带有源漏应变源的GeSn n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种带有源漏应变源的GeSn?n沟道MOSFET。该MOSFET(10)的特征在于：源漏应变源（106）生长在源漏极区域（101），GeSn沟道上生长绝缘介电质薄膜（104），绝缘介电质薄膜上覆盖一层柵（105）。源漏应变源（106）的晶格常数比源漏极区（101）大，形成对沟道区的应变，该应变在yz平面内为双轴张应变，在x方向为单轴压应变。这种应变有利于GeSn沟道Γ点下移，使间接带隙结构利于转化为直接带隙结构，Γ点参与导电的电子数目大大增加，从而提高MOSFET性能。
【专利说明】带有源漏应变源的GeSn η沟道金属氧化物半导体场效应晶体管
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带有源漏应变源的GeSn η沟道MOSFET(Metal-oxi de-semi conductor Field-effect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)。
【背景技术】
[0002]随着集成电路技术的深入发展，晶圆尺寸的提高以及芯片特征尺寸的缩小可以满足微型化、高密度化、高速化、高可靠性和系统集成化的要求。根据国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)的预测，当集成电路技术节点到10纳米以下的时候，应变Si材料已经不能满足需要，要引入高载流子迁移率材料MOSFET来提升芯片性能。理论和实验显示GeSn具有比纯Ge材料更高的载流子迁移率。理论计算显示通过调节GeSn中Sn的组分和改变GeSn结构的应变情况,可以把间接带隙结构GeSn中gamma点下移，这样gamma点参与导电的电子数量增加，从而电子迁移率大大提高(Physical Review B,vol.75，pp.045208，2007)。
[0003]对于弛豫的GeSn材料，当Sn的组分达到6.5%~11%的时候，GeSn就会变成直接带隙(Journal of Applied Physics, 113，073707，2013 以及其中的参考文献)。Sn 在Ge中的固溶度度很低(<1%)，因此制备高质量、无缺陷的GeSn很难。现在用外延生长的方法可制备出 Sn 组分达到 20% 的 GeSn 材料[ECS Transactions, 41 (7), pp.231, 2011 ;ECSTransactions, 50 (9), pp.885，2012]。但是随着Sn组分的增加,材料质量和热稳定型都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现直接带隙GeSn材料，比较困难。理论计算显示，在GeSn中引入双轴张应变有利于从间接带隙到直接带隙的转变，即在比较低的Sn组分就可以变成直接带隙材料(Applied Physics Letters, 98，011111，2011)。
[0004]为实现双轴张应变GeSn，有人在晶格常数比较大的衬底材料上生长GeSn外延层，衬底材料可以是II1-V族材料，比如InGaAs或者Sn组分更高的GeSn。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种带有源漏应变源的GeSn η沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的结构。其中源漏应变源的晶格常数比沟道区域的大，对沟道GeSn材料形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面内形成双轴张应变。这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙变成直接带隙，从而实现高的电子迁移率。
[0006]本发明用以实现上述目的的技术方案如下:
[0007]本发明所提出的金属氧化物半导体场效应晶体管具有一 GeSn沟道、一源极、一漏极、一源应变源、一漏应变源、一绝缘介电质薄膜、一栅电极。
[0008]其中，沟道为单晶GeSn材料，绝缘介电质薄膜位于沟道上，栅电极覆盖在绝缘介电质薄膜上，源极和漏极材料为单晶GeSn，源极应变源和漏极应变源生长在源极和漏极上。其关键是，源、漏应变源晶格常数比沟道区域的材料的晶格常数大，从而形成对沟道的应变，使沟道GeSn由间接带隙变为直接带隙。
[0009]本发明的优点分析如下:
[0010]由于本发明的源漏极、沟道、源漏应变源材料为单晶GeSn，通过改变GeSn中Sn的组分，使得源漏应变源的晶格常数比沟道区域的材料的晶格常数大，从而对沟道GeSn材料形成沿沟道方向的单轴压应变，沿垂直沟道的平面的双轴张应变，这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙变成直接带隙,从而实现高的电子迁移率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为GeSn η沟道MOSFET的立体模式图。
[0012]图2为GeSn η沟道MOSFET的YZ面剖面图。
[0013]图3为GeSn η沟道MOSFET制造的第一步。
[0014]图4为GeSn η沟道MOSFET制造的第二步。
[0015]图5为GeSn η沟道MOSFET制造的第三步。
[0016]图6为GeSn η沟道MOSFET制造的第四步。
【具体实施方式】
[0017]为了更为清晰地了解本发明的技术实质，以下结合附图和实施例详细说明本发明的结构和工艺实现:
[0018]参见图1和图2所示的带有源漏应变源的GeSn η沟道金属氧化物半导体场效应晶体管10,其包括:
[0019]一沟道103，采用单晶GeSn材料，材料通式为Gei_xSnx(0 ^ x ^ 0.25)，如可采用Gea 947Sna 053 (参考文献 Proc.1EEE Intl.Electron Devices Meeting, 2011, pp.16.7.1-16.7.3)。
[0020]一绝缘介电质薄膜104，生长在沟道103上，如采用H-k材料Hf02。
[0021]一栅电极105，覆盖在所述绝缘介电质薄膜上。
[0022]一源极101与一漏极102，材料为单晶GeSn，通式为Gei_xSnx (O ^ x ^ 0.25)，如
米用 Gea 947Sna 053 o
[0023]一源极应变源106与一漏极应变源，分别生长在源极和漏极上，材料为GeSn，通式为 Gei_ySny (0〈y ^ 0.25),如用含 Sn 组分为 10% 的 Gea9SnaP
[0024]参见图3-图6，为带有源漏应变源的GeSn η沟道MOSFET (10)的制造过程:
[0025]第一步如图3所示,制备一根GeSn材料(GehSnx)纳米线,其中中间部分即为GeSn沟道(103)。
[0026]第二步如图4所示，在GeSn纳米线形成围栅结构，即在GeSn沟道上生长绝缘介电质薄膜104，在绝缘介电质薄膜上覆盖栅电极105。
[0027]第三步如图5所示,在GeSn材料(GehSnx)纳米线的两端,对源漏区域刻蚀,形成源极101和漏极102。
[0028]第四步如图6所示，在源漏区域利用外延生长的方法生长应变材料GeSn，形成源极应变源和漏极应变源106，其材料的晶格常数大于沟道GeSn材料的晶格常数。[0029]虽然本发明已以实例公开如上，然其并非用以限定本发明，本发明的保护范围当视权利要求为准。
[0030]本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
【权利要求】
1.一种带有源漏应变源的GeSn η沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，包括: 一沟道103，为单晶GeSn材料； 一绝缘介电质薄膜104,位于沟道上； 一栅电极105,位于所述绝缘介电质薄膜上； 一源极101与一漏极102，材料为单晶GeSn ； 一源极应变源106与一漏极应变源，分别位于源和漏上，材料为单晶GeSn ； 其中源漏应变源的晶格常数比沟道区域的晶格常数大。
2.如权利要求1所述的带有源漏应变源的GeSnη沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述沟道的单晶GeSn材料通式为Ge^Snx (O ^ x ^ 0.25)。
3.如权利要求1所述的带有源漏应变源的GeSnη沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述源漏区域为单晶GeSn材料，通式为Gei_xSnx (O ^ x ^ 0.25)。
4.如权利要求2或3所述的带有源漏应变源的GeSnη沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，所述源漏应变源采用单晶半导体材料GeSn，通式为Gei_ySny(0〈y < 0.25, y>x)。
5.如权利要求1-4之任一项所述的带有源漏应变源的GeSnη沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，其中源漏应变源通`过半导体外延生长的技术生长在源漏区域。
【文档编号】H01L29/78GK103681868SQ201310752768
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】韩根全, 刘艳, 刘明山 申请人:重庆大学