双轴张应变GeSnn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管

摘要

本发明提供一种带有双轴张应变的GeSnn沟道MOSFET。该MOSFET(10)包括衬底（101）、源极和漏极（102,103）、GeSn沟道（104）、绝缘介电质薄膜（105）以及栅电极（106）。源漏区域材料的晶格常数比GeSn沟道材料的晶格常数大，GeSn沟道形成XY面内的双轴张应变。这种应变有利于沟道GeSn材料由间接带隙结构变为直接带隙结构，电子迁移率大大提高，从而提高MOSFET性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双轴张应变GeSnn沟道MOSFET（Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）。 

背景技术

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Sn组分和GeSn的应变，可以把间接带隙结构GeSn转变成直接带隙结构，这样导电电子由L能谷电子变成了Γ能谷的电子，导电电子的有效质量大大降低，从而电子迁移率大大提高（Physical Review B,vol.75,pp.045208,2007）。 

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）。但是，Sn在Ge中的固溶度（<1%）很低，使得制备高质量、无缺陷的GeSn的工作很难。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;ECS Transactions,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）。 

为实现双轴张应变GeSn，可以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III-V族材料，或者Sn组分更高的GeSn材料。 

发明内容

本发明的目的是提出一种双轴张应变GeSnn沟道金属氧化物半导体场效应 晶体管（MOSFET）的结构。其中源漏区域的晶格常数比沟道材料的晶格常数大，由此对沟道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。 

本发明用以实现上述目的的技术方案如下：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、一衬底、一源极、一漏极、一绝缘介电质薄膜、一栅电极。 

所述源极（或者漏极）通过外延生长或者键合方式生长在衬底上，其材料为弛豫的单晶半导体材料GeSn，源极、沟道和漏极形成竖直器件结构。 

所述绝缘介电质薄膜环绕生长在沟道上，所述栅电极覆盖在绝缘介电质薄膜上。 

所述源极（或者漏极）的材料晶格常数比GeSn沟道晶格常数大。 

本发明的优点分析如下： 

由于本发明的沟道为单晶GeSn，其中源漏区域的晶格常数比沟道材料的晶格常数大，由此对沟道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。 

附图说明

图1为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET示意图。 

图2为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET制造的第一步。 

图3为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET制造的第二步。 

图4为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET制造的第三步。 

图5为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET制造的第四步。 

具体实施方式

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： 

图1为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET（10）的示意图。其结构包括衬底（101）、源极和漏极（102，103）、GeSn沟道（104）、沟道上的绝缘介电质薄膜（104），绝缘介电质薄膜上覆盖一层柵电极（105）。 

它们的结构关系为：在衬底101上通过外延或者键合的方式形成源极102（或者漏极103），沟道101上外延生长漏极103（或者源极102），绝缘介电质薄膜104环绕生长在沟道101的上，栅电极105覆盖在绝缘介电质薄膜上。 

其中GeSn沟道101的材料通式为Ge_1-xSn_x（0≤x≤0.25），如可以选用Ge_0.947Sn_0.053（参考文献Proc.IEEE Intl.Electron Devices Meeting,2011,pp.16.7.1-16.7.3）。源极102和漏极103的材料为弛豫的单晶半导体材料，通式为Ge_1-ySn_y，（x<y），如可选用含Sn组分为10%的Ge0.9Sn0.1。 

参见图2-图5，为双轴张应变GeSnn沟道MOSFET10的制造过程： 

第一步如图2所示，在衬底101上形成弛豫的单晶Ge_1-ySn_y材料作源极。 

第二步如图3所示，在源极材料依次生长Ge_1-xSn_x（x<y）沟道和漏极材料Ge_1-ySn_y。 

第三步如图4所示，利用光刻和刻蚀的办法形成竖直器件结构。 

第四步如图5所示，在沟道上面形成绝缘介电质薄膜104和栅电极105。 

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。 

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。