具有Ⅲ-Ⅴ族材料有源区和渐变栅极电介质的半导体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及半导体器件领域，并且具体来说，涉及具有m-v族材料有源区和渐变栅极电介质的非平面半导体器件。
【背景技术】
[0002]对于过去的几十年，集成电路中的缩放特征已经成为了日益增长的半导体产业背后的驱动力。缩放成越来越小的特征实现了功能单元在半导体芯片的有限基面板上的密度增大。例如，缩小的晶体管尺寸允许在芯片上并入的存储器器件的数量增大，从而向产品的制造提供增大的容量。然而，对不断增大的容量的驱动并非不存在问题。优化每个器件的性能的必要性变得越来越重要。
[0003]在外延生长的半导体异质结构中(例如在m-v族材料系统中)形成的半导体器件由于有效质量低以及杂质散射减少而在晶体管沟道中提供了特别高的载流子迀移率。这种器件提供了高的驱动电流性能并且对于未来的低功率、高速逻辑应用看似是有前景的。然而，在基于m-v族材料的器件领域仍然需要显著的改进。
[0004]另外，在集成电路器件的制造中，随着器件尺寸持续缩小，多栅极晶体管(例如三栅极晶体管)已经变得越来越占据主导地位。已经尝试了许多不同的技术来减少这种晶体管的结泄漏。然而，在结泄漏抑制的领域中仍然需要显著的改进。
【附图说明】
[0005]图1A示出了具有m-v族材料有源区和包覆层的栅极全包围非平面半导体器件的部分的截面图。
[0006]图1B示出了根据本发明的实施例的具有m-v族材料有源区和直接位于其上的渐变高k栅极电介质层的栅极全包围非平面半导体器件的部分的截面图。
[0007]图2A是根据本发明的实施例的作为TaAlOx电介质层的Al掺入的百分比的函数的介电常数的曲线图。
[0008]图2B是作为TaS1x电介质层的Vg(以伏特为单位)的函数的C/A(以F/cm2为单位)的曲线图。
[0009]图2C是根据本发明的实施例的作为TaAlOx电介质层的Vg(以伏特为单位)的函数的C/A(以F/cm2为单位)的曲线图。
[0010]图3A-3E示出了根据本发明的实施例的表示在制造具有带有渐变栅极电介质的m-v族材料有源区的非平面半导体器件的方法中的各种操作的截面图。
[0011]图4示出了根据本发明的实施例的具有带有渐变栅极电介质的m-v族材料有源区的非平面半导体器件的倾斜视图。
[0012]图5A示出了根据本发明的实施例的具有渐变栅极电介质的基于纳米线的半导体结构的三维截面图。
[0013]图5B示出了根据本发明的实施例的沿着a-a’轴所截取的图5A的基于纳米线的半导体结构的截面沟道视图。
[0014]图5C示出了根据本发明的实施例的沿着b-b’轴所截取的图5A的基于纳米线的半导体结构的截面间隔体视图。
[0015]图6示出了根据本发明的一个实施方式的计算设备。
【具体实施方式】
[0016]描述了具有m-v族材料有源区和渐变栅极电介质的半导体器件以及制造这种器件的方法。在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如具体的集成和材料机制，从而提供对本发明的实施例的透彻理解。对本领域技术人员显而易见的是，可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它实例中，并未详细描述诸如集成电路设计布局的公知的特征，以免不必要地使本发明的实施例难以理解。此外，应当理解，附图中所示的各个实施例是说明性的表示，并且不一定是按比例绘制的。
[0017]本文中所描述的一个或多个实施例涉及半导体器件，例如具有带有渐变栅极电介质的m-v族材料有源区的非平面半导体器件。具体来说，描述了用于m-v族材料非平面晶体管的渐变的氧化/钝化特征。实施例可以涵盖用于制造具有以下特征中的一个或多个特征的器件的方法:渐变栅极氧化物、m-v材料沟道、高k栅极电介质、高迀移率沟道区、低关断状态泄漏、为获得高yeff而渐变的氧化物、以及可以适用于基于非硅沟道构造的晶体管(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET))。在实施例中，提供了各种方法以用于实现为获得高迀移率沟道上的高质量氧化物而渐变的介电常数。
[0018]为了为本文中所描述的一个或多个实施例提供大致的背景，相关器件的过去的架构可以包括或引起在基于m-v材料的晶体管中的泄漏路径。泄漏路径可以位于栅极电极下方并穿过较大带隙的底部阻挡体，因为较大带隙的材料与同质高k栅极电介质接触并且可能不与这种电介质兼容。与高k栅极电介质的这种接触可能导致大密度的界面陷阱并允许器件的栅极控制的外部的传导路径，由此限制了 m-v晶体管的关断状态的泄漏。这种问题可能在非平面晶体管结构中被加强。
[0019]为了为本文中所描述的一个或多个实施例提供更加具体的背景，直接在沟道区上并且尤其在具有新颖沟道材料(例如m-V和Ge)的薄主体、栅极全包围的架构中制造栅极电介质对于实现高性能、良好控制的晶体管是具有挑战性的，却是不可或缺的。当沟道迀移率高并且氧化物的介电常数大时，由于电介质与沟道区之间的声子散射而能够导致迀移率大大降低。沟道区的迀移率越高并且氧化物的介电常数越高，迀移率降低可能越严重。然而，对于持续的缩放和性能提高，这两者都是需要的。因此，本文中所描述的一个或多个实施例针对新的电介质组合，该新的电介质组合使介电常数从靠近沟道界面的低值渐变到远离沟道界面的非常高的值，由此实现薄的EOT和高的有效介电常数。然而，介电常数在靠近交互最强烈的沟道处保持最小值，从而提升了整体迀移率和氧化物质量两者，并保持了对高性能的极度缩放的晶体管的良好沟道控制。
[0020]根据本发明的实施例，随后使电介质材料层渐变以使得介电常数在靠近沟道区处是低的并且在靠近金属栅极处是高的，从而在高迀移率材料系统中实现较高迀移率沟道而不牺牲栅极控制或电荷。在一个这种示例中，改进的氧化物-m-v沟道特性被证明为超过当前最先进的技术。在一个实施例中，保持整体氧化物厚度(电荷)，但是通过引入三元氧化物(例如，TaAlOx作为示例)实现了连续的介电常数渐变，其中，使Ta和Al的水平渐变导致介电常数在沟道-氧化物界面处为低，到金属氧化物界面处为高。在实施例中，所产生的晶体管由于电介质渐变而具有沟道界面处的提高的Dit、以及提高的迀移率。三元氧化物还可以实现在栅极区中设计介电常数的自由。
[0021]作为常规方法的示例，图?α示出了具有m-v族材料有源区和位于其上的包覆层的栅极全包围非平面半导体器件100的部分的截面图。参考图lA，InGaAs沟道106具有设置于其上的InP包覆层107。同质TaS1x栅极电介质122和金属栅极124组成了设置在InGaAs沟道106/InP包覆层107配对上的栅极叠置体。对于图1A中示出的示例，在下文中描述了所述示例的实验细节，对于这种栅极全包围器件仍然存在关于如下问题的挑战(I)Dit仍然高于S1-HfO2，以及(2)在TaS1x直接形成于InGaAs上的情况下的30-60%的迀移率损失(S卩，需要阻挡的包覆层)。
[0022]与图1A相比，作为没有包覆层的器件的示例，图1B示出了根据本发明的实施例的具有m-v族材料有源区和直接位于其上的渐变高k栅极电介质层的栅极全包围非平面半导体器件200的部分的截面图。具体来说，半导体器件200包括被由TaAlOx栅极电介质220和金属栅极电极224组成的栅极叠置体包围的m-V材料沟道区206(此处的示例性实施例是栅极全包围InGaAs)。在一个实施例中，随后，使新的电介质(TaAlOx)直接位于器件200的栅极与沟道之间。在实施例中，在TaAlOx栅极电介质层220内使Al和Ta的比率渐变，从而在沟道界面处提供大约为8的较低的介电常数(例如，Al成分高)，而在金属栅极界面处通过增加Ta含量使Al和Ta的比率渐变为较高的介电常数(大约为21，以及甚至高达30)。实施例还可以或作为替代包括电介质的各种组合的渐变材料(例如，LaA10x、TiA10x、HfA10x、ZrA10x、等等)。在实施例中，这种布置的优点包括但不限于:(1)具有高Al%的较低的K和较好的界面性质，以提供较高的迀移率，(2)可容易渐变的介电常数(例如，从8到21)，以在不使用中间InP包覆层的情况下实现薄的EOT和高的迀移率。在另一个实施例中，用在整个膜中渐变的Si来替代上述铝成分，例如TiS1x的渐变层。
[0023]随后，本文中所描述的一个或多个实施例实现了在不需要包覆层的情况下电介质在沟道导线材料上的直接生长。这允许对较小的尺寸的制造，例如，薄的导线。在实施例中，通过使电介质层渐变，实现了膜成分的平滑的渐变过渡，其中，以非阶梯式的方式发生电介质的变化。在实施例中，大约每2-3埃的沉积材料可以在渐变电介质层中产生2倍的增量。
[0024]随后，再次参考图1B，在实施例中，渐变高k栅极电介质层220由MAlOx组成，MAlOx在邻近m-v材料沟道区处具有较高的铝浓度并且在邻近栅极电极处具有较低的铝浓度。μ是例如但不限于了&、2^把、6(1、1^、或11等金属。在一个实施例中，1是了&，较低的介电常数大约为8，并且较高的介电常数大约为21。在一个实施例中，渐变高k栅极电介质层具有大约在2纳米-3.5纳米范围内的厚度。在一个实施例中，m-V材料沟道区由InGaAs组成，渐变高k栅极电介质层由TaAlOx组成，并且栅极电极是金属栅极电极。在实施例中，通过原子层沉积(ALD)形成TaAlOx，其中，通过三甲基铝(TMA)或Et2MeAl来输送Al，并且通过TaCl5STa乙醇盐来输送Ta。在一个实施例中，TaAlOx的形成被有效地视为将Al原子插入到Ta2O5中的某些O位置中。在实施例中，在渐变电介质中需要铝，但可以用Zr、Hf、Gd、La、或Ti来替代Ta。
[0025]图2A是根据本发明的实施例的作为TaAlOx电介质层的Al掺入的百分比的函数的介电常数的曲线图150。参考曲线图150，通过增加氧化物中的Ta含量使介电常数大约从8