[发明专利]包括超晶格与不同的非半导体材料单层的半导体器件和相关方法

说明书

半导体器件可包括半导体衬底(121)和在所述半导体衬底上并包括多个堆叠的层组的超晶格(125)。所述超晶格的每个层组可包括限定了基础半导体部分的多个堆叠的基础半导体单层(146a‑146e)，和被约束在相邻的基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层(150a‑150f)。第一至少一个非半导体单层(150a‑150c)可被约束在第一对相邻的基础半导体部分的晶格内并包含第一非半导体材料，和第二至少一个非半导体单层(150d‑150e)可被约束在第二对相邻的基础半导体部分的晶格内并包含不同于所述第一非半导体材料的第二非半导体材料。

技术领域

本公开内容大体上涉及半导体器件，并且更特别地涉及具有增强半导体材料的半导体器件和相关方法。

背景

提出了结构和技术来增强半导体器件的性能，例如通过增强载流子的迁移率。例如，Currie等人的美国专利申请号2003/0057416公开了硅、硅-锗和弛豫硅的应变材料层并且应变材料层还包括无杂质区域(否则将引起性能劣化)。在上部硅层中产生的双轴应变改变载流子迁移率，使较高速度和/或较低功率的器件成为可能。Fitzgerald等人已公布的美国专利申请号2003/0034529公开了也基于类似应变硅技术的CMOS逆变器。

Takagi的美国专利号6,472,685 B2公开了半导体器件，其包括夹在硅层之间的硅和碳层，使得第二硅层的导带和价带接收拉伸应变。具有较小有效质量并由施加至栅极的电场引起的电子被限制在第二硅层中，因此声称n-通道MOSFET具有较高的迁移率。

Ishibashi等人的美国专利号4,937,204公开了超晶格，其中交替和外延生长多个层(小于八个单层)，并且含有分数(fractional)或二元或二元化合物半导体层。主电流的方向与超晶格的层垂直。

Wang等人的美国专利号5,357,119公开了通过在超晶格中减小合金散射而实现的具有较高迁移率的Si-Ge短周期超晶格。按照这些方法，Candelaria的美国专利号5,683,934公开了包括通道层的增强迁移率MOSFET，所述通道层包含硅与第二材料的合金，第二材料以将通道层置于拉伸应力下的百分比置换存在于硅晶格中。

Tsu的美国专利号5,216,262公开了量子井结构，其包含两个阻隔体区域和夹在阻隔体之间的薄的外延生长半导体层。每个阻隔体区域由SiO2/Si的交替层组成，具有通常在2至6个单层的范围内的厚度。在阻隔体之间夹着硅的厚得多的部分。

也是Tsu的题目为“Phenomena in silicon nanostructure devices”并在2000年9月6日由Applied Physics and Materials ScienceProcessing第391-402页在线公布的文章公开了硅和氧的半导体-原子超晶格(SAS)。公开Si/O超晶格可用在硅量子和发光器件中。特别地，构造并测试了绿色电致发光二极管结构。二极管结构中的电流是竖直的，即与SAS的层垂直。公开的SAS可包括由吸附物质例如氧原子和CO分子分开的半导体层。将超过吸附的氧单层的硅生长描述为具有相当低的缺陷密度的外延。一种SAS结构包括1.1nm厚的硅部分(其为约八个原子层的硅)，且另一种结构具有两倍的这个硅厚度。在PhysicalReview Letters，第89卷，第7期(2002年8月12日)中公布的Luo等人题目为“ChemicalDesign of Direct-Gap Light-Emitting Silicon”的文章还讨论了Tsu的发光SAS结构。

Wang等人的美国专利号7,105,895公开了薄硅和氧、碳、氮、磷、锑、砷或氢的阻隔结构单元，由此将竖直流过晶格的电流减小大于四个数量级。绝缘层/阻隔层允许紧挨着绝缘层沉积低缺陷的外延硅。