礎(chǔ)半導(dǎo)體。當(dāng)然，如本領(lǐng) 域技術(shù)人員將會(huì)理解的那樣，術(shù)語第IV族半導(dǎo)體還包含第IV-IV族 半導(dǎo)體。更具體而言，例如，基礎(chǔ)半導(dǎo)體可包含硅和鍺中的至少一種。
例如，各能帶改變層50可包含選自由氧、氮、氟和碳-氧構(gòu)成的 組的非半導(dǎo)體。還希望非半導(dǎo)體在下一層的沉積中是熱穩(wěn)定的，以由
此有利于制造。在其它的實(shí)施例中，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的那 樣，非半導(dǎo)體可以是與給定的半導(dǎo)體處理相容的另一無機(jī)或有機(jī)元素
或化合物。更具體而言，例如，基礎(chǔ)半導(dǎo)體可包含硅和鍺中的至少一 種。應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語單層意味著包含單個(gè)原子層以及還有單個(gè)分子層。
還應(yīng)注意，由單個(gè)單層提供的能帶改變層50還意味著包含不是所有的 可能的位置都被占據(jù)的單層。例如，特別參照?qǐng)DIO的原子圖，對(duì)于作 為基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的硅和作為能帶改變材料的氧示出4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)。 在氧的可能的位置中，只有一半被占據(jù)。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的那樣，在其它的實(shí)施例中并且/或者 對(duì)于不同的材料，未必會(huì)是這種一半占據(jù)的情況。事實(shí)上，即使在該 示意圖中也可看出，給定單層中的氧的各個(gè)體原子沒有精確地沿平面 排列，這一點(diǎn)也是如原子沉積領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解的那樣。作為 例子，優(yōu)選的占據(jù)范圍為可能的占滿的氧位置的約八分之一到二分之 一，但是，在某些實(shí)施例中可以使用其它的數(shù)量。
當(dāng)前硅和氧被廣泛用于常規(guī)的半導(dǎo)體處理中，因此制造商能夠容 易地如這里說明的那樣使用這些材料。原子或單層沉積現(xiàn)在也被廣泛 使用。因此，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的那樣，可以容易地釆用和 實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的加入超晶格25的半導(dǎo)體器件。
申請(qǐng)人提出理論，但不希望束縛于該理論即，例如對(duì)于諸如Si/O 超晶格的超晶格，硅單層的數(shù)量應(yīng)如希望的那樣為七個(gè)或更少，使得 超晶格的能帶到處是共同的或相對(duì)均勻的，以實(shí)現(xiàn)所希望的優(yōu)點(diǎn)。在 圖9和圖10中示出的4/1重復(fù)結(jié)構(gòu)對(duì)于Si/O已被模擬以指示著沿X 方向電子和空穴的遷移率增強(qiáng)。例如，計(jì)算的電子的傳導(dǎo)率有效質(zhì)量 (對(duì)于塊體硅是各向同性的)為0.26，并且對(duì)于沿X方向的4/1 SiO 超晶格，它為0.12，從而得到0.46的比值。類似地，空穴計(jì)算值對(duì)于 塊體硅為0.36，并且對(duì)于4/1 SiO超晶格為0.16,從而得到0.44的比 值。
雖然可能在某些半導(dǎo)體器件中希望這種定向優(yōu)先的特征，但其它 的器件可能受益于沿與層組平行的任意方向遷移率的更均勻的增大。 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的那樣，還有益的是，對(duì)于電子或空穴兩 者，或者僅僅對(duì)于這些電荷載流子類型中的一種，具有增大的遷移率。
超晶格25的4/1 Si/O實(shí)施例的較低的傳導(dǎo)率有效質(zhì)量可比否則會(huì)出現(xiàn)的傳導(dǎo)率有效質(zhì)量的三分之二小，并且這適用于電子和空穴。當(dāng)
然，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的那樣，超晶格25還可在其中包含至 少一種類型的傳導(dǎo)性摻雜劑。
事實(shí)上，現(xiàn)在另外參照?qǐng)Dll說明具有不同性能的根據(jù)本發(fā)明的超 晶格25'的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，示出3/1/5/1的重復(fù)圖案。更 具體而言，最下面的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46a'具有三個(gè)單層，并且，次最 下的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分46b'具有五個(gè)單層。該圖案在整個(gè)超晶格25'中 重復(fù)。能帶改變層50'可各包含單個(gè)單層。對(duì)于這種包舍Si/0的超晶 格25',電荷載流子遷移率的增強(qiáng)與層的平面中的取向無關(guān)。圖11中 的那些沒有具體提到的其它要素與上面參照?qǐng)D9討論的那些類似，這 里不需要進(jìn)一步的討論。
在一些器件實(shí)施例中，超晶格的所有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分均可為相 同數(shù)量的單層厚。在其它的實(shí)施例中，基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分中的至少一些 可為不同數(shù)量的單層厚。在另外的實(shí)施例中，所有的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分 均可為不同數(shù)量的單層厚。
在圖12A-12C中，給出了使用密度函數(shù)理論(DFT)計(jì)算的帶結(jié) 構(gòu)。DFT低估帶隙的絕對(duì)值在本領(lǐng)域中是公知的。由此，帶隙之上的 所有能帶均可偏移適當(dāng)?shù)?剪取校正(scissors correction)"。但是， 已知能帶的形狀是可靠得多的。應(yīng)鑒于此解釋垂直的能量軸。
圖12A表示塊體硅(由連續(xù)線表示)和圖9所示的4/1 Si/O超晶 格25 (由點(diǎn)線表示)的從伽馬點(diǎn)(G)計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)。方向指的是4/1 Si/0結(jié)構(gòu)的單胞而不是常規(guī)的Si的單胞，盡管圖中的(001)方向的 確與常規(guī)的Si的單胞的(001)方向?qū)?yīng)，并由此示出所預(yù)期的Si導(dǎo) 帶最小值的位置。圖中的(100)方向和(010)方向與常規(guī)的Si單胞 的(110)和(-110)方向?qū)?yīng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，圖上的 Si的帶被折疊，以在4/1 Si/O結(jié)構(gòu)的適當(dāng)?shù)牡挂拙Ц穹较蛏洗硭鼈儭?br> 可以看出，與塊體硅(Si)不同，4/1 Si/O結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶最小值位于 伽馬點(diǎn)處，而價(jià)帶最小值沿(001)方向出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊緣處，我 們將其稱為Z點(diǎn)。還可注意到，由于由附加的氧層引入的擾動(dòng)而導(dǎo)致帶分裂，因此，與Si的導(dǎo)帶最小值的曲率相比，4/1Si/0結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶 最小值的曲率更大。
圖12B表示塊體硅(連續(xù)線)和4/1 Si/O超晶格25 (點(diǎn)線)的從 Z點(diǎn)計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)。該圖示出沿(100)方向價(jià)帶的曲率增強(qiáng)。
圖12C表示塊體硅(連續(xù)線)和圖11的超晶格25'的5/1/3/1 Si/O 結(jié)構(gòu)(點(diǎn)線)的從伽馬點(diǎn)和Z點(diǎn)計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)。由于5/1/3/1 Si/O結(jié) 構(gòu)的對(duì)稱性，因此沿(100)和(010)方向計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)是等價(jià)的。 因此，傳導(dǎo)率有效質(zhì)量和遷移率可望在與層平行即與(001)層疊方向 垂直的面中是各向同性的。注意，在5/1/3/1 Si/O例子中，導(dǎo)帶最小值 和價(jià)帶最大值均在Z點(diǎn)處或接近Z點(diǎn)。
雖然曲率增加表示有效質(zhì)量減小，但可通過傳導(dǎo)率倒易有效質(zhì)量 張量計(jì)算來進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^和辨別。這導(dǎo)致申請(qǐng)人進(jìn)一步提出理論 5/1/3/1超晶格25'應(yīng)是基本上直接的帶隙。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理 解，用于光學(xué)躍遷(transition)的適當(dāng)?shù)木仃囋厥侵苯雍烷g接帶隙 行為之間的區(qū)別的另一指示。
受益于在以上的說明和相關(guān)的附圖中給出的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人
員可想到本發(fā)明的許多變更和其它實(shí)施例。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明 不應(yīng)限于所公開的特定實(shí)施例，并且意在將變更和實(shí)施例包含于本發(fā) 明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括襯底；在所述襯底中在其間界定溝道區(qū)的隔開的源區(qū)和漏區(qū)；所述襯底在漏區(qū)中具有多個(gè)隔開的超晶格；各超晶格包含多個(gè)層疊的層組，各組包含界定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和其上的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層，且所述至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)被約束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，所述多個(gè)隔開的超晶格 還延伸到溝道區(qū)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)橫向隔開。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)垂直隔開。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，所述隔開的超晶格在所述源區(qū)和漏區(qū)之間橫向延伸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，所述隔開的超晶格在所 述源區(qū)和漏區(qū)之間垂直延伸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，所述隔開的超晶格基本 上相互平行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，還包括鄰近溝道區(qū)的柵電介質(zhì) 層和鄰近所述柵電介質(zhì)層的柵電極層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，各基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含選自由第iv族半導(dǎo)體、第in-v族半導(dǎo)體和笫n-vi族半導(dǎo)體構(gòu)成的組的基礎(chǔ)半導(dǎo)體；并且，各非半導(dǎo)體單層包含選自由氧、氮、氟和碳 -氧構(gòu)成的組的非半導(dǎo)體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中，各超晶格的相鄰層組 中的相對(duì)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分在化學(xué)上被鍵合在一起。
11. 一種半導(dǎo)體器件，包括 襯底；在所述襯底中在其間界定溝道區(qū)的隔開的源區(qū)和漏區(qū)； 所述襯底在溝道區(qū)中具有多個(gè)隔開的超晶格；以及 各超晶格包含多個(gè)層疊的層組，各組包含界定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的 多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和其上的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層，且所述 至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)被約束。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)橫向 隔開。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)垂直 隔開。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，所述隔開的超晶格在 所述源區(qū)和漏區(qū)之間橫向延伸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，所述隔開的超晶格在 所述源區(qū)和漏區(qū)之間垂直延伸。
16. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，所述隔開的超晶格基 本上相互平行。
17. 才艮據(jù)權(quán)利要求11的半導(dǎo)體器件，還包括鄰近溝道區(qū)的柵電介 質(zhì)層和鄰近所述柵電介質(zhì)層的柵電極層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，各基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包 含選自由第IV族半導(dǎo)體、第III-V族半導(dǎo)體和第II-VI族半導(dǎo)體構(gòu)成 的組的基礎(chǔ)半導(dǎo)體；并且，.各非半導(dǎo)體單層包含選自由氧、氮、氟和 碳-氧構(gòu)成的組的非半導(dǎo)體。
19. 根據(jù)權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中，各超晶格的相鄰層組 中的相對(duì)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分在化學(xué)上被鍵合在一起。
20. —種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括 提供其中具有多個(gè)隔開的超晶格的襯底；和在襯底中形成在其間界定溝道區(qū)的源區(qū)和漏區(qū)，并且所述多個(gè)隔 開的超晶格在漏區(qū)中；各超晶格包含多個(gè)層疊的層組，各組包含界定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的 多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和其上的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層，且所述 至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)被約束。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，形成包括形成所述源區(qū)和漏 區(qū)使得所述多個(gè)隔開的超晶格還延伸到溝道區(qū)中。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)橫向隔開。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)垂直隔開。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，形成包括形成所述源區(qū)和漏 區(qū)使得所述隔開的超晶格在所述源區(qū)和漏區(qū)之間橫向延伸。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，形成包括形成所述源區(qū)和漏 區(qū)使得所述隔開的超晶格在所述源區(qū)和漏區(qū)之間垂直延伸。
26. 才艮據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，各基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含選自 由第IV族半導(dǎo)體、第III-V族半導(dǎo)體和第II-VI族半導(dǎo)體構(gòu)成的組的 基礎(chǔ)半導(dǎo)體；并且，各非半導(dǎo)體單層包含選自由氧、氮、氟和碳-氧 構(gòu)成的組的非半導(dǎo)體。
27. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，各超晶格的相鄰層組中的相 對(duì)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分在化學(xué)上被鍵合在一起。
28. —種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括 提供其中具有多個(gè)隔開的超晶格的襯底；和在襯底中形成在其間界定溝道區(qū)的源區(qū)和漏區(qū)，并且所述多個(gè)隔 開的超晶格在溝道區(qū)中；各超晶格包含多個(gè)層疊的層組，各組包含界定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的 多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和其上的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層，且所述 至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)被約束。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)橫向隔開。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，所述源區(qū)和漏區(qū)垂直隔開。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，形成包括形成所述源區(qū)和漏 區(qū)使得所述隔開的超晶格在所述源區(qū)和漏區(qū)之間橫向延伸。
32. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，形成包括形成所述源區(qū)和漏區(qū)使得所述隔開的超晶格在所述源區(qū)和漏區(qū)之間垂直延伸。
33. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，各基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分包含選自 由第IV族半導(dǎo)體、第III-V族半導(dǎo)體和第II-VI族半導(dǎo)體構(gòu)成的組的 基礎(chǔ)半導(dǎo)體；并且，各非半導(dǎo)體單層包含選自由氧、氮、氟和碳-氧 構(gòu)成的組的非半導(dǎo)體。
34. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，各超晶格的相鄰層組中的相 對(duì)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分在化學(xué)上被鍵合在一起。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件(20)可包括襯底(21)和襯底中的在其間界定溝道區(qū)(24)的隔開的源區(qū)(13)和漏區(qū)(27)。襯底可在溝道和/或漏區(qū)中具有多個(gè)隔開的超晶格(25)。各超晶格可包含多個(gè)層疊的層組，各組包含界定基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的多個(gè)層疊的基礎(chǔ)半導(dǎo)體單層和其上的至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層。所述至少一個(gè)非半導(dǎo)體單層在鄰近的基礎(chǔ)半導(dǎo)體部分的晶格內(nèi)被約束。所述半導(dǎo)體器件可以是DMOS器件。
文檔編號(hào)H01L29/15GK101322249SQ200680042668
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)明者R·A·布蘭查德 申請(qǐng)人:梅爾斯科技公司