[发明专利]带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有InAlP盖层的GeSn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，为了提高芯片性能和集成度，金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET）沟道长度不断缩短，器件性能也不断提升。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。实验已经证明p型应变GeSn沟道MOSFET器件具有比p型Ge沟道MOSFET更高的空穴迁移率（IEEE International Electron Devices Meeting,2011,p.398,p.402）。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）。

制备GeSn沟道MOSFET器件时，当GeSn材料与绝缘介电质薄膜（通常为SiO₂，Al₂O₃，HfO₂，TaSiO_x，HfLaO_x等材料）直接接触的时候，会在GeSn和绝缘介电质薄膜界面上形成大量的界面态（Interface State）。这些界面态会对Ge沟道中的载流子形成散射，当界面态密度（Density of Interface States，D_it）太高的时候，会大大降低沟道有效载流子迁移率。而且当GeSn与绝缘介质薄膜接触的时候，会出现Sn在界面处偏析，影响沟道的结晶质量，进而影响沟道迁移率。

为解决以上问题，前人提出了在沉积绝缘介电质薄膜之前对Ge表面进行钝化处理。对于p型GeSn沟道MOSFET器件，利用低温生长Si钝化层的方法，可以得到较高的有效空穴迁移率。但是，对于n型GeSn沟道MOSFET器件，还没有找到合适的钝化方法实现高的有效电子迁移率。虽然，有人尝试利用GeSnO₂钝化GeSn表面制备n型GeSn沟道MOSFET器件，但是在形成GeSnO₂的过程中会出现Sn的偏析，降低电子迁移率。而且GeSnO₂不能有效的将界面态和沟道载流子隔离开，界面态散射会降低沟道载流子迁移率。也有人在GeSn上面生长一个Ge盖层，在生长GeO₂作为钝化层，但是Ge和GeSn界面处导带带阶不够大，不能将电子限制在GeSn层，器件的有效电子迁移率并不高。

发明内容

本发明的目的是提出一种带有InAlP盖层的GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的结构。其中InAlP盖层可以有效隔离GeSn沟道和绝缘介电质薄膜，并将导电载流子限制在GeSn层中，从而实现高的有效载流子迁移率。InAlP是通过外延生长的技术长在GeSn上面，生长的过程不过引起Sn的偏析，不会降低GeSn沟道结晶质量。本发明既适应n型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，又适应p型GeSn沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。

本发明所提出的金属氧化物半导体场效应晶体管具有一基底、一GeSn沟道、一InAlP盖层、一绝缘介电质薄膜、一栅、两绝缘间隙壁，以及一源极和一漏极。在基底上有GeSn沟道，GeSn沟道上面为InAlP盖层，在InAlP盖层和栅之间是绝缘介电质薄膜，绝缘间隙壁隔开栅与源极/漏极区域，绝缘间隙壁隔开InAlP盖层与源极/漏极区域。其中，InAlP材料本身的禁带宽度比GeSn的禁带宽度大，在InAlP和GeSn的界面价带和导带处都能形成有效的带阶，将导电载流子限制在GeSn沟道层中。这样可以有效减小界面态密度对GeSn沟道中载流子的散射作用，从而提高有效载流子迁移率。