专利名称：包括应变超晶格和上覆应力层的半导体器件以及相关方法
技术领域：
Ishibashi等人的美国专利4,937,204号公开一种超晶格， 其中少于八个单层，并且包含片段或二元化合物半导体层的多个层交
替外延生长。主电流的方向垂直于超晶格的层。尽管关于材料工程进行大量努力以增加半导体器件中电 荷载流子的迁移率，但是仍然存在对于更大改进的需求。更大的迁移率可以增加器件速度和/或减小器件功耗。具有更大的迁移率，也可 以维持器件性能，尽管向较小器件和新器件构造的连续移动。
发明内容
根据本发明的该和其他目的、特征和优点由一种半导体 器件提供，其可以包括包含多个层叠层组的应变超晶格层，以及位于 应变超晶格层上面的应力层。更特别地，应变超晶格层的每个层组可 以包括限定基础半导体部分的多个层叠基础半导体单层，以及限制在 相邻基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层。应变超晶格层的相邻基础半导体部分可以化学地结合在 一起。而且，每个非半导体单层可以是单个单层厚，并且每个基础半 导体部分可以小于八个单层厚。应变超晶格层也可以具有基本上直接
能量带隙。应变超晶格层也可以包括位于最高层组上面的基础半导体 盖层。在一些实施方案中，所有基础半导体部分可以是相同数目的单 层厚。作为选择，基础半导体部分的至少一些可以是不同数目的单层 厚。图9是根据本发明包括超晶格以及位于超晶格上面的应 力层的再一种半导体器件实施方案的示意横截面视图。申请人:建立理论，而不希望局限于此理论，能带修改层 50和相邻基础半导体部分46a-46n使得超晶格25具有比否则将存在 的更低的平行层方向上电荷载流子的适当电导率有效质量。另一种方 法考虑，该平行方向垂直于层叠方向。能带修改层50也可以使得超 晶格25具有普通能带结构。建立理论，而申请人不希望局限于此理论，对于超晶格例如Si/O超晶格，硅单层的数目应当期望地是七个或更少，使得超
晶格的能带普通或各处相对均匀，以实现期望的优点。当然，多于七
个硅层可以在一些实施方案中使用。已经模拟图2和3中所示对于 Si/O的4/1重复结构以指示X方向上电子和空穴的增强迁移率。例 如，计算的电子电导率有效质量(对于体硅各向同性)是0.26，并且 对于X方向上的4/1 SiO超晶格，它是0.12，导致0.46的比值。类 似地，空穴的计算对于体硅产生0.36的值而对于4/1 Si/O超晶格产 生0.16的值，导致0.44的比值。另外转向图7-9，现在描述每个包括应变超晶格层的 MOSFET 120， 220和320的另外实施方案。在说明的实施方案中， 与上面参考
图1讨论的那些类似的各个层和区域通过一百的增量表示 (例如，图7-9中分别显示的衬底121， 221和321类似于衬底 21)。在MOSFET 120中，应力层由以并排关系排列在衬底 121的背面上(也就是底面)上的多个间隔的应变诱导柱144提供。 作为实例，如果期望压缩应变，则柱子144可以包括等离子增强化学 汽相沉积(PECVD)氮化硅(SiN)、金属，或者当沉积在衬底121 背面中刻蚀的凹槽中时或之后变得压缩的其他材料。而且，如果期望 拉伸应变，则柱子可以包括例如热形成的SiN材料或低压化学汽相沉 积(LPCVD) SiN材料。当然，也可以使用本领域技术人员已知的 其他适当材料。关于背面应变诱导柱排列的更多细节可以在Pelella 等人的美国专利公开2005/0263753号中找到，在此引用其全部内容 作为参考。界面处的密度对比以埃为单位的氧层深度的仿真图表90 在图11中显示。如将由本领域技术人员理解的，在实施方案例如说 明的MOSFET80中，不需要使用超晶格的重复组，然而该至少一个 非半导体单层81仍然可以提供对迁移率的增强。另外，申请人也建 立理论，而不希望局限于此理论，作为界面86处波函数的减小振幅 的结果，这些实施方案也将具有较低的隧道效应栅极泄漏。同样建立 理论，这些实施方案的更多期望特征包括子能带之间增加的能量间 距，以及子能带的空间间距，从而减小子能带扩散。
[0080当然在其他实施方案中，该至少一个单层81也可以结合 底层超晶格使用，如将由本领域技术人员理解的。此外，具有在前述 描述和相关附图中提出的讲授的益处的本发明许多修改和其他实施方 案将容易由本领域技术人员想到。因此，应当理解，本发明并不局限 于公开的具体实施方案，并且修改和实施方案是预期的。
权利要求
1.一种半导体器件，包括包括多个层叠层组的应变超晶格层；以及位于所述应变超晶格层上面的应力层；所述应变超晶格层的每个层组包括限定基础半导体部分的多个层叠基础半导体单层，以及限制在相邻基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层。
2. 根据权利要求1的半导体器件，其中所述应力层包括硅和氮。
3. 根据权利要求1的半导体器件，还包括使得电荷栽流子在相 对于层叠层组的平行方向上输运通过所述应变超晶格层的区域。
4. 根据权利要求1的半导体器件，还包括与所述应变超晶格层 相邻、位于与所述应力层相对一侧上的半导体衬底。
5. 根据权利要求1的半导体器件，其中每个基础半导体部分包 括选自IV族半导体、III-V族半导体和II-VI族半导体的基础半导 体；以及其中每个非半导体单层包括选自氧、氮、氟和碳-氧的非半 导体。
6. 根据权利要求1的半导体器件，其中相邻基础半导体部分化 学地结合在一起。
7. 根据权利要求1的半导体器件，其中每个非半导体单层是单个单层厚。
8. —种半导体器件，包括包括多个层叠的基础半导体部分和限制在相邻基础半导体部分的 晶格内的至少一个非半导体单层的应变层；以及 位于所述应变层上面的应力层。
9. 根据权利要求8的半导体器件，其中所述应力层包括硅和氮。
10. 根据权利要求8的半导体器件，还包括使得电荷载流子在相对于层叠层组的平行方向上输运通过所述应变层的区域。
11，根据权利要求8的半导体器件，还包括与所述应变层相邻、 位于与所述应力层相对一侧上的半导体衬底。
12. 根据权利要求8的半导体器件，其中相邻基础半导体部分化 学地结合在一起。
13. —种制造半导体器件的方法，包括 形成包括多个层叠层组的超晶格层；以及 在超晶格层上面形成应力层以在其中引起应变； 超晶格层的每个层组包括限定基础半导体部分的多个层叠基础半导体单层，以及限制在相邻基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层。
14. 根据权利要求13的方法，还包括去除应力层。
15. 根据权利要求13的方法，其中应力层包括硅和氮。
16. 根据权利要求13的方法，还包括形成使得电荷栽流子在相 对于层叠层组的平行方向上输运通过应变超晶格层的区域。
17. 根据权利要求13的方法，其中形成超晶格层包括在半导体 衬底上形成超晶格层；以及其中形成应力层包括在超晶格层上面与半 导体衬底相对的一侧上形成应力层。
18. 根据权利要求13的方法，其中每个基础半导体部分包括选 自IV族半导体、III-V族半导体和II-VI族半导体的基础半导体；以 及其中每个非半导体单层包括选自氧、氮、氟和碳-氧的非半导体。
19. 根据权利要求13的方法，其中相邻基础半导体部分化学地 结合在一起。
20. —种制造半导体器件的方法，包括形成包括多个层叠的基础半导体部分和限制在相邻基础半导体部 分的晶格内的至少一个非半导体单层的应变层；以及 在应变层上面形成应力层以在其中引起应变。
21. 根据权利要求20的方法，还包括去除应力层。
22. 根据权利要求20的方法，其中应力层包括硅和氮。
23. 根据权利要求20的方法，还包括形成使得电荷载流子在相 对于层叠层组的平行方向上输运通过应变层的区域。
24. 根据权利要求20的方法，其中形成应变层包括在半导体衬 底上形成应变层；以及其中形成应力层包括在应变层上面与半导体衬 底相对的一侧上形成应力层。
25. 根据权利要求20的方法，其中相邻基础半导体部分化学地 结合在一起。
全文摘要
一种半导体器件，可以包括包含多个层叠层组的应变超晶格层(325)，以及位于应变超晶格层上面的应力层。应变超晶格层的每个层组可以包括限定基础半导体部分的多个层叠基础半导体单层，以及限制在相邻基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层。
文档编号H01L29/02GK101288174SQ200680025737
公开日2008年10月15日 申请日期2006年7月14日 优先权日2005年7月15日
发明者斯科特·A·柯瑞普斯, 罗伯特·J·梅尔斯 申请人:梅尔斯科技公司