專利名稱：應變半導體器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件，其中窄帶隙半導體區域承受應變。
諸如銻化銦InSb之類的窄帶隙半導體具有有利的屬性，例如極低的電子有效質量、極高的電子遷移率和高飽和速度。這些對于超高速晶體管應用都具有潛在的極大優勢。尤其是，對于快速極低功耗晶體管，InSb是很有前途的材料，因為它在低電場下的電子遷移率μe比GaAs高9倍，它的飽和速度Vsat比GaAs高5倍，盡管在這些方面GaAs具有比硅好的屬性。還已預測InSb具有超過0.5微米的大的彈道平均自由程。這暗示InSb將很適合高速低電壓操作，與之對應的低功耗使它適用于便攜式和高器件密度的應用。
向半導體施加應變是改變其特性的一種有效的方法。盡管這主要應用于光電器件例如激光器和光檢測器，但US 5,382,814公開了一種MISFET，它包括一個包含15％Al的AlxIn1-xSb層。該層是張應變的，因為向晶格添加Al原子減小了相對于相鄰材料的晶格常數。然而，該現有技術p+p+(寬帶隙)p-n+結構中，AlxIn1-xSb寬帶隙層將用作導帶中的勢壘以防止電子從p+接觸區移動到p-有源區。它不用作在該層中或沿著該層發生載流子輸運的層，這里應變的存在對于器件的操作不是十分重要的。
現在應當理解能夠構建具有壓應變區域或層的晶體管，其中應變的存在有利地影響了晶體管的屬性。
因此本發明提供一種晶體管，包括至少一個窄帶隙區域或層，該區域或層是p型摻雜的或包含過量的空穴，并承受壓縮機械應變。
優選地該窄帶隙不大于1.0eV，優選地不大于0.75eV，最優選地不大于0.5eV。在具有這種窄帶隙的材料中，應變對能帶的影響最有可能大到足夠使用的程度。
可以通過使窄帶隙區域與至少一個具有不同晶格常數的另外的層或區域相鄰，向該窄帶隙區域強加壓縮機械應變。優選地，在該窄帶隙層或區域的兩個相對端都存在至少一個另外的層或區域。
根據本發明的器件中，應變區域中的多數載流子將是空穴。一般地，應變區域或層將是使用中允許載流子輸運的區域或層，且通常將是其中發生主要載流子輸運的區域或層(例如在該層中或沿著該層)。
本發明可以應用到FET，例如p溝道量子阱效應FET，并且也可以應用到雙極晶體管，例如npn晶體管。
我們的國際專利申請No.PCT/GB03/01148公開并且要求保護一種量子阱場效應晶體管，其中量子阱由主要傳導溝道和至少一個與主要溝道直接相鄰并與之接觸的次要傳導溝道提供，該次要溝道的有效帶隙大于主要溝道的有效帶隙Eg(有效的)，其中主要溝道和次要溝道之間的有效碰撞電離閾值IIT(有效的)和有效導帶偏移ΔEc(有效的)之間差的模數不大于0.5Eg(有效的)。它還公開并且要求保護一種量子阱場效應晶體管，其中量子阱由主要傳導溝道和至少一個與主要溝道直接相鄰并與之接觸的次要傳導溝道提供，該次要溝道的有效帶隙大于主要溝道的有效帶隙Eg(有效的)，其中主要溝道和次要溝道之間的有效碰撞電離閾值IIT(有效的)和有效導帶偏移ΔEc(有效的)之間差的模數不大于0.4eV。
我們早先的UK專利申請序列號No.2362506公開并且要求保護一種提取晶體管，其特征在于(a)它是一種場效應晶體管，具有組成至少一部分量子阱的傳導區域；(b)當晶體管沒有偏置并在正常工作溫度下時，該量子阱處于至少部分本征傳導狀態中；以及(c)它包括至少一個可以偏置的結以減少量子阱中的本征傳導并將電荷載流子限制為主要是僅對應于本征飽和狀態的一種類型。
我們的國際專利申請No.PCT/GB02/05904公開并且要求保護一種具有垂直幾何結構的晶體管，具有提供基極接觸的基區、從基區提取少數載流子的發射區和集電區、以及阻止少數載流子通過基極接觸進入基區的結構，其中基區的帶隙大于0.5eV，摻雜濃度大于1017cm-3。在這種類型的結構中基極可以是壓應變的以允許輕空穴輸運，這在效率高的npn器件中是必要的。
此外，我們的國際專利申請No.PCT/GB01/02284公開并且要求保護一種雙極晶體管，具有從基區提取少數載流子的發射區和集電區，和阻止少數載流子通過基極接觸進入基區的結構，基區的帶隙小于0.5eV，其中基區的摻雜濃度大于1017cm-3。
但本發明不限于這些現有技術結構，這種量子阱FET和雙極晶體管可以基于InSb。這種情況下，具有明顯較低晶格常數的AlxIn1-xSb層或多層的存在將分別向量子阱或基區進入強的壓應變。InSb材料中的應變效應很強，原則上允許輕空穴和重空穴的能量以大于kT的量分離。因為InSb中輕空穴(處于小于重空穴的較低的能帶中)的遷移率和電子的遷移率相當(遠大于重空穴的遷移率，而重空穴的遷移率一般支配了無應變InSb中的輸運)，這使得能夠制備高性能的基于空穴的器件。當后面一種器件與對應的但更常規的基于電子的器件相結合使用時，這允許設計具有良好電路性能和低靜態功耗的極高速的低功耗互補邏輯電路。
在InSb中應變效應強，因此用于壓應變窄帶隙區域的優選材料是InSb。不過，根據本發明在晶體管中可以以相同的方式使用其它材料，例如InAs。
仔細閱讀附屬的權利要求書，并考慮下面參考附圖的關于本發明實施例的更為詳細的描述，本發明的其它特征和優點將顯而易見。附圖中
圖1以圖示剖面的形式示出了根據本發明的量子阱FET。
圖2形象化地示出了壓應變對圖1的晶體管中所示類型的量子阱層的影響。
圖3示出了圖1所述類型的量子阱晶體管的計算的差量。
圖4以圖示剖面的形式示出了根據本發明的雙極晶體管。
圖1中，一個可選的用于載流子提取的n型高摻雜的背接觸層2直接位于例如GaAs的絕緣襯底1之上。調制摻雜或直接摻雜p型雜質的InSb層5形成In1-xAlxSb層4和6之間的量子阱。如果使用調制摻雜，通過層6和7之間或層3和4之間或它們兩者之間的摻雜薄層提供調制摻雜。另一In1-xAlxSb層3位于層4和背接觸2之間，且另一In1-xAlxSb層7位于層6上。p型傳導溝道的每個端頭的連接分別通過p型接觸8、9和其上金屬接觸10、11提供，并提供肖特基柵極(或氧化物基的柵極)12以控制溝道傳導。
層4和6中的x值足夠高以在層5中引入足夠的應變，使得輕空穴和重空穴被遠大于kT的量分離。
層厚和x的典型值如下層2厚度0.5-3μm； x＝0.15-0.30層3厚度0.5-0.75μm x＝0.15-0.30層4厚度3-10nm；x＝0.15-0.30層5厚度5-20nm；層6厚度3-10nm；x＝0.15-0.30層7厚度10-20nm； x＝0.15-0.30圖2形象化地示出了壓應變對能帶結構的影響，例如在圖1的一般結構的量子阱晶體管中壓應變對能帶結構的影響，注意在平面內重空穴和輕空穴相交，而在垂直于平面的方向兩個能帶分離。
圖3示出了圖1一般結構量子阱晶體管的計算的平面內子帶差量，此種情況InSb量子阱位于In0.81Al0.19Sb勢壘之間，阱的厚度分別為5nm(圖3(a)和3(b))和10nm(圖3(c)和3(d))。圖表提供了“重”和“輕”空穴存在的很好的證明。初始計算暗示可以獲得1011到1012cm-1范圍的薄層空穴密度，空穴遷移率與電子遷移率相當，給出了互補器件電路中器件特性良好匹配的潛力。
圖4示出了npn雙極晶體管，其中基區19是p型摻雜的InSb。基極還包括p+層14之上的基極接觸金屬13。另一p+層15位于區域19和層14之間并與它們接觸。發射極包括n+層17上的發射極接觸金屬16。另一n+層18位于層17和基區19之間并與它們接觸。集電極包括位于半絕緣襯底23和n收集層20之間并與它們接觸的n+層22。在層22上有歐姆接觸金屬層21，層20位于層22和基區19之間并與它們接觸。每個層15、18、20和22都是寬帶隙AlxIn1-xSb，它們的存在向窄帶隙基極層19施加了壓應變。該結構允許基極層20應變，由此提供輕空穴輸運并允許具有較低基區存取電阻的較快速器件速度，獲得改善的功率增益。
層厚和x的典型值如下層14厚度5-20nm層15厚度5-20nm x＝0.15-0.30層17厚度5-20nm
層18厚度5-20nm x＝0.15-0.30層19厚度5-20nm層20厚度0.3-2μm； x＝0.15-0.30層22厚度0.5-5μm； x＝0.15-0.30收集極
權利要求
1.一種包括至少一個窄帶隙區域或層的晶體管，該窄帶隙區域或層是p型摻雜的或包含過量的空穴，并承受壓縮機械應變。
2.根據權利要求1所述的晶體管，其中布置所述窄帶隙區域或層用于多數載流子輸運。
3.根據權利要求1或2所述的晶體管，其中所述窄帶隙區域或層與至少另一個具有不同晶格常數的區域或層接觸，由此所述窄帶隙區域或層承受所述壓縮機械應變。
4.根據前述任一權利要求所述的晶體管，其中存在至少兩個所述另外的層，在所述窄帶隙區域或層的兩端都有一個所述另外的層。
5.根據前述任一權利要求所述的晶體管，其中所述窄帶隙區域或層包括InSb或InAs。
6.根據前述任一權利要求所述的晶體管，其中所述晶體管是量子阱FET。
7.根據權利要求6的晶體管，其中量子阱由主要傳導溝道和至少一個與主要傳導溝道直接相鄰并與之接觸的次要傳導溝道提供，該次要溝道的有效帶隙大于主要溝道的有效帶隙Eg(有效的)，其中主要溝道和次要溝道之間的有效碰撞電離閾值IIT(有效的)和有效導帶偏移ΔEc(有效的)之間的差的模數不大于0.5Eg(有效的)。
8.根據權利要求7的晶體管，其中量子阱由主要傳導溝道和至少一個與主要傳導溝道直接相鄰并接觸的次要傳導溝道提供，該次要溝道的有效帶隙大于主要溝道的有效帶隙Eg(有效的)，其中主要溝道和次要溝道之間的有效碰撞電離閾值IIT(有效的)和有效導帶偏移ΔEc(有效的)之間的差的模數不大于0.4eV。
9.根據權利要求6的提取晶體管形式的晶體管，其特征在于(a)它是一種場效應晶體管，具有組成至少一部分量子阱的傳導區域；(b)當晶體管沒有偏置并在正常工作溫度下時，該量子阱處于至少部分本征傳導狀態中；以及(c)它包括至少一個可以偏置的結以減少量子阱中的本征傳導并將電荷載流子限制為主要是僅對應于本征飽和狀態的一種類型。
10.根據權利要求1到5中任一項所述的晶體管，其中晶體管是npn雙極晶體管。
11.根據權利要求10的具有垂直幾何結構的晶體管，具有提供基極接觸的基區、從基區提取少數載流子的發射區和集電區、以及阻止少數載流子通過基極接觸進入基區的結構，其中基區的帶隙大于0.5eV，摻雜濃度大于1017cm-3。
12.根據前述任一權利要求所述的晶體管，其中窄帶隙不大于1.0eV。
13.互補邏輯電路，包括根據前述任一權利要求所述的晶體管。
14.一種集成電路，包括根據權利要求1到12中任一項的晶體管或根據權利要求13的互補邏輯電路。
15.一種晶體管，此前參考附圖的圖1或圖4基本得以描述。
全文摘要
在多數載流子是空穴的晶體管中，至少一個窄帶隙區域或層是p型摻雜的或包括過量的空穴，并承受壓縮機械應變，由此空穴遷移率可以顯著提高。在p溝道量子阱FET中，量子阱InSb阱p型層5(調制或直接摻雜)位于In
文檔編號H01L29/10GK1883053SQ200480034256
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月8日 優先權日2003年11月20日
發明者T·J·菲利普斯, T·阿什利 申請人:秦內蒂克有限公司