[发明专利]含前侧应变超晶格层和背侧应力层的半导体器件和方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地涉及具有基于能带工程的增强性能的半导体和相关联的方法。

背景技术

已经提出了诸如通过增强电荷载流子的迁移率而增强半导体器件的性能的结构和技术。例如，Currie等人的美国专利申请2003/0057416公开了硅、硅锗和松驰硅的应变材料层，其也包括无杂质区域，没有所述无杂质区域将引起性能变差。在上硅层中的结果产生的双轴应变改变了载流子迁移率，使得能实现高速和/或低功率器件。Fitzgerald等人的公布的美国专利申请2003/0034529公开了一种也基于类似的应变硅技术的CMOS反相器。

Takagi的美国专利6,472,685B2公开了一种半导体器件，其包括硅层和夹在硅层之间的碳层，以便第二硅层的导带和价带承受拉伸应变。在第二硅层中限制了具有较小的有效质量并且通过被施加到栅极的电场而诱发的电子，因此，n沟道MOSFET被认为具有较高的迁移率。

Ishibashi等的美国专利4,937,204公开了超晶格，其中，少于8个单层并且包含分数(fraction)或者二元化合物半导体层的多个层交错地和外延地生长。主电流的方向与超晶格的层垂直。

Wang等的美国专利5,357,119公开了具有较高的迁移率的Si-Ge短周期超晶格，所述较高的迁移率是通过减少散布在超晶格中的合金而实现的。按照如此方法，Candelaria的美国专利5,683,934公开了一种增强迁移率的MOSFET，其包括沟道层，所述沟道层包括硅和第二材料的合金，所述第二材料以使沟道层处于拉伸应力下的百分比置换地存在于硅晶格中。

Tsu的美国专利5,216,262公开了一种量子势阱结构，其包括两个阻挡层区和夹在阻挡层之间的薄外延生长的半导体层。每个阻挡层区由具有一般在2-6单层的厚度的SiO₂/Si的交错层构成。在阻挡层之间夹着厚得多的硅部分。

Tsu的由Applied Physics and Materials Science & Processing的第391-402页在2000年9月6日在线公开的、题目为“(Phenomena insilicon nanostructure devices)硅纳米结构中的现象”的文章公开了一种硅和氧的半导体原子超晶格(SAS)。Si/O超晶格被公开为有益于硅量子和发光器件中。具体地，绿色电致发光二极管结构被构造和测试。在所述二极管结构中的电流是垂直的，即与SAS的层正交。所公开的SAS可以包括半导体层，其由诸如氧原子和CO分子的吸收物质被分隔。在氧的吸收单层之外的硅生长被描述为以相当低的缺陷密度外延。一种SAS结构包括大约为8个硅原子层的1.1nm厚度的硅部分，另一个结构具有硅的这个厚度的两倍。Luo等在Physical ReviewLetters，Vol.89。No.7(2002年8月12日)中公布的、题目为“ChemicalDesign of Direct-Gap Light-Emitting Silicon”的文章还讨论了Tsu的发光SAS结构。

Wang、Tsu和Lofgren的公布的国际申请WO 02/103,767A1公开了薄硅和氧、碳、氮、磷、锑、砷或者氢的阻挡层构造块，由此将垂直地流过晶格的电流减少大于4个数量级。绝缘层/阻挡阻挡层允许低缺陷的外延硅沉积在绝缘层旁边。

Mears等的公布的英国专利申请2,347,520公开了非周期光子带隙(APBG)结构的原理可以被用于电子带隙工程。具体地，所述申请公开了：材料参数——例如最小能带的位置、有效质量等——可以被定制以产生具有期望的能带结构特性的新的非周期材料。诸如电导率、导热率和介电常数或者磁导率的其他参数被公开为也可被设计到材料中。

虽然有用于提高在半导体器件中的电荷载流子的迁移率的材料设计上的相当大的努力，但仍然需要更大的改进。更大的迁移率可以提高器件速度和/或减少器件功耗。使用更大的迁移率，也可以保持器件性能，虽然有向较小器件和新的器件结构的连续的转换。而且，也可以期望在能带设计(band-engineered)的半导体材料中的优先应变，以进一步增强其性能特性。

发明内容

鉴于上述背景，因此本发明的目的是提供一种半导体器件，其具有期望的迁移率和应变特性。