專利名稱：具有懸空源漏的半導體結構及其形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體設計及制造技術領域，特別涉及一種具有懸空源漏的半導體結構及其形成方法。
背景技術：
長期以來，為了獲得更高的芯片密度、更快的工作速度以及更低的功耗。金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)的特征尺寸一直遵循著所謂的摩爾定律 (Moore' slaw)不斷按比例縮小，其工作速度越來越快。當前已經(jīng)進入到了納米尺度的范圍。然而，隨之而來的一個嚴重的挑戰(zhàn)是出現(xiàn)了短溝道效應，例如亞閾值電壓下跌 (Vtroll-off)、漏極引起勢壘降低(DIBL)、源漏穿通(punch through)等現(xiàn)象，使得器件的關態(tài)泄漏電流顯著增大，從而導致性能發(fā)生惡化。此外，對于采用III-V族化合物材料的器件來說，由于III-V族化合物材料與Si材料之間有非常大的晶格失配，從而導致位錯密度較大。因此需要在III-V族化合物材料與Si材料之間設置過渡層，例如GaAs等材料，該過渡層不僅改善了 III-V族化合物材料與Si材料之間的界面態(tài)，而且還可以改善III-V族化合物材料與Si材料之間的熱應力失配問題。然而目前過渡層都比較厚，且缺陷密度高，嚴重影響了器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決現(xiàn)有技術中器件漏電大的缺陷。本發(fā)明一方面提出了一種半導體結構，包括Si襯底；形成在所述Si襯底之上的多個凸起結構，其中，每兩個凸起結構之間具有一定間隙，所述間隙小于50nm;形成在所述每兩個凸起結構之間，且與所述兩個凸起結構頂部相連的懸空薄層；形成在所述懸空薄層之上的過渡層；形成在所述過渡層之上的高遷移率的III-V族化合物材料層；和形成在所述III-V族化合物材料層之上的柵堆疊，以及形成在所述III-V族化合物材料層中的源極和漏極。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構從所述凸起結構的中部向頂部逐漸增大以使兩個凸起結構頂部之間的間隙小于所述兩個凸起結構中部之間的間隙。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構和所述懸空薄層包括SihC；、SiyGei_y或 Ge0在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構為多層結構，所述凸起結構的底層為Si， 所述凸起結構的頂層為SiyGei_y或Ge。在本發(fā)明的一個實施例中，所述懸空薄層通過對所述多個凸起結構退火形成，所述退火溫度為800-1350度，且在退火時氣氛中含有氫氣。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構為SiyGei_y，所述懸空薄層為Ge層。本發(fā)明實施例還提出了一種半導體結構的形成方法，包括以下步驟提供Si襯底；在所述Si襯底之上形成多個凸起結構，所述每兩個凸起結構之間具有一定間隙，所述間隙小于50nm ；在所述每兩個凸起結構之間形成懸空薄層，且所述懸空薄層與所述兩個凸起結構頂部相連；在所述懸空薄層之上形成過渡層；在所述過渡層之上形成高遷移率的 III-V族化合物材料層；和在所述III-V族化合物材料層之上形成柵堆疊，并在所述III-V 族化合物材料層中形成為源極和漏極。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構和所述懸空薄層為SihCpSiyGe1I或Ge。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構從所述凸起結構的中部向頂部逐漸增大以使兩個凸起結構頂部之間的間隙小于所述兩個凸起結構中部之間的間隙。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構為多層結構，所述凸起結構的底層為Si， 所述凸起結構的頂層為SiyGei_y或Ge。在本發(fā)明的一個實施例中，所述懸空薄層通過對所述多個凸起結構退火形成，所述退火溫度為800-1350度，且在退火時氣氛中含有氫氣。在本發(fā)明的一個實施例中，所述凸起結構為SiyGei_y，在退火時通入GeH4以產(chǎn)生Ge 層作為懸空薄層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述懸空薄層通過外延形成。此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例之中，凸起結構為SiyGei_y，而第一半導體材料薄層為Ge層，可以直接在Ge層之上形成高遷移率的III-V族化合物材料層。第一半導體材料薄層非常薄，在制備凸起結構以及后續(xù)的高溫退火過程中，第一半導體薄層將發(fā)生弛豫，在此基礎上外延高遷移率的III-V族化合物材料層，能夠大幅降低過渡層和高遷移率的III-V 族化合物材料層之間的內(nèi)位錯密度，從而形成高質(zhì)量的異質(zhì)外延結構。此外，由于凸起結構能夠釋放部分的熱失配應力，因此既可以保證過渡層的生長質(zhì)量，而且過渡層可以做的很薄。并且，由于III-V族化合物材料層直接生長在Ge材料的第一半導體材料薄層之上，Ge 材料可以作為Si和III-V族化合物材料之間很好的過渡。本發(fā)明實施例采用懸空結構使得源漏中摻雜雜質(zhì)向襯底的擴散被抑制，從而易制備超淺結，另一方面由于源漏及襯底之間不存在接觸，因此還可以抑制源漏與襯底之間的 BTBT漏電。此外，還減小了源漏的寄生結電容，提高了器件的性能。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明一個實施例的具有懸空源漏的半導體結構的結構圖；圖2為本發(fā)明另一個實施例的具有懸空源漏的半導體結構的結構圖；圖3為本發(fā)明實施例的多層凸起結構的示意圖；圖4為本發(fā)明一個實施例形成兩個共用源極或漏極的半導體結構示意圖；圖5為本發(fā)明另一個實施例形成兩個共用源極或漏極的半導體結構示意圖；圖6為本發(fā)明實施例的具有懸空源漏的半導體結構的形成方法流程圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結構。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數(shù)字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。如圖1所示，為本發(fā)明一個實施例的具有懸空源漏的半導體結構的結構圖。如圖2 所示，為本發(fā)明另一個實施例的具有懸空源漏的半導體結構的結構圖。該具有懸空源漏的半導體結構包括襯底1100，形成在襯底1100之上的多個凸起結構1200，其中，每兩個凸起結構1200之間具有一定間隙，該間隙小于50nm，優(yōu)選地小于30nm。需要說明的是，在本發(fā)明的一個實施例之中凸起結構可為垂直結構，而在圖2和圖3的實施例中，凸起結構1200 從凸起結構1200的中部向頂部逐漸增大以使兩個凸起結構1200頂部之間的間隙小于兩個凸起結構1200中部之間的間隙，從而可以通過退火或外延形成懸空薄層1300。如果對于兩個凸起結構1200頂部之間間隙小于中部之間間隙的情況來說，上述預定距離是兩個凸起結構1200之間的最近距離，即兩個凸起結構1200頂部之間的距離。本發(fā)明適于小尺寸器件，特別適于解決小尺寸器件的漏電問題。該半導體結構還包括形成在每兩個凸起結構1200之間，且與兩個凸起結構1200 頂部相連的懸空薄層1300、形成在懸空薄層1300之上的過渡層2100、和形成在過渡層2100 之上的高遷移率的III-V族化合物材料層2000，例如hGaAs、GaAs, InP, GaSb, InSb, InAs 等。在本發(fā)明的實施例中，過渡層2100也為III-V族化合物材料，例如GaAS、InP等。該半導體結構還包括形成在III-V族化合物材料層2000之上的柵堆疊1400。其中，柵堆疊1400 包括柵介質(zhì)層和柵電極，例如為高k柵介質(zhì)層等。在該實施例中，示出了兩個獨立的半導體結構，每個半導體結構構成一個器件，兩者之間相互隔離，具體地，兩個半導體結構之間的懸空薄層1300被刻蝕掉從而形成隔離結構。在本發(fā)明的一個實施例中，襯底1100包括Si或低Ge組分SiyGei_y，懸空薄層1300 包括 Si^C；、高 Ge 組分 SiyGei_y、Ge 等。在本發(fā)明的一個實施例中，多個凸起結構1200為高Ge組分SiyGei_y、Ge，則懸空薄層1300可通過對多個凸起結構1200退火形成，或者也可以通過外延形成。本發(fā)明實施例通過高溫氫氣氛退火能使表面原子發(fā)生遷移，退火溫度一般約在 800-1350度，同時在本發(fā)明實施例中退火時還需要氣氛中含有氫氣，氫氣能有效地促進表面原子的遷移。優(yōu)選地，當凸起結構1200包括高Ge組分SiyGei_y或Ge時，在退火時還通 SiH4, GeH4, SiH2Cl2, SiHCl3中的一種或多種氣體，通過氣體分解在表面沉積少量的Si和/ 或Ge原子，以使獲得的半導體薄層表面更加平整，從而獲得更好的效果。在退火之后，兩個相鄰的多個凸起結構1200的頂部會相互接觸從而形成懸空薄層1300。在本發(fā)明實施例中對于凸起結構材料不同，其退火溫度也不同，例如對于Si材料來說，一般退火溫度較高，約 1200度左右，而對于Ge材料來說，退火溫度較低，約900度左右。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，凸起結構為SiyGei_y，在退火時通入GeH4從而形成的第一半導體材料薄層為Ge層。在本發(fā)明的另一個實施例中，凸起結構1200為多層結構，其中，多層凸起結構中的最頂層為SihCx、高Ge組分SiyGei_y、Ge。如圖3所示，為本發(fā)明實施例的多層凸起結構的示意圖。其中，所述多層結構中的底層為Si或低Ge組分SiyGei_y，最頂層為SihCx、高Ge 組分SiyGei_y、Ge。例如對圖3來說，凸起結構1200的底層為低Ge組分的SiyGei_y層，頂層為Ge層。這樣低Ge組分的SiyGei_y層可以作為襯底1100和Ge層之間的過渡層。在本發(fā)明的其他實施例中，還可形成兩個共用源極或漏極的半導體結構，如圖4 和5所示。如圖6所示，為本發(fā)明實施例的具有懸空源漏的半導體結構的形成方法流程圖， 包括以下步驟步驟S601，提供襯底，其中，襯底包括Si或低Ge組分SiyGei_y。步驟S602，在襯底之上形成多個凸起結構，所述每兩個凸起結構之間具有一定間隙，一般該間隙小于50nm，優(yōu)選地小于30nm。凸起結構從凸起結構的中部向頂部逐漸增大以使兩個凸起結構頂部之間的間隙小于兩個凸起結構中部之間的間隙，從而可以通過退火或外延形成懸空薄層。具體地，在襯底之上先外延一層或多層半導體材料，例如為Si、 SiyGei_y、Ge的第一半導體材料層。當然在本發(fā)明的其他實施例中，也可以將襯底表層作為第一半導體材料層，即直接在襯底的表面進行刻蝕以形成多個凸起結構。優(yōu)選地，為了形成圖1所示的凸起結構，需要采用具有各向異性的濕法刻蝕對外延的第一半導體材料層進行刻蝕。或者，可替換地，在另一個優(yōu)選實施例中，先向第一半導體材料層之中注入Si或 Ge離子以在第一半導體材料層之中形成離子注入層，接著采用干法刻蝕對第一半導體材料層進行選擇性刻蝕以形成多個凸起結構，由于離子注入層中損傷嚴重，晶體結構被打亂，其刻蝕速度大于第一半導體材料層其他部分的刻蝕速度，從而可以形成圖2所示的結構。步驟S603，在每兩個凸起結構之間形成懸空薄層，且懸空薄層與兩個凸起結構頂部相連，其中，懸空薄層包括Si^c；、高Ge組分SiyGei_y、Ge等。在本發(fā)明的一個實施例中，懸空薄層可通過對多個凸起結構退火形成。本發(fā)明實施例通過退火能使表面材料發(fā)生遷移，退火溫度一般約在800-1350度，同時在本發(fā)明實施例中退火時還需要氣氛中含有氫氣。優(yōu)選地，在退火時還通入SiH4、GeH4、SiH2Cl2、SiHCl3中的一種或多種氣體，通過氣體分解在表面沉積少量的Si和/或Ge原子，以使獲得的半導體薄層表面更加平整，從而獲得更好的效果。在本發(fā)明的一個實施例中，凸起結構為多層結構，其中，多層結構中的最頂層為 SihCx、高 Ge 組分 SiyGe1-P Ge。在本發(fā)明的另一個實施例中，還可通過外延的方式形成懸空薄層。包括表面為 (100)晶向的SLSihCpSiyGeyGe襯底，由于外延材料在頂部的側(cè)向生長速度不低于縱向生長速度，從而可以使得外延的材料很快將兩個凸起結構之間頂部的間隙封閉，從而懸空薄層與晶圓片之間不會直接接觸，從而依然能夠保持懸空薄層的一部份相對于襯底懸空。在本發(fā)明的另一個實施例中，如果懸空薄層通過外延形成，則懸空薄層還可以為III-V族化合物半導體材料。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，如果退火之后懸空薄層的厚度比較厚的話，則還需要對該懸空薄層進行刻蝕或減薄處理。步驟S604，在懸空薄層之上形成過渡層。步驟S605，在過渡層之上形成高遷移率的III-V族化合物材料層。步驟S606，在III-V族化合物材料層之上形成柵堆疊，并在III-V族化合物材料層中形成為源極和漏極。此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例之中，凸起結構為SiyGei_y，而第一半導體材料薄層為Ge層，可以直接在Ge層之上形成高遷移率的III-V族化合物材料層。第一半導體材料薄層非常薄，在制備凸起結構以及后續(xù)的高溫退火過程中，第一半導體薄層將發(fā)生弛豫，在此基礎上外延高遷移率的III-V族化合物材料層，能夠大幅降低過渡層和高遷移率的III-V 族化合物材料層內(nèi)位錯密度，從而形成高質(zhì)量的異質(zhì)外延結構。此外，由于凸起結構能夠釋放部分的熱失配應力，因此既可以保證過渡層的生長質(zhì)量，而且過渡層可以做的很薄。并且，由于III-V族化合物材料層直接生長在Ge材料的第一半導體材料薄層之上，Ge材料可以作為Si和III-V族化合物材料之間很好的過渡。本發(fā)明實施例采用懸空結構使得源漏中摻雜雜質(zhì)向襯底的擴散被抑制，從而易制備超淺結，另一方面由于源漏及襯底之間不存在接觸，因此還可以抑制源漏與襯底之間的 BTBT漏電。此外，還減小了源漏的寄生結電容，提高了器件的性能。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種半導體結構，其特征在于，包括Si襯底；形成在所述Si襯底之上的多個凸起結構，其中，每兩個凸起結構之間具有一定間隙， 所述間隙小于50nm ；形成在所述每兩個凸起結構之間，且與所述兩個凸起結構頂部相連的懸空薄層；形成在所述懸空薄層之上的過渡層；和形成在所述過渡層之上的高遷移率的III-V族化合物材料層。
2.如權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，還包括形成在所述III-V族化合物材料層之上的柵堆疊，以及形成在所述III-V族化合物材料層中的源極和漏極。
3.如權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述凸起結構從所述凸起結構的中部向頂部逐漸增大以使兩個凸起結構頂部之間的間隙小于所述兩個凸起結構中部之間的間隙。
4.如權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述凸起結構和所述懸空薄層包括 Si^xCx> SiyGe1I 或 Ge。
5.如權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述凸起結構為多層結構，所述凸起結構的底層為Si，所述凸起結構的頂層為SiyGei_y或Ge。
6.如權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述懸空薄層通過對所述多個凸起結構退火形成，所述退火溫度為800-1350度，且在退火時氣氛中含有氫氣。
7.如權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述凸起結構為SiyGei_y，所述懸空薄層為Ge層。
8.一種半導體結構的形成方法，其特征在于，包括以下步驟提供Si襯底；在所述Si襯底之上形成多個凸起結構，所述每兩個凸起結構之間具有一定間隙，所述間隙小于50nm ；在所述每兩個凸起結構之間形成懸空薄層，且所述懸空薄層與所述兩個凸起結構頂部相連；在所述懸空薄層之上形成過渡層；和在所述過渡層之上形成高遷移率的III-V族化合物材料層。
9.如權利要求8所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，還包括在所述III-V族化合物材料層之上形成柵堆疊，并在所述III-V族化合物材料層中形成為源極和漏極。
10.如權利要求8所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述凸起結構和所述懸空薄層為 Si^c；、SiyGe1^y 或 Ge。
11.如權利要求7所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述凸起結構從所述凸起結構的中部向頂部逐漸增大以使兩個凸起結構頂部之間的間隙小于所述兩個凸起結構中部之間的間隙。
12.如權利要求7所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述凸起結構為多層結構，所述凸起結構的底層為Si，所述凸起結構的頂層為SiyGei_y或Ge。
13.如權利要求7所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述懸空薄層通過對所述多個凸起結構退火形成，所述退火溫度為800-1350度，且在退火時氣氛中含有氫氣。
14.如權利要求11所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述凸起結構為 SiyGei_y，在退火時通入GeH4以產(chǎn)生Ge層作為懸空薄層。
15.如權利要求9所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述懸空薄層通過外延形成。
16.如權利要求9所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述在襯底之上形成多個凸起結構進一步包括在所述襯底之上形成第一半導體材料層；向所述第一半導體材料層之中注入Si或Ge離子以在所述第一半導體材料層之中形成離子注入層；和對所述第一半導體材料層進行選擇性刻蝕以形成所述多個凸起結構。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種半導體結構，包括Si襯底；形成在Si襯底之上的多個凸起結構，其中，每兩個凸起結構之間具有一定間隙；形成在每兩個凸起結構之間，且與所述兩個凸起結構頂部相連的懸空薄層；形成在懸空薄層之上的過渡層；形成在所述過渡層之上的高遷移率的III-V族化合物材料層；和形成在III-V族化合物材料層之上的柵堆疊，以及形成在III-V族化合物材料層中的源極和漏極。由于第一半導體材料薄層非常薄，因此能夠大幅降低與過渡層之間的位錯密度，此外，由于凸起結構能夠釋放部分的熱失配應力，因此既可以保證過渡層的生長質(zhì)量，而且過渡層可以做的很薄。
文檔編號H01L27/088GK102214685SQ20111014994
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者王敬, 郭磊 申請人:清華大學