[發明專利]高遷移率Ⅲ-Ⅴ族半導體MOS界面結構

有效

• 申請號: 201010118896.5
• 申請日: 2010-03-05
• 公開（公告）號: CN102194859A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 劉洪剛;?；|;劉新宇;吳德馨
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L29/12
• 分類號: H01L29/12;H01L29/78;H01L29/778
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及半導體集成電路制造技術領域，具體涉及一種在III-V族半導體上實現高遷移率與低界面態密度的MOS界面結構，應用于高性能III-V族半導體CMOS技術。

背景技術

現有的硅集成電路技術遵循摩爾定律通過縮小特征尺寸來提高性能，這勢必帶來工藝設備和制造技術的復雜化，尤其是當半導體技術發展到納米尺度后，硅集成電路技術日益逼近其理論和技術的雙重極限，采用高遷移率溝道材料來提升硅基CMOS技術的性能已經成為延續摩爾定律的一個重要方向。III-V族半導體材料的室溫電子遷移率大約是硅的6～60倍，在低電場和強場下具有非常優異的電子輸運性能。并且，III-V族半導體擁有一系列晶格匹配的異質結材料體系，可以靈活地應用能帶工程和雜質工程同時對器件的性能進行裁剪。與同等技術水平的硅基微電子技術相比，III-V族半導體具有顯著的速度優勢、超低的電壓工作和極低的功耗。與新興的分子、量子電子器件相比，III-V族半導體已廣泛應用于高速電子與光電子領域，人們對其材料屬性與器件物理了解十分深入，其制造技術與主流硅基工藝兼容而且成熟可靠?？梢灶A見，III-V族半導體技術將在新一代超高速、低功耗集成電路中占有重要地位。

III-V族半導體MOS器件的研究開始于二十世紀六十年代。然而，在過去四十年中，高質量熱穩定柵介質材料研發的滯后一直阻礙著III-V族半導體在大規模CMOS集成電路中的應用。近年來，硅基高k柵介質金屬柵技術在45納米CMOS中的成功應用為III-V族半導體CMOS技術的研制提供了新的技術平臺。最新研究表明，采用原子層沉積(ALD)以及分子束外延(MBE)技術在III-V族半導體表面直接沉積高k柵介質材料已經實現了器件質量的的MOS界面。然而，直接在高遷移率溝道表面直接?生長高k柵介質材料會帶來溝道載流子遷移率的下降、界面態密度高以及MOS界面的可靠性等方面的問題。因此，需要一種新的途徑在III-V族半導體上同時實現高載流子遷移率與低界面態密度，以滿足高性能III-V族半導體CMOS技術的要求。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的主要目的是提供一種高遷移率III-V族半導體MOS界面結構，以同時實現高載流子遷移率與低界面態密度，滿足高性能III-V族半導體CMOS技術的要求。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種高遷移率III-V族半導體MOS界面結構，該結構自下而上依次包括：

一單晶襯底101；

一在該單晶襯底101上表面形成的緩沖層102；

一在該緩沖層102上形成的量子阱底部勢壘層103；

一在該量子阱底部勢壘層103上形成的高遷移率量子阱溝道104；

一在該高遷移率量子阱溝道104上形成的量子阱頂部勢壘層105；

一在該量子阱頂部勢壘層105上形成的界面控制層106；

一在該界面控制層106上形成的高K柵介質107；以及

一在該高K柵介質107上形成的金屬柵結構108。

上述方案中，所述單晶襯底101是硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)或氧化鋁(Al₂O₃)襯底。

上述方案中，所述緩沖層102能夠釋放所述單晶襯底101與高遷移率量子阱溝道104之間晶格失配應力。

上述方案中，所述高遷移率量子阱溝道104采用III-V族半導體薄層材料，該III-V族半導體薄層材料包括由砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、銻化鎵(GaSb)、氮化鎵(GaN)和氮?化銦(InN)構成的群組中的任一種化合物，以及該群組中多個化合物的多元合金；該高遷移率量子阱溝道104包含一種III-V族半導體或者多種III-V族半導體的多元合金，或者包含由多種III-V族半導體以及合金薄層組合而成的復合溝道。

上述方案中，所述量子阱底部勢壘層103和量子阱頂部勢壘層105采用III-V族半導體及其多元合金材料，以及電學絕緣或者半絕緣材料，其禁帶寬度大于所述高遷移率量子阱溝道104，并且電子親和勢低于所述高遷移率量子阱溝道104。

上述方案中，所述量子阱底部勢壘層103、量子阱頂部勢壘層105與所述高遷移率量子阱溝道104的晶格為匹配或者贗配關系，且具有第一類量子阱能帶對準關系，電子或者空穴在溝道中具有量子限制效應。