專利名稱:半導(dǎo)體襯底、形成半導(dǎo)體襯底和集成電路的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體器件,更具體地說涉及使用II1- V族溝道材料的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù):
如II1- V族材料的高遷移率溝道材料因為其本征高電子遷移率被認為是替代硅作為互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)應(yīng)用的備選方案。例如,由在絕緣體上的超薄II1- V族材料構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底被認為是用于制造具有改善的縮放而且還具有由于體對應(yīng)物的改善的靜電特性的場效應(yīng)晶體管(FET)的推薦襯底。然而,II1- V族材料的合適的表面鈍化被認為是在實現(xiàn)高性能反轉(zhuǎn)型II1- V FET中的重要挑戰(zhàn)。在絕緣體層和II1- V材料之間的界面處的電荷陷阱的高密度會導(dǎo)致在溝道中的載流子傳輸?shù)拿黠@劣化·。另外,源于電荷捕獲的溝道中的載流子密度的減少還導(dǎo)致驅(qū)動電流的明顯劣化。S.H.Kim等人的,“High Performance Extremely-Thin Body II1-V-on-1nsulatorMOSFETs on a Si Substrate with N1-1nGaAs Metal S/D and MOS Interface BufferEngineering, ^IEEE Symp.0n VLSI Technology (VLSIT) (2011),提議插入由在溝道和絕緣體之間的砷化銦鎵(InGaAs)構(gòu)成的緩沖層。公開的技術(shù)使用具有比InGaAs溝道的銦含量更低的銦含量的InGaAs緩沖層以限制溝道中的電子載流子。然而使用的緩沖層具有足夠大的與溝道材料的導(dǎo)帶的導(dǎo)帶偏移以排斥電子。因此,仍需要在溝道和絕緣體之間采用寬帶隙材料的改善的半導(dǎo)體襯底。還存需要用于采用的寬帶隙材料提供與溝道材料的導(dǎo)帶足夠大的導(dǎo)帶偏移以排斥電子。雖然II1-V溝道材料提供高電子遷移率,但是它們的相對低有效導(dǎo)帶態(tài)密度對反轉(zhuǎn)電荷密度以及產(chǎn)生的驅(qū)動電流具有不利影響。因此,還需要一種器件結(jié)構(gòu),其可以克服此低有效導(dǎo)帶密度問題。
發(fā)明內(nèi)容
一般地,提供了一種在溝道和絕緣體之間采用寬帶隙材料的改善的半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明的一個方面,一種半導(dǎo)體襯底包括由II1- V族材料構(gòu)成的溝道層;絕緣體層;以及在溝道層和絕緣體層之間的寬帶隙材料,其中在溝道層和寬帶隙材料之間的導(dǎo)帶偏移(ΛΕ。)在0.05eV和0.8eV之間。溝道層可以由例如,IrvxGaxAs或IrvxGaxSb構(gòu)成,其中x從O到I變化。寬帶隙材料可以由例如IrvyAlyAS、In1^yAlyP, Al1^yGayAs或IrvyGayP構(gòu)成,其中y從O變化到I。一般地,導(dǎo)帶偏移(AEc)足以排斥電子。在一個特定實施例中,在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的所述導(dǎo)帶偏移(AEc)在0.1eV和0.6eV之間。在一個變化中,寬帶隙材料還包括將電子載流子提供到溝道層中的嵌入的Si德耳塔-摻雜(δ -摻雜)材料。通過參考下面的詳細描述和附圖將獲得對本發(fā)明以及本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點的更完整的理解。
圖1示出了常規(guī)半導(dǎo)體襯底的截面圖;圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的截面圖;以及圖3示出了用于圖2的半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)帶偏移ΛΕ。。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種采用在溝道和絕緣體之間的寬帶隙材料和嵌入在寬帶隙材料中的可選的Si德耳塔-摻雜(δ -摻雜)的改善的半導(dǎo)體器件,該Si δ -摻雜可以在溝道中提供足夠電子載流子以克服低有效導(dǎo)帶態(tài)密度的問題。根據(jù)本發(fā)明的一個方面,采用的寬帶隙材料提供與溝道材料的導(dǎo)帶的足夠大的導(dǎo)帶偏移以排斥電子。圖1示出了常規(guī)半導(dǎo)體襯底100的截面圖。如圖1所示,示范性半導(dǎo)體襯底100由在絕緣體120上的超薄II1-V材料110構(gòu)成。如上所述,在圖1中示出的半導(dǎo)體襯底100被認為是用于制造具有超過體對應(yīng)物的改善的尺度和改善的靜電特性的FET的潛在襯底。處理襯底130可以是在公知的任何任意材料。然而,在CMOS技術(shù)中,典型的襯底是Si并且因此處理襯底130典型地 期望為Si。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底200的截面圖。如圖2所示,示范性半導(dǎo)體襯底200由超薄II1-V材料210和絕緣體220構(gòu)成,類似于圖1。另外,示范性半導(dǎo)體襯底200使用在超薄II1-V材料210和絕緣體220之間的寬帶隙材料215。II1-V溝道材料210可以為例如IrvxGaxAs或者IrvxGaxSb,其中x從O到I變化。寬帶隙材料215可以是例如IrvyAlyAsUrvyAlyPjVyGayAs和Ir^yGayP,其中y從O變化到
I。另外,寬帶隙材料215可以是非故意摻雜的、重摻雜P-型或者半絕緣。本發(fā)明的一個優(yōu)點是緩解對底部絕緣體220的要求。本發(fā)明認識到在超薄II1-V溝道材料210和寬帶隙材料215之間的相對大的導(dǎo)帶偏移(δε。)是必需的。圖3示出了用于圖2的半導(dǎo)體襯底200的導(dǎo)帶偏移ΛΕε,300。如上所述,寬帶隙材料215的導(dǎo)帶310提供與II1-V溝道材料210的導(dǎo)帶320的足夠大的導(dǎo)帶偏移.
注意,導(dǎo)帶(Ε。)是高于價帶(Ev)的電子能量的范圍,其足以讓電子擺脫其原子的束縛并且允許電子在材料的原子晶格內(nèi)自由移動。在導(dǎo)帶(Ε。)中的電子是固體中的移動電荷載流子,負責(zé)傳導(dǎo)電流。本發(fā)明認識到自由電子在導(dǎo)帶(Ε。)之上。因此,期望相對大的導(dǎo)帶偏移(Λ Ε。)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面通過為給定溝道材料210選擇合適的寬帶隙材料215獲得期望的導(dǎo)帶偏移(ΛΕ。)。如下文討論的,為給定的溝道材料210選擇合適的寬帶隙材料215以提供足夠大的導(dǎo)帶偏移(ΛΕ。)以排斥來自溝道210的底部的電子。寬導(dǎo)帶偏移(ΛΕ。)在0.05eV和0.8eV之間并且更窄的期望范圍在0.1-0.6eV之間。在其它益處中,在溝道和絕緣體之間插入寬帶隙材料可在底部界面處提供了明顯減少的表面復(fù)合速度,而具有可忽略的短溝道效應(yīng)的懲罰。另外,增加導(dǎo)帶偏移將允許使用更薄緩沖層,從而改善短溝道效應(yīng)。
前面描述的僅公開了本發(fā)明的示例實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地理解落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的上述公開的結(jié)構(gòu)和方法的修改。因此,雖然結(jié)合其示范性實施例公開了本發(fā)明,但應(yīng)該明白其它實施例也可以落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),如通過下面的權(quán)利要求限定的。這是使用的術(shù)語僅用于描述具體實施例的目的并且沒有旨在限制本發(fā)明。如這里使用的,除非內(nèi)容中明確指明否則單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”旨在還包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)該明白,術(shù)語“包括”和/或“包含”,當(dāng)在此說明書中使用時,具體指描述的特征、整體(integer)、步驟、操作、元件和/或部件的存在,但是不排除一個或更多特征、整體、步驟、操作、元件和/或其組的存在或者添加。在下面的權(quán)利要求中的對應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、作用和所有裝置或步驟加功能元件的等價物旨在包括用于結(jié)合其它特別要求的其它要求元件執(zhí)行功能的任意結(jié)構(gòu)、材料和作用。呈現(xiàn)本發(fā)明的描述用于示出和描述目的并且沒有旨在窮盡或者限制本發(fā)明在公開的形式中。在不脫離描述的本發(fā)明的范圍和精神下本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白許多修改和變化。選擇并描述實施例的目的是更好的解 釋本發(fā)明、實際應(yīng)用的原理,并且使本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員理解用于各種實施例的發(fā)明,其具有適合于預(yù)期的特定應(yīng)用的各種修改。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體襯底,包括: 溝道層,由II1-V族材料構(gòu)成; 絕緣體層;以及 寬帶隙材料,在所述溝道層和所述絕緣體層之間,其中在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的導(dǎo)帶偏移(Λ E。)在0.05eV和0.8eV之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底,其中所述溝道層由IrvxGaxAs和IrvxGaxSb中的一種或多種構(gòu)成,其中X從O到I變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底,其中所述寬帶隙材料由IrvyAlyAs、IrvyAlyP、Al1^yGayAs和IrvyGayP中的一種或多種構(gòu)成,其中y從O變化到I。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底,其中所述寬帶隙材料是重摻雜P-型、非故意摻雜和半絕緣材料中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底,其中所述導(dǎo)帶偏移(ΛΕ。)足以排斥電子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底,其中在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的所述導(dǎo)帶偏移(Λ E。)在0.1eV和0.6eV之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底,其中所述寬帶隙材料還包括嵌入的Si德耳塔-摻雜(δ -摻雜)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要7的半導(dǎo)體襯底,其中所述嵌入的Si德耳塔-摻雜(δ-摻雜)材料將電子載流子提供到所述溝道層中。
9.一種用于形成半導(dǎo)體襯底的方法,包括: 在由II1- V族材料構(gòu)成的溝道層和絕緣體層之間形成寬帶隙材料;以及 針對給定的溝道層材料選擇所述寬帶隙材料,以便在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的導(dǎo)帶偏移(Λ Ε。)在0.05eV和0.8eV之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其中所述溝道層由IrvxGaxAs和IrvxGaxSb中的一種或多種構(gòu)成,其中X從O到I變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其中所述寬帶隙材料由IrvyAlyAsUrvyAlyPjlhGayAs和IiVyGayP中的一種或多種構(gòu)成,其中y從O變化到I。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其中所述寬帶隙材料是重摻雜P-型、非故意摻雜和半絕緣材料中的一種或多種。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其中所述導(dǎo)帶偏移(ΛE。)足以排斥電子。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其中在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的所述導(dǎo)帶偏移(ΛΕ。)在 0.1eV 和 0.6eV 之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,還包括在所述寬帶隙材料中嵌入Si德耳塔-摻雜(δ-摻雜)材料的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法,其中所述嵌入的Si德耳塔-摻雜(δ-摻雜)材料將電子載流子提供到所述溝道層中。
17.一種集成電路,包括: 半導(dǎo)體襯底,其中所述半導(dǎo)體襯底還包括: 溝道層,由II1-V族材料構(gòu)成; 絕緣體層;以及寬帶隙材料,在所述溝道層和所述絕緣體層之間,其中在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的導(dǎo)帶偏移(Λ E。)在0.05eV和0.8eV之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的集成電路,其中所述寬帶隙材料由IivyAlyAs、In1^yAlyP,Al1^yGayAs和IrvyGayP中的一種或多種構(gòu)成,其中y從O變化到I。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的集成電路,其中在所述溝道層和所述寬帶隙材料之間的所述導(dǎo)帶偏移(Λ E。)在0.1eV和0.6eV之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的集成電路,其中所述寬帶隙材料還包括嵌入的Si德耳塔-摻雜(δ -摻 雜)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體襯底、形成半導(dǎo)體襯底和集成電路的方法。提供了一種在溝道和絕緣體之間采用寬帶隙材料的改善的半導(dǎo)體襯底。一種半導(dǎo)體襯底包括由Ⅲ-Ⅴ族材料構(gòu)成的溝道層;絕緣體層;以及在溝道層和絕緣體層之間的寬帶隙材料,其中在溝道層和寬帶隙材料之間的導(dǎo)帶偏移(ΔEc)在0.05eV和0.8eV之間。溝道層可以由例如In1-xGaxAs或In1-xGaxSb構(gòu)成,其中x從0到1變化。寬帶隙材料可以由例如In1-yAlyAs、In1-yAlyP、Al1-yGayAs或In1-yGayP構(gòu)成,其中y從0變化到1。
文檔編號H01L21/336GK103227192SQ20131003284
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月30日
發(fā)明者B·赫克瑪特紹塔巴里, D·K·薩達那, G·G·沙希迪, D·沙赫莉亞迪 申請人:國際商業(yè)機器公司