[发明专利]带有张应变薄膜应变源的双栅场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体设计及制造技术领域，特别涉及一种带有张应变薄膜应变源的双栅场效应晶体管及其制备方法。

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)。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[ECSTransactions,41(7),pp.231,2011；ECSTransactions,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。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种带有张应变薄膜应变源的双栅场效应晶体管及其制备方法。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种带有张应变薄膜应变源的双栅场效应晶体管，其包括：半导体材料，所述半导体材料具有第一表面和第二表面，在所述半导体材料的第一表面上形成源区、漏区和导电沟道区，所述源区、漏区和导电沟道区的连接线与所述半导体材料的第一表面平行，所述源区、漏区和导电沟道区均凸出于所述半导体材料相同的高度，所述导电沟道区位于所述源区和漏区之间，所述导电沟道具有第一导电面和第二导电面；栅介质层，所述栅介质层形成在所述半导体材料的第一表面上，且位于所述导电沟道区的第一导电面的侧面和第二导电面的侧面；栅极，所述栅极形成在所述半导体材料的第一表面上，且位于所述栅介质层的侧面；绝缘介质层，所述绝缘介质层形成在所述栅极、源极和漏极的侧壁上；张应变薄膜应变层，所述张应变薄膜应变层形成在所述绝缘介质层上，用于在导电沟道区引入沿沟道方向上的张应变；源区电极和漏区电极，所述源区电极与所述源区接触，所述漏区电极与所述漏区接触。

本发明的带有张应变薄膜应变源的双栅场效应晶体管在器件表面覆盖一层张应变薄膜应变层，在制备过程中张应变薄膜膨胀在沟道区域引入沿沟道方向上较大的张应变，从而在源沟道界面及附近区域引入双轴张应变，该应变有利于沟道的GeSn导带Γ点下降，由间接带隙转变为直接带隙，增大电流，提高器件工作电流，导通电阻降低。

在本发明的一种优选实施方式中，所述源区、漏区和导电沟道区的材料为单晶GeSn材料，其通式为Ge_1-zSn_z，其中，0≤z≤0.25。电子的迁移率高。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述张应变薄膜应变层的材料为Ca₂SiO₄，所述Ca₂SiO₄生长时为单斜晶相，生长完成后退火转变成菱形晶相，体积膨胀，从而形成张应力，有利于沟道的GeSn导带Γ点下降，由间接带隙转变为直接带隙，增大电流，提高器件工作电流，导通电阻降低。

在本发明的一种优选实施方式中，当所述张应变薄膜应变层是绝缘材料时，不需要所述绝缘介质层，所述张应变薄膜应变层形成在所述所述栅极、源极和漏极的侧壁上，用于在导电沟道区引入沿沟道方向上的张应变。从而节约工艺流程，降低成本，提高可靠性。

在本发明的一种优选实施方式中，所述张应变薄膜应变层为不连续的张应变薄膜应变层。可以在局部引入张应变。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述张应变薄膜应变层将栅，源，漏全部覆盖；或者将栅全部覆盖并且将源区、漏区暴露。保证在导电沟道区引入张应变。