雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種帶有雙軸張應(yīng)變的GeSnn溝道MOSFET。該MOSFET(10)包括襯底（101）、源極和漏極（102,103）、GeSn溝道（104）、絕緣介電質(zhì)薄膜（105）以及柵電極（106）。源漏區(qū)域材料的晶格常數(shù)比GeSn溝道材料的晶格常數(shù)大，GeSn溝道形成XY面內(nèi)的雙軸張應(yīng)變。這種應(yīng)變有利于溝道GeSn材料由間接帶隙結(jié)構(gòu)變?yōu)橹苯訋督Y(jié)構(gòu)，電子遷移率大大提高，從而提高M(jìn)OSFET性能。
【專利說明】雙軸張應(yīng)變GeSn η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙軸張應(yīng)變GeSnn 溝道 MOSFET (Metal-oxi de-semi conductorField-effect Transistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路技術(shù)的深入發(fā)展，晶圓尺寸的提高以及芯片特征尺寸的縮小可以滿足微型化、高密度化、高速化、高可靠性和系統(tǒng)集成化的要求。根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)的預(yù)測，當(dāng)集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)到10納米以下的時(shí)候，應(yīng)變Si材料已經(jīng)不能滿足需要，要引入高載流子遷移率材料MOSFET來提升芯片性能。理論和實(shí)驗(yàn)顯示GeSn具有比純Ge材料更高的載流子遷移率。理論計(jì)算顯示通過調(diào)節(jié)Sn組分和GeSn的應(yīng)變,可以把間接帶隙結(jié)構(gòu)GeSn轉(zhuǎn)變成直接帶隙結(jié)構(gòu)，這樣導(dǎo)電電子由L能谷電子變成了 能谷的電子，導(dǎo)電電子的有效質(zhì)量大大降低，從而電子遷移率大大提高(Physical Review B, vol.75，pp.045208，2007)。 [0003]對(duì)于弛豫的GeSn材料，當(dāng)Sn的組分達(dá)到6.5%~11%的時(shí)候,GeSn就會(huì)變成直接帶隙(Journal of Applied Physics, 113,073707, 2013 以及其中的參考文獻(xiàn))。但是，Sn 在Ge中的固溶度(〈1%)很低，使得制備高質(zhì)量、無缺陷的GeSn的工作很難?，F(xiàn)在用外延生長的方法可制備出 Sn 組分達(dá)到 20% 的 GeSn 材料[ECS Transactions, 41 (7), pp.231, 2011; ECS Transactions, 50 (9)，pp.885，2012]。但是隨著Sn組分的增加，材料質(zhì)量和熱穩(wěn)定型都會(huì)變差，因此單純依靠提高Sn的組分實(shí)現(xiàn)直接帶隙GeSn材料，比較困難。
[0004]理論計(jì)算顯示，在GeSn中引入雙軸張應(yīng)變有利于從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，即在比較低的Sn組分就可以變成直接帶隙材料(Applied PhysicsLetters, 98, 011111, 2011)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)雙軸張應(yīng)變GeSn，可以在晶格常數(shù)比較大的襯底材料上生長GeSn外延層，襯底材料可以是II1-V族材料，或者Sn組分更高的GeSn材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的結(jié)構(gòu)。其中源漏區(qū)域的晶格常數(shù)比溝道材料的晶格常數(shù)大，由此對(duì)溝道形成沿溝道方向的單軸壓應(yīng)變，沿垂直溝道的平面內(nèi)形成雙軸張應(yīng)變。這種應(yīng)變狀態(tài)有利于GeSn材料從間接帶隙變成直接帶隙,從而實(shí)現(xiàn)高的電子遷移率。
[0007]本發(fā)明用以實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:本發(fā)明所提出的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具有一 GeSn溝道、一襯底、一源極、一漏極、一絕緣介電質(zhì)薄膜、一柵電極。
[0008]所述源極(或者漏極)通過外延生長或者鍵合方式生長在襯底上，其材料為弛豫的單晶半導(dǎo)體材料GeSn，源極、溝道和漏極形成豎直器件結(jié)構(gòu)。
[0009]所述絕緣介電質(zhì)薄膜環(huán)繞生長在溝道上，所述柵電極覆蓋在絕緣介電質(zhì)薄膜上。
[0010]所述源極(或者漏極)的材料晶格常數(shù)比GeSn溝道晶格常數(shù)大。[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)分析如下:
[0012]由于本發(fā)明的溝道為單晶GeSn，其中源漏區(qū)域的晶格常數(shù)比溝道材料的晶格常數(shù)大，由此對(duì)溝道形成沿溝道方向的單軸壓應(yīng)變，沿垂直溝道的平面內(nèi)形成雙軸張應(yīng)變。這種應(yīng)變狀態(tài)有利于GeSn材料從間接帶隙變成直接帶隙，從而實(shí)現(xiàn)高的電子遷移率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道MOSFET示意圖。
[0014]圖2為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道MOSFET制造的第一步。
[0015]圖3為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道MOSFET制造的第二步。
[0016]圖4為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道MOSFET制造的第三步。
[0017]圖5為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道MOSFET制造的第四步。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了更為清晰地了解本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn):
[0019]圖1為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道MOSFET (10)的示意圖。其結(jié)構(gòu)包括襯底(101 )、源極和漏極(102，103)、GeSn溝道(104)、溝道上的絕緣介電質(zhì)薄膜(104)，絕緣介電質(zhì)薄膜上覆蓋一層?xùn)烹姌O(105)。
[0020]它們的結(jié)構(gòu)關(guān)系為:在襯底101上通過外延或者鍵合的方式形成源極102(或者漏極103)，溝道101上外延生長漏極103(或者源極102)，絕緣介電質(zhì)薄膜104環(huán)繞生長在溝道101的上，柵電極105覆蓋在絕緣介電質(zhì)薄膜上。
[0021]其中GeSn溝道101的材料通式為Gei_xSnx(0≤x≤0.25)，如可以選用Gea 947Snatl53(參考文獻(xiàn) Proc.1EEE Intl.Electron Devices Meeting, 2011, pp.16.7.1-16.7.3)0 源極102和漏極103的材料為弛豫的單晶半導(dǎo)體材料，通式為Gei_ySny，(x〈y)，如可選用含Sn組分為 10% 的 Ge0.9Sn0.1。
[0022]參見圖2-圖5，為雙軸張應(yīng)變GeSnn溝道M0SFET10的制造過程:
[0023]第一步如圖2所示，在襯底101上形成弛豫的單晶Gei_ySny材料作源極。
[0024]第二步如圖3所示,在源極材料依次生長GepxSnx(XO)溝道和漏極材料Ge^Sriy。
[0025]第三步如圖4所示，利用光刻和刻蝕的辦法形成豎直器件結(jié)構(gòu)。
[0026]第四步如圖5所示，在溝道上面形成絕緣介電質(zhì)薄膜104和柵電極105。
[0027]雖然本發(fā)明已以實(shí)例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求為準(zhǔn)。
[0028]本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對(duì)發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有雙軸張應(yīng)變的GeSnn溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其特征在于，具有一 GeSn溝道、一襯底、一源極、一漏極、一絕緣介電質(zhì)薄膜和一柵電極； 所述源極或者漏極通過外延生長或者鍵合方式生長在襯底上，其材料為弛豫的單晶半導(dǎo)體材料GeSn，源極、GeSn溝道和漏極形成豎直器件結(jié)構(gòu)； 所述絕緣介電質(zhì)薄膜環(huán)繞生長在GeSn溝道上，所述柵電極覆蓋在絕緣介電質(zhì)薄膜上； 所述源極或漏極材料的晶格常數(shù)比GeSn溝道晶格常數(shù)大。
2.如權(quán)利要求1所述的帶有雙軸張應(yīng)變的GeSnn溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道GeSn材料的通式為Ge^Snx (O ^ x ^ 0.25)。
3.如權(quán)利要求2所述的帶有雙軸張應(yīng)變的GeSnn溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源極和漏極材料為單晶Ge`Sn，通式為Gei_ySny (O ^ y ^ 0.25，x〈y)。
【文檔編號(hào)】H01L29/10GK103730507SQ201310752794
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】韓根全, 劉艷, 劉明山 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)