[发明专利]直接带隙Ge沟道NMOS器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种直接带隙Ge沟道NMOS器件及其制备方法。该制备方法包括：选取单晶Si衬底；以第一温度生长第一Ge层；以第二温度生长第二Ge层；连续生长栅介质层和栅极层，选择性刻蚀工艺刻蚀形成栅极；在栅极表面形成栅极保护层；对第二Ge层进行刻蚀形成Ge台阶；在第二Ge层表面生长Si_0.5Ge_0.5层；注入N型杂质，形成源漏区；去除栅极保护层，形成NMOS器件。本发明实现的Ge改性方式即直接带隙Ge作为沟道的NMOS器件制备，增加了NMOS器件的驱动能力，成为提高NMOS器件速度的有效措施之一，此外，本发明所提出的直接带隙Ge NMOS在单片光电集成方面有着良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种直接带隙Ge沟道NMOS器件及其制备方法。

背景技术

在过去的半个世纪中，微电子技术以其惊人的发展速度迅速改变着人们的生活方式，不管在个人电脑、消费电子等日常生活方面，还是自动控制，航空航天等高科技领域，微电子技术都有着不可替代的作用。微电子技术之所以能保持高速发展，主要应归功于其不断缩小的器件尺寸，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor,简称MOSFET)作为集成电路最基本的组成单元，在过去几十年中一直严格按照摩尔定律(Moore’s Law)缩小着。然而，随着集成电路集成度的不断提高，特征尺寸不断缩小，出现了一系列材料、器件物理、器件结构和工艺技术等方面的问题，尤其是迁移率退化问题限制了器件性能的进一步提升。

为了解决散热问题严重、电互连功耗大，寄生RC导致传输速度下降等问题，一个新的发展趋势就是将现有成熟的微电子和光电子技术结合，充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成、价格低廉以及光子极高的传输速率、高抗干扰性和低功耗的优势，实现硅基光电集成。同时，为了进一步提高NMOS器件的电子迁移率进而提高器件的驱动电流，研究新的器件结构与材料成为继续提高MOSFET性能的新途径。其中一个重要的方面就是采取措施提高沟道内载流子迁移率，以弥补沟道高掺杂所引起的库伦散射作用以及栅介质变薄引起有效电场强度提高和界面散射增强等因素带来的迁移率退化等问题。

Ge材料的电子迁移率为3900cm²/V·s约为Si材料的3倍，因此将Ge作为沟道是提高NMOS性能的重要方法。研究发现，通过对Ge材料施加一定的作用，可将其从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，直接带隙Ge导带底能谷为Γ能谷，其电子有效质量小于间隙带隙Ge(包括低强度应变Ge)电子有效质量，因而可显著提升Ge材料的电子迁移率可进一步提高Ge材料的电子迁移率。以直接带隙Ge为沟道的NMOS器件，不仅能提高其电子载流子迁移率和NMOS器件驱动电流，而且与当前微电子主流工艺完全兼容，为高速器件与电路提供了又一新的技术发展途径。

依据文献，在大应力强度条件下，Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。因此，采用直接带隙Ge作为NMOS器件的沟道材料，面临的关键问题是，如何设计与制备直接带隙Ge半导体，并在此基础上进一步设计与实现直接带隙Ge NMOS器件。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种直接带隙Ge沟道NMOS器件及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种直接带隙Ge沟道NMOS器件的制备方法，包括：

S101、选取掺杂浓度为5×10¹⁵～7×10¹⁵cm^-3的单晶Si衬底；

S102、在275℃～325℃下在所述单晶Si衬底上外延生长厚度为27～50nm第一Ge层，以避免晶体质量损失；