用于半导体装置的堆叠件及其形成方法与流程

技术领域

本公开涉及半导体装置。更具体地，本公开涉及一种形成在下层上的纳米线和/或纳米片的堆叠件，所述下层具有与在纳米片和/或纳米线的堆叠件被允许连贯地弛豫时堆叠件将具有的晶格参数基本上相匹配的晶格参数。

背景技术：

发生应变了的半导体材料可以在诸如场效应晶体管(FET)的半导体装置中提供改善的电流传输特性。在FET的沟道中的压应变可以提供对于p沟道FET的提高的空穴迁移率，而在FET的沟道中的拉应变可以提供对于n沟道FET的提高的电子迁移率。

技术实现要素：

示例性实施例提供了一种用于半导体装置的堆叠件，所述堆叠件包括：多个牺牲层，每个牺牲层包括第一晶格参数；至少一个沟道层，包括与第一晶格参数不同的第二晶格参数，每个沟道层设置在两个牺牲层之间并与所述两个牺牲层接触；下层，所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层设置在其上，牺牲层与下层接触，下层包括第三晶格参数，所述第三晶格参数与在所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层被允许连贯地弛豫时所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层将具有的晶格参数基本上相匹配。除了存在于下层中的缺陷向着所述堆叠件中的任何扩展，下层在所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层中基本不产生任何缺陷。

另一示例性实施例提供了一种用于半导体装置的堆叠件，所述堆叠件包括：多个牺牲层，每个牺牲层包括第一晶格参数、第一端、第二端和截面区 域，该截面区域在与每个牺牲层的第一端与第二端之间的方向基本垂直的方向上被定位，每个牺牲层的截面区域包括第一厚度和与第一厚度基本垂直的第一宽度，每个牺牲层的第一厚度小于牺牲层材料的亚稳临界厚度；至少一个沟道层，包括第二晶格参数、第一端、第二端和截面区域，该截面区域在与所述至少一个沟道层的第一端与第二端之间的方向基本垂直的方向上被定位，第二晶格参数不同于第一晶格参数，每个沟道层设置在两个牺牲层之间并与所述两个牺牲层接触，每个沟道层的截面区域包括第二厚度和与第二厚度基本垂直的第二宽度，每个沟道层的第二厚度小于沟道层材料的亚稳临界厚度；下层，所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层设置在其上，牺牲层与下层接触，除了先于堆叠件的沉积而存在于下层中的缺陷的任何扩展，下层在所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层中基本不产生任何缺陷。

又一示例性实施例提供了一种形成用于半导体装置的堆叠件的方法，所述方法包括：提供下层；在下层上形成多个牺牲层和至少一个沟道层的堆叠件，牺牲层与下层接触，每个牺牲层包括第一晶格参数，所述至少一个沟道层包括与第一晶格参数不同的第二晶格参数，每个沟道层设置在两个牺牲层之间并与所述两个牺牲层接触，下层包括第三晶格参数，所述第三晶格参数与在所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层被允许连贯地弛豫时所述多个牺牲层和所述至少一个沟道层将具有的晶格参数基本上相匹配。

附图说明

在接下来的部分中，将参照在附图中示出的示例性实施例来描述在这里公开的主题的方面，在附图中：

图1A-图1D分别描绘了根据在这里公开的主题的在由图2的方法所描述的选择的形成阶段时的应变沟道纳米片的示例性堆叠件；

图2描绘了根据在这里公开的主题的在纳米片中基本不包括堆叠产生的缺陷的形成应变沟道纳米片的堆叠件的示例性方法的流程图；

图3描绘了电子装置，所述电子装置包括一个或更多个集成电路(芯片)，所述集成电路(芯片)包括根据在这里公开的示例性实施例形成的纳米线和/或纳米片的一个或更多个堆叠件；以及

图4描绘了存储器系统，所述存储器系统可以包括一个或更多个集成电路(芯片)，所述集成电路(芯片)包含根据在这里公开的示例性实施例形成 的纳米线和/或纳米片的一个或更多个堆叠件。

具体实施方式

在这里公开的主题涉及形成在下层上的纳米线和/或纳米片的堆叠件，下层具有与在纳米片和/或纳米线的堆叠件被允许连贯地弛豫(relax coherently)时堆叠件将具有的晶格参数基本上相匹配的晶格参数。如在这里使用的，短语“与……基本上相匹配”通常意指大约0.2％或更少的晶格参数失配，并且在一些实施例中短语“与……基本上相匹配”可以意指大约0.5％或更少的晶格参数失配。如在这里使用的，术语“失配”意指下层晶格参数与在堆叠件被允许连贯地弛豫时堆叠件将具有的晶格参数之间的晶格参数失配。下层的作用不是直接使堆叠件的层产生应变，因为在堆叠件中产生的应变主要是由堆叠件本身(即，堆叠件的牺牲层与沟道层)而非由堆叠件的下层来决定的。下层的一个功能可以是通过在堆叠件中引入新的缺陷来抑制堆叠件塑性弛豫。

在接下来的详细描述中，为了提供本公开的全面理解而阐述了大量的具体细节。然而本领域技术人员将理解的是，可以不用这些具体细节来实践公开的方面。在其他情况下，为了不使在这里公开的主题不清楚，没有具体描述公知的方法、步骤、组件和电路。

贯穿本说明书，对“一个实施例”或“实施例”的参考意指结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在这里公开的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，出现在各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“根据一个实施例”(或者具有相似意思的其他短语)不需全部指同一个实施例。如在这里使用的，词语“示例性”意指“用作示例、情况或图例”。在这里描述为“示例性”的任何实施例不被解释为必然比其他实施例优选或优越。此外，具体的特征、结构或特性可以在一个或更多个实施例中以任何合适的方式结合。此外，根据在这里讨论的上下文，单数术语可以包括对应的复数形式，并且复数术语可以包括对应的单数形式。还要注意的是在这里示出和讨论的各种图(包括组件图)仅是为了说明性的目的，而未按比例绘制。同样地，各种波形图和时序图仅是为了说明性的目的。

如在这里使用的，术语“第一”、“第二”等被用作它们后面的名词的标记，而不暗指任何类型的排序(例如，空间的、时间的、逻辑的等)，除非明 确地如此定义。此外，可以跨越两个或更多个附图来使用相同的附图标记，以表示具有相同或相似功能性的部件、组件、块、电路、单元或模块。然而这样的用法仅是为了说明的简洁性和便于讨论；它不暗指遍及全部实施例这样的组件或单元的结构或构造细节是相同的，或者这样的普遍参照的部分/模块是实施在这里公开的具体实施例的教导的唯一方法。

在这里公开的主题涉及装置，诸如但不限于场效应晶体管(FET)，所述装置包含纳米线(NW)的一个或更多个堆叠件和/或纳米片(NS)的一个或更多堆叠件。如在这里使用的，术语“纳米线”意指导电结构，该导电结构具有这样的截面区域：其与通过纳米线的电流传输方向基本垂直，并且其中直角截面尺寸相似且小。例如，纳米线可以包括具有其中直角截面尺寸可以在从几纳米到大约20nm的范围的截面区域的导电结构。此外如在这里使用的，术语“纳米片”意指导电结构，该导电结构具有这样的截面区域：其与通过纳米片的电流传输方向基本垂直，并且其中一个直角截面尺寸与另一尺寸相比明显较小。例如，纳米片可以包括具有其中一个直角截面尺寸在从几纳米到大约20nm的范围而另一直角截面尺寸在从大约15nm到大约70nm的范围的截面区域的导电结构。如在这里使用的，术语“纳米线”和“纳米片”可以被可互换地使用。此外，术语“纳米线”和“纳米片”可以在这里表示多个层。关于术语“堆叠件”，如在这里使用的术语“堆叠件”可以表示多个牺牲层和多个沟道层，所述多个牺牲层和所述多个沟道层具有与纳米线和/或纳米片中的一者一致的尺寸，并且形成在交替顺序的牺牲层和沟道层的堆叠件中。

在这里公开的主题更具体地涉及在下层上形成的纳米线和/或纳米片的堆叠件，下层具有与在纳米片和/或纳米线的堆叠件被允许连贯地弛豫时堆叠件将具有的晶格参数基本上相匹配的晶格参数。这样的下层可以包括但不限于应变弛豫的缓冲器(strain-relaxed buffer，SRB)、弹性应变的缓冲器或者包括在纳米片和/或纳米线的堆叠件被允许连贯地弛豫时堆叠件将具有的晶格参数的任何下层材料。根据在这里公开的主题，下层的作用不是直接使堆叠件的层产生应变。在堆叠中产生的应变主要由堆叠件本身(即，堆叠件的牺牲层与沟道层)而非由堆叠件的下层来确定。下层的一个功能可以是通过将缺陷从下层引入到堆叠件中来抑制堆叠件塑性弛豫。

图1A-图1D分别描绘了根据在这里公开的主题的在由图2的方法所描述 的选择的形成阶段时的应变沟道纳米片的示例性堆叠件100。图2描绘了根据在这里公开的主题的在纳米片中基本不包括堆叠产生的缺陷的形成应变沟道纳米片的堆叠件的示例性方法200的流程图。根据在这里公开的主题的应变沟道纳米片的堆叠件可以用在诸如但不限于FET的半导体装置中。

参照图1A-图1D以及图2，在图2中的操作201，选取下层材料，所述下层材料包括的晶格参数与在将要形成的纳米片的堆叠件在孤立状态下被允许连贯地弛豫时该堆叠件将具有的晶格参数基本上相匹配。如在这里使用的，术语“下层”意指应变弛豫的缓冲器(SRB)、弹性应变的缓冲器、或者包括与在将要形成的堆叠件在孤立状态下被允许连贯地弛豫时该堆叠件将具有的晶格参数基本上相匹配的晶格参数的任何下层材料。下层的示例包括但不限于绝缘体上应变硅(sSOI)、SiGeOI或者IV族原子的或非IV族原子的或III-V族材料的或II-VI族材料的层。下层可以位于绝缘体上或从基底生长(可能有其他层位于下层与基底之间)。通常来说，下层基本上是单晶。

在操作202，使用公知的沉积技术在例如基底(未示出)上形成下层101。由在操作201选取的材料形成下层101。

在操作203，使用公知的沉积技术在下层101上外延地形成牺牲层102和沟道层103的堆叠件100。以牺牲层102直接形成在下层101上的交替顺序形成牺牲层102和沟道层103。在一个示例性实施例中，堆叠件100包括形成在沟道层103上的顶牺牲层102。

基于将要赋予沟道层的应变的量和类型来选取牺牲层材料和沟道层材料。如果沟道层将要具有拉应变，那么为牺牲层选取的材料将具有大于为沟道层选取的材料的晶格参数(在它的弛豫状态下)的晶格参数(在它的弛豫状态下)。相反地，如果沟道层将要具有压应变，那么为牺牲层选取的材料将具有小于为沟道层选取的材料的晶格参数(在它的弛豫状态下)的晶格参数(在它的弛豫状态下)。牺牲层材料和沟道层材料的组成和晶格参数还可以基于工程制约条件(flow integration constraints)，诸如但不限于蚀刻选择性、生长外延层的能力和期望的应力(在沟道层与牺牲层之间(在它们的弛豫状态下)的更大的晶格参数失配引起更大的应变)。

牺牲层102和沟道层103形成为具有小于各个材料的亚稳态或动力学、临界厚度的厚度(所述亚稳态或动力学、临界厚度是被约束为具有该层形成在其上的材料的晶格参数时所选择的)，使得各个层将不弹性弛豫并产生层内 缺陷。沟道层103和牺牲层102的厚度还应该被选择以优化特性，诸如但不限于，最终装置的性能、在沟道层之间提供替代栅极堆叠件(replacement gate stack)的能力、堆叠件的高宽比和应变考量。

牺牲层和沟道层的各个厚度和各个晶格参数将在堆叠件中物理地结合，使得该堆叠件将具有基于牺牲层和沟道层的晶格参数的加权平均的整体晶格参数。晶格参数的加权平均将是在孤立的堆叠件被允许连贯地弛豫时纳米片的堆叠件将具有的晶格参数。因此，被选择用于下层的材料和具体实施方式应该理想地引起这样的晶格参数：其基本等于在孤立的堆叠件被允许连贯地弛豫时纳米片的堆叠件将具有的晶格参数。例如，如果将形成的堆叠件是用于nMOS装置的，那么沟道层可以包括Si，牺牲层可以包括SiGe。作为另一示例，如果将形成的堆叠件用于pMOS装置，那么沟道层可以包括SiGe，牺牲层可以包括Si。对于包括SiGe沟道层和Si牺牲层的pMOS装置，堆叠件由Si牺牲层主导，所述Si牺牲层通过保持基底(Si)的晶格参数而处于它们的最低应变能态。具有～5nm的SiGe沟道层的这些结构对于抵抗缺陷产生非常稳固(在多数情况下热力学稳定的)。在实践中，SiGe沟道层中Ge含量的限制是基于带带隧穿(BTBT)和寄生双极效应(PBE)考量，而非来自缺陷产生。

图1A描绘了在图2中的操作203之后形成在下层101上的堆叠件100。堆叠件100包括交替形成在彼此上的牺牲层和沟道层的堆叠。在一个示例性实施例中，堆叠件100包括形成在沟道层103上的顶牺牲层102。

在操作204，使用公知的技术在堆叠件100中形成源/漏凹进(或结构切口)，以形成用于源/漏区的空间104。应理解的是，在图1B中指示了用于源/漏区的空间104中的仅一个空间。用于源/漏区的空间104延伸穿过堆叠件100至大约下层101。

留在用于源/漏区的空间104之间的堆叠材料的区域较短(例如，小于大约100nm)，使得堆叠材料的剩余区域基本上完全弹性弛豫。剩余堆叠材料的区域的沟道层中的应变主要由在形成源/漏凹进(或结构切口)(即，操作204)的点处的堆叠件的弹性形变来确定。具体来说，沟道层中的应变是牺牲层和沟道层的各个厚度及它们的各个组成的函数。在制造流程的整个其余部分中，可以保持堆叠材料的剩余区域的应变状态(或应变状态的期望的部分)。

牺牲层与沟道层之间的晶格参数的较大差别引起沟道中产生的应变的较 高水平。例如Si/SiGe堆叠件，牺牲材料与沟道材料之间的Ge含量的较大的差别引起较大的最终沟道应变。例如，对于包括5nm厚的沟道层和15nm厚的牺牲层且|△Ge_含量|≈25％的堆叠件，沟道层中的峰值应变为～0.76％。相反，对于包括相同厚度的沟道层和牺牲层且|△Ge_含量|≈40％的堆叠件，沟道层中的峰值应变为～1.2％。

在操作205，使用公知技术来蚀刻或底切(undercut)当形成用于源/漏区的空间104时暴露的牺牲层102的边缘，以去除相邻沟道层103之间的每个牺牲层102的部分105，以随后形成内部间隔件。应理解的是，在图1C中指示了牺牲层102的仅一个底切部分105。选择牺牲层的蚀刻深度以优化C_para(寄生电容)、R_para(寄生电阻)和沟道层中的期望应变。即，随着牺牲层102从堆叠件的暴露的边缘向回被蚀刻，沟道层的端部将弹性弛豫到为沟道层选择的材料的自然晶格参数，因为已经被蚀刻掉的牺牲层的部分不再将牺牲层的晶格参数(和应变)赋予沟道层。

对于沟道层长度为大约20nm或更小的示例性实施例，内部间隔件的宽度(即，被底切的牺牲材料的量)，应限于例如小于大约8nm。随着沟道材料的长度从大约20nm减小，牺牲层的底切应限于小于大约5nm。在一些具有较短沟道的实施例中，牺牲层的底切应限于小于3nm。沟道层中的应变被整个堆叠件本身(在释放之前)的弛豫状态所控制，继而被沟道层和牺牲层的厚度和组成所控制。注意的是，因为沟道中的最终应变被堆叠件本身控制，所以基本可以忽略下层在直接决定最终沟道应变中的作用。

回来参照图1A-图1D以及图2，在操作206，在牺牲层102的凹进105(图1C)中形成内部间隔件106，并使用公知的外延再生长技术来用半导体材料107填充源/漏区的空间104(图1B)。内部间隔件可以包括但不限于例如氮化硅或低k介电材料，诸如但不限于SiOCH、SiOCN或SiBCN。可以以保持源/漏区基本处于弛豫状态并且基本不改变沟道中的应变状态的方式来完成源漏区的形成。

填充的源/漏区107物理结合到沟道层103的端部，填充的源/漏区107的物理存在保持沟道层103中的应变。正如所提到的，沟道层103中产生的应变是牺牲层与沟道层的各个层厚度与它们各自组成的函数。牺牲层与沟道层之间的晶格参数的较大差异引起沟道层103中产生的应变的较高水平。

通过使用公知技术去除牺牲层102来释放沟道层103。在释放沟道层时， 重要的是，几何条件和边界条件使得应变保持在沟道层中。对于在释放沟道层之前外延生长源/漏结构107的工艺流程，源/漏结构107帮助在释放之后在沟道中保持应变。例如，如果高的源/漏柱状结构107仅在沟道层的一侧上结合到沟道层103，那么源/漏柱状结构107会在释放沟道层时受沟道应力的影响而弯曲。然而，如果沟道层结构103基本对称地形成在源/漏柱状结构的两侧上，诸如图1D中对于源/漏结构107描绘的那样，那么源/漏柱状结构将基本平衡并且在释放沟道层时基本不会弯曲。

在操作207，去除牺牲层102(即，沟道层释放)，它是例如公知的替代栅极工艺的一部分。在去除牺牲层102之后，沟道层103中的应变重新分布，使得每个沟道层103中的应变变得基本均匀。即，因为沿着沟道层103的长度的力被均衡，所以作为每单位面积力的应力与沟道层的截面积成反比。因此，只要沟道层的截面积是均匀的，沟道层中的应变就将是均匀的。否则，沟道层中的应变将与沟道层的截面积成反比。因此，在沟道层释放之后，可以利用沟道层的截面积的选择性调整来增大沟道应变(即，沟道应变与沟道层的截面积成反比)。

图3描绘了电子装置300，所述电子装置300包括一个或更多个集成电路(芯片)，所述集成电路(芯片)包括根据在这里公开的示例性实施例形成的纳米线和/或纳米片的一个或更多个堆叠件。电子装置300可以被用于但不限于计算装置、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、移动计算机、网络平板电脑、无线电话、蜂窝电话、智能电话、数字音乐播放器、或者有线电子装置或无线电子装置。电子装置300可以包括通过总线350彼此结合的控制器310、输入/输出装置320(诸如但不限于小键盘、键盘、显示器或触摸屏显示器)、存储器330和无线接口340。控制器310可以包括例如至少一个微处理器、至少一个数字信号处理器、至少一个微控制器等。存储器330可以被配置为存储要被控制器310使用的命令代码或用户数据。电子装置300和包括在电子装置300中的各种系统组件可以包括根据在这里公开的示例性实施例形成的纳米线和/或纳米片的一个或更多个堆叠件。电子装置300可以使用无线接口340，无线接口340被配置为使用RF信号发送数据到无线通信网络或从无线通信网络接收数据。无线接口340可以包括例如天线、无线收发器等。电子系统300可以被用在通信系统的通信接口协议中，诸如但不限于码分多址(CDMA)、全球移动通信系统(GSM)、北美数字通信(NADC)、 扩展时分多址(E-TDMA)、宽带CDMA(WCDMA)、CDMA2000、Wi-Fi、市政Wi-Fi(MuniWi-Fi)、蓝牙、数字增强无绳通信(DECT)、无线通用串行总线(无线USB)、快速低时延接入与无缝切换的正交频分复用(Flash-OFDM)、IEEE 802.20、通用分组无线业务(GPRS)、iBurst、无线宽带(WiBro)、WiMAX、WiMAX升级版、通用移动通信系统-时分双工(UMTS-TDD)、高速分组接入(HSPA)、演进数据优化(EVDO)、长期演进升级版(LTE升级版)、多信道多点分配服务(MMDS)等。

图4描绘了存储器系统400，所述存储器系统400可以包括一个或更多个集成电路(芯片)，所述集成电路(芯片)包括根据在这里公开的示例性实施例形成的纳米线和/或纳米片的一个或更多个堆叠件。存储器系统400可以包括用于存储大量数据的存储器装置410和存储器控制器420。存储器控制器420响应于主机430的读/写请求来控制存储器装置410读取存储在存储器装置410中的数据或向存储器装置410写入数据。存储器控制器420可以包括用于将由主机430(例如，移动装置或计算机系统)提供的地址映射成存储器装置410的物理地址的地址映射表。存储器装置410可以包括根据在这里公开的示例性实施例的一个或更多个半导体装置。

如将被本领域技术人员认识到的是，在这里描述的发明构思可以在宽范围的应用下修改和变化。因此，所要求保护的主题的范围不应受限于任何在上面讨论的具体示例性教导，而是被权利要求所限定。