КМОП УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ СУРЬМЫ
ANTIMONY-BASED CMOS DEVICE

Уровень техники
Большинство современных интегральных схем построены на основе кремния, элемента IV группы периодической таблицы. Соединения элементов III-V групп, такие как арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), фосфид индия (InP) и индий-галлий-арсенид (InGaAs), известны лучшими полупроводниковыми свойствами, по сравнению с кремнием, включая более высокую подвижность электронов и скорость насыщения. Эти материалы, таким образом, могут обеспечить отличные характеристики устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует КМОП устройство с материалом из элементов III-V групп.
На фиг.2 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует подложку.
На фиг.3 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует зародышевый слой на подложке.
На фиг.4 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует первый буферный слой на зародышевом слое.
На фиг.5 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует второй буферный слой на первом буферном слое.
На фиг.6 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует нижние барьерные слои n-МОП и р-МОП на нижнем буферном слое.
На фиг.7 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует n-МОП и р-МОП слои канала квантовой ямы на нижних барьерных слоях.
На фиг.8 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует разделительные слои на n-МОП и р-МОП слоях канала квантовой ямы.
На фиг.9 показан вид в поперечном сечении, иллюстрирующий структуру от зародышевого слоя вплоть до разделительного слоя как сплошные слои, а не отдельные слои.
На фиг.10 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует дельта-легированные n-МОП и р-МОП слои на разделительных слоях.
На фиг.11 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует верхние барьерные n-МОП и р-МОП слои на дельта-легированных слоях.
На фиг.12 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует n-МОП и р-МОП слои истока/стока на верхних барьерных слоях.
На фиг.13 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует структуру со щелевой изоляцией, сформированной между n-МОП частью и р-МОП частью.
На фиг.14 иллюстрируется система в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
В различных вариантах воплощения описаны устройство и способ, относящиеся к формированию полупроводникового устройства с материалом из элементов III-V групп. В следующем описании будут представлены различные варианты воплощения. Однако для специалиста в соответствующей области техники будет понятно, что различные варианты воплощения могут быть выполнены на практике без одной или больше конкретных деталей или с другими заменами и/или дополнительными способами, материалами или компонентами. В других случаях хорошо известные структуры, материалы или операции не представлены или не описаны подробно для того, чтобы не «затенять» аспекты различных вариантов воплощения настоящего изобретения. Аналогично, с целью пояснения, конкретные цифры, материалы и конфигурации представлены для того, чтобы обеспечить полное понимание изобретения. Тем не менее изобретение может быть выполнено на практике без конкретных деталей. Кроме того, следует понимать, что различные варианты воплощения, представленные на чертежах, представляют собой только иллюстративные изображения и не обязательно вычерчены в масштабе.
Ссылки во всем описании на "один вариант воплощения" или "вариант воплощения" означают, что конкретное свойство, структура, материал или характеристика, описанная в связи с вариантом воплощения, включена, по меньшей мере, в один вариант воплощения изобретения, но не означает, что она присутствуют в каждом варианте воплощения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте воплощения" или "в варианте воплощения" в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту воплощения изобретения. Кроме того, конкретные свойства, структуры, материалы или характеристики могут быть скомбинированы любым соответствующим образом в одном или больше вариантах воплощения. Различные дополнительные слои и/или структуры могут быть включены и/или описанные свойства могут быть исключены в других вариантах воплощения.
Различные операции будут описаны как множество дискретных операций по очереди, в том виде, который наиболее полезен для понимания изобретения. Однако порядок описания не следует рассматривать как подразумевающий, что эти операции обязательно связаны каким-то порядком. В частности, эти операции не обязательно выполнять в представленном порядке. Описанные операции могут быть выполнены в другом порядке, последовательно или параллельно, отличающемся от описанного варианта воплощения. Различные дополнительные операции могут быть выполнены и/или описанные операции могут быть исключены в дополнительных вариантах воплощения.
На фиг.1 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует КМОП устройство 100 с материалом из элементов III-V групп в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. КМОП устройство 100 содержит n-МОП часть 160 с n-МОП устройством, таким как транзистор, и р-МОП часть 170 с р-МОП устройством, таким как транзистор. Между n-МОП частью 160 и р-МОП частью 170 имеется щелевая изоляция 142, которая изолирует n-МОП устройство от р-МОП устройства.
В этом варианте воплощения устройство 100 содержит кремниевую подложку 102. На подложке 102 расположен зародышевый слой 104 из антимонида алюминия (AlSb). На зародышевом слое 104 расположен буферный слой 108 из антимонида алюминия (AlSb), который можно назвать первым буферным слоем 108. На буферном слое 108 расположен буферный слой 112 из антимонида индия-алюминия (InAlSb), который можно назвать вторым буферным слоем 112. Зародышевый слой 104 сформирован одновременно из одних и тех же материалов на n-МОП части 160 и на р-МОП части 170 устройства 100, что упрощает изготовление устройства 100. Аналогично первый буферный слой 108 формируют одновременно из одних и тех же материалов на n-МОП части 160 и на р-МОП части 170 устройства 100, и второй буферный слой 112 формируют одновременно и из одних и тех же материалов как на n-МОП части 160, так и на р-МОП части 170 устройства 100. Поскольку n-МОП часть 160 и р-МОП часть 170 по существу идентичны вплоть до второго буферного слоя 112, упрощается изготовление устройства 100, и оно не имеет проблемы с несогласованными коэффициентами теплового расширения, которые могут присутствовать в устройствах с элементами III-V группы, которые имеют разные материалы в n-МОП и р-МОП частях.
В варианте воплощения зародышевый слой 104 из элементов III-V групп сформирован на вицинальной (обрезанной) поверхности кремниевой подложки 102 р-типа или n-типа проводимости с высоким удельным сопротивлением, которая имеет регулярные матрицы двухступенчатых (100) террас по поверхности подложки. Вицинальная поверхность представляет собой кристаллографическую плоскость более высокого порядка кремниевой подложки 102, такую как, но без ограничений, плоскости (211), (511), (013) и (711). Вицинальная поверхность подложки, имеющая двухступенчатые террасы, позволяет подавлять антифазные домены (APD, АФД) в первом III-V буферном слое 108. АФД формируется, когда первый полярный домен кристаллической структуры слоя, имеющего атомы группы III, закрепленного на поверхности неполярной кремниевой подложки 102, встречается со вторым полярным доменом кристаллической структуры слоя, имеющего атомы группы V, закрепленного на кремниевой подложке 102. Нарушение непрерывности кристаллической структуры может формироваться в слое на границе между этими первым и вторым доменами, образуя центры рекомбинации-генерирования, которые могут оказывать отрицательное воздействие на работу полупроводникового устройства. Термин "полярный" относится к частично ионному характеру связей между составляющими полупроводника на основе соединения элементов III-V групп.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
0,15
0,85
На втором буферном слое 112 присутствует n-МОП нижний барьерный слой 114 в n-МОП части 160 и р-МОП нижний барьерный слой 116 на втором буферном слое 112 в р-МОП части 170. В представленном варианте воплощения n-МОП и р-МОП нижние барьерные слои 114, 116 сформированы одновременно из одних и тех же материалов как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170. Оба n-МОП и р-МОП нижние барьерные слои 114, 116 представляют собой слои антимонида индия-алюминия (InAlSb). В других вариантах воплощения n-МОП и р-МОП нижние барьерные слои 114, 116 могут быть сформированы в разное время и/или из разных материалов. В одном варианте воплощения нижний барьер 116 представляет собой антимонид алюминия-галлия (AlGaSb, x=0,2-1,0). В некоторых вариантах воплощения нижний барьерный слой 114 содержит от приблизительно 10% до 100% алюминия (AlInSb, при х=0,1-1,0). В конкретном варианте воплощения нижний барьерный слой 114 представляет собой AlInSb с 15% алюминия (AlInSb). В другом варианте воплощения р-МОП нижний барьерный слой 116 может содержать AlSb по существу без присутствия In. Второй буферный слой 112 может содержать те же материалы и составы, что и нижний барьерный слой 114/116, в некоторых вариантах воплощения.
x
1-x
На n-МОП нижнем барьерном слое 114 присутствует n-МОП квантовая яма 118 в n-МОП части 160 и р-МОП квантовая яма 120 на р-МОП нижнем барьерном слое 116 в n-МОП части 170. В представленном варианте воплощения n-МОП и р-МОП квантовые ямы 118, 120 сформированы одновременно из одних и тех же материалов и в n-МОП части 160 и в р-МОП части 170. Обе n-МОП и р-МОП квантовые ямы 118, 120 представляют собой слои из антимонида индия (InSb) в одном варианте воплощения. В других вариантах воплощения n-МОП и р-МОП квантовые ямы 118, 120 могут быть сформированы в разное время и/или из разных материалов для обеспечения улучшенных рабочих характеристик р-МОП устройства. В другом варианте воплощения р-МОП слой 120 квантовой ямы содержит антимонид индия-галлия (InGaSb, х=0,1-1).
Квантовые ямы 118 и 120 могут иметь достаточную толщину для обеспечения достаточной проводимости канала. В конкретном варианте воплощения толщина квантовых ям 118, 120 составляет от приблизительно 10 нм до приблизительно 50 нм. В некоторых вариантах воплощения слои 118, 120 квантовой ямы ниже критической толщины, что могло бы ввести дополнительные дефекты в результате несовмещения решетки. Слои 118, 120 квантовой ямы могут быть напряжены нижними барьерными слоями 114, 116, верхними барьерными слоями 122, 124 или ими обоими.
В одном варианте воплощения III-V буферный слой 108 имеет большую постоянную решетки, чем у кремниевой подложки 102 и III-V слой 118/120 квантовой ямы (QW, КЯ) имеет большую постоянную решетки, чем у III-V буферного слоя 108. В другом варианте воплощения зародышевый слой 104 содержит антимонид галлия (GaSb) и буферный слой 108 содержит AlSb, сформированный между кремниевой подложкой 102 и слоем 118/120 КЯ. В другом варианте воплощения постоянная кристаллической решетки буферных материалов 108 может постепенно увеличиваться от величины постоянной решетки кремниевой подложки 102 до величины постоянной решетки слоя 118/120 КЯ устройства.
Следует понимать, что различные III-V слои устройства могут быть аналогично интегрированы с кремниевыми подложками с использованием других архитектур III-V буфера. Например, в другом варианте воплощения настоящего изобретения зародышевый слой 104 и буферный слой 108 содержат композиционные структуры с арсенидом галлия (GaAs) и AlSb, сформированные между кремниевой подложкой 102 и слоем 118/120 КЯ устройства. Выбор буферных слоев может быть основан на материалах с большей шириной запрещенной зоны для изоляции устройств.
На n-МОП квантовой яме 118 в n-МОП части 160 имеется n-МОП разделительный слой 122 и на р-МОП квантовой яме 120 в р-МОП части 170 имеется р-МОП разделительный слой 124. В представленном варианте воплощения n-МОП и р-МОП разделительные слои 122, 124 сформированы одновременно и из одних и тех же материалов, как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170. n-МОП и р-МОП разделительные слои 122, 124 представляют собой слои из антимонида индия-алюминия (InAlSb). В других вариантах воплощения n-МОП и р-МОП разделительные слои 122, 124 могут быть сформированы в разное время и/или из разных материалов. В представленном варианте воплощения n-МОП и р-МОП части 160, 170 по существу одинаковы вплоть до разделительных слоев 122, 124, что означает, что формирование разделительных слоев 122, 124 и слоев ниже разделительных слоев 122, 124 выполняется просто и без каких-либо проблем с СТЕ (КТР, коэффициент теплового расширения), по сравнению с устройствами 100, в которых n-МОП часть 160 отличается от р-МОП участка 170.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
0,3
0,7
x
1-x
В конкретном варианте воплощения n-МОП квантовая яма 118 выполнена из InSb, и разделительный слой 122 выполнен из InAlSb, р-МОП квантовая яма 120 выполнена из InGaSb и разделительный слой 124 представляет собой AlGaSb. Величина деформации сжатия внутри n-МОП и р-МОП квантовых ям 118, 120 может зависеть от материалов и состава барьерных слоев 114, 116 и разделительных слоев 122, 124. Кроме того, величина напряжения, индуцированного в слоях 118/120 квантовой ямы, может быть подогнана путем управления толщиной и несоответствием параметров решеток с нижними барьерными слоями 114, 116 и разделительными слоями 122, 124. В конкретном варианте воплощения, в котором квантовая яма 118 из InSb, а нижний барьерный слой 114, верхний барьерный слой 130 и разделительный слой 122 содержат AlInSb с 15% алюминия, слой 118 квантовой ямы имеет деформацию сжатия. Например, напряжение между n-МОП квантовой ямой 118 из InSb и барьерным слоем из InAlSb зависит от количества алюминия внутри слоя InAlSb. Более высокое количество Аl может привести к большей деформации сжатия внутри квантовой ямы 118 из InSb. Для р-МОП 170 и заданного состава барьерного слоя, состава GaAlSb, деформация сжатия может меняться путем изменения количества индия в материале квантовой ямы 120 InGaSb.
На n-МОП разделительном слое 122 в n-МОП части 160 имеется n-МОП дельта-легированный слой 126, и на р-МОП разделительном слое 124 в р-МОП части 170 имеется р-МОП дельта-легированный слой 128. Дельта-легированный n-МОП слой 126 легирован теллуром. р-МОП дельта-легированный слой 128 легирован бериллием.
0,8
0,2
Верхний барьерный n-МОП слой 130 расположен на дельта-легированном n-МОП слое 126 и р-МОП верхний барьерный слой 132 - на р-МОП дельта-легированном слое 128. В представленном варианте воплощения р-МОП и n-МОП верхние барьерные слои 130, 132 сформированы в одно время из одинаковых материалов как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170. Оба р-МОП и n-МОП верхних барьерных слоя 130, 132 представляют собой слои из антимонида индия-алюминия (InAlSb). В других вариантах выполнения р-МОП и n-МОП верхние барьерные слои 130, 132 могут быть сформированы в разное время и/или из разных материалов. В некоторых вариантах воплощения нижний n-МОП барьерный слой 114, разделительный слой 122 и верхний барьерный слой 130 состоят по существу из одних и тех же материалов; нижний р-МОП барьерный слой 116, разделительный слой 124 и верхний барьерный слой 132 состоят по существу из одинаковых материалов (хотя р-МОП слои могут отличаться от n-МОП слоев). Например, в варианте воплощения n-МОП квантовая яма 118 содержит InSb, и нижний барьерный n-МОП слой 114, разделительный слой 122 и верхний барьерный слой 130 содержат InAlSb.
Устройство в n-МОП части 160 также имеет n-МОП слой 138 истока и стока, диэлектрический слой 146 затвора и затвор 144. Аналогично устройство в р-МОП части 170 также имеет р-МОП слой 140 истока и стока, диэлектрический слой 150 затвора и затвор 148. Как показано на чертеже, эти устройства представляют собой устройства с углубленным затвором, но вместо этого также можно использовать устройства другого типа.
16
3
На фиг.2 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует подложку 102, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения подложка 102 содержит материал вицинального кремния р-типа или n-типа с высоким удельным сопротивлением. Вицинальная поверхность может быть подготовлена путем обрезки подложки 102, полученной из слитка. В конкретном варианте воплощения поверхность (100) подложки обрезают под углом от 2 до 12 градусов в направлении [110]. Вицинальная поверхность представляет собой кристаллическую плоскость более высокого порядка кремниевой подложки 102, такую как, но без ограничений, плоскости (211), (511), (013), (711). Вицинальная поверхность подложки, имеющая двухступенчатые террасы, позволяет подавлять антифазные домены (АФД) в первом буферном III-V слое 108. Высокое удельное сопротивление достигается благодаря низкой концентрации легирующей примеси, которая ниже чем приблизительно 10 носителей/см. В других вариантах воплощения можно использовать другие материалы. Например, подложка 102 может содержать германий, может представлять собой подложку 102 типа "кремний на изоляторе", может содержать арсенид галлия (GaAs) или может содержать другой материал.
На фиг.3 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует зародышевый слой 104 на подложке 102, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения зародышевый слой 104 содержит стехиометрический антимонид алюминия (AlSb). Он формируется с использованием молекулярно-пучковой эпитаксии (МВБ, МПЭ). Он имеет толщину от приблизительно 100Å до приблизительно 500Å. В других вариантах воплощения зародышевый слой 104 GaSb или GaAs выращивают до толщины от 100Å до 500Å. В альтернативном варианте воплощения можно использовать другие подходящие зародышевые слои 104.
Первый буферный слой 108 может быть сформирован таким образом, чтобы исключить антифазные домены (ПФД) в буферной пленке. Зародышевый слой 104 может способствовать предотвращению этого. Зародышевый слой 104 может быть сформирован с использованием эпитаксии со стимулированной миграцией (МЕЕ, ЭСМ) при температуре примерно от 300°С до 600°С. ЭСМ выполняют аналогично осаждению атомарного слоя (ALD, ОАС). ЭСМ имеет относительно низкую скорость роста, приблизительно 0,1 мкг/час, поскольку после того как элемент V группы будет введен в подложку 102, требуется длительное время выдержки, в течение которого заслонки источника элемента V группы и источника элемента III группы будут закрыты (задвинуты). Такое время выдержки позволяет согласовывать относительно низкую подвижность элементов V группы. Для элементов III группы время выдержки не требуется, поскольку поверхностная подвижность таких элементов является относительно высокой. В конкретном варианте воплощения ЭСМ поверхность подложки 102 открывают для источника сурьмы (Sb) приблизительно на 10 секунд для формирования монослоя Sb на самом нижнем уровне террасы. Источник Sb затем закрывают на время выдержки приблизительно 60 секунд. Такое довольно длительное время выдержки позволяет атомам Sb мигрировать по поверхности кремниевой подложки 102, для того чтобы обеспечить заполнение точек связи на самом нижнем уровне террасы. Затем поверхность 102 подложки подвергают воздействию либо источника галлия (Ga) или источника алюминия (Аl) в течение приблизительно 10 секунд. При этом не требуется время выдержки благодаря высокой поверхностной мобильности Ga или Аl. Затем источник Sb повторно открывают приблизительно на 10 секунд и снова закрывают на время выдержки. Такой процесс повторяют для формирования зародышевого слоя 104 GaSb или AlSb с достаточной толщиной для заполнения всех террас кремниевой подложки 102 приблизительно на толщину 150Å в конкретном варианте воплощения. В варианте воплощения температура образования зародышей AlSb составляет от 300°С до 600°С. В конкретном варианте воплощения AlSb температура роста ЭСМ составляет от приблизительно 400°С до приблизительно 570°С. Варианты воплощения с более высокой температурой позволяют получать пленку более высокого качества. В других вариантах воплощения ЭСМ можно использовать для формирования зародышевого слоя 104 на альтернативном буферном материале, таком как, но без ограничений, GaAs или GaSb.
В еще одном варианте воплощения зародышевый слой 104 формируют на вицинальной кремниевой подложке 102, используя традиционный способ МПЭ (без стимуляции миграции). Относительно большой поток в таком конкретном варианте воплощения при использовании традиционного способа МПЭ обеспечивает более высокую скорость роста пленки и поэтому более высокую производительность, чем варианты воплощения с ЭСМ. В конкретном варианте создания зародышей с помощью МПЭ AlSb формируют на кремниевой подложке 102 при температуре от приблизительно 400°С до приблизительно 570°С. Варианты воплощения с большим потоком хорошо подходят для AlSb благодаря относительно низкому давлению паров и высокому коэффициенту прилипания сурьмы (Sb) по сравнению с мышьяком (As) при формировании пленок GaAs. В других вариантах воплощения зародышевый слой 104 формируют из альтернативного буферного материала, такого как, но без ограничений, GaAs или GaSb.
На фиг.4 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует первый буферный слой 108 на зародышевом слое 104, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения первый буферный слой 108 содержит антимонид алюминия (AlSb). Он имеет толщину от приблизительно 1 до 5 микрон. В других вариантах воплощения может быть достаточна толщина, при которой большая часть дефектов, присутствующих на его нижней поверхности, будет уменьшена до требуемой величины на его верхней поверхности. Любой подходящий способ можно использовать для формирования первого буферного слоя 108.
Такой рост первого буферного слоя 108 может быть выполнен при более высокой температуре, чем используют для зародышевого слоя 104. Хотя первый буферный слой 108 может рассматриваться, и он так представлен, как отдельный слой относительно зародышевого слоя 104, то оба слоя 104, 108 могут рассматриваться как буферы, при этом слой 108 утолщает буферный слой III-V, начало которому было установлено зародышевым слоем 104, и постепенно «устраняет» дислокации. Качество пленки слоя 108 может быть лучше, чем у зародышевого слоя 104, поскольку он сформирован при более высокой температуре роста. Кроме того, во время формирования слоя 108 скорость потока может быть довольно высокой, поскольку полярный зародышевый слой 104 может устранять опасность формирования АФД. В одном варианте воплощения пленку 108 AlSb выращивают на зародышевом слое 104 из GaSb или AlSb при температуре роста в диапазоне от 500°С и 700°С. В конкретном варианте воплощения пленку 108 AlSb выращивают на зародышевом слое 104 GaSb при температуре роста от приблизительно 510°С до приблизительно 570°С.
В еще одном варианте воплощения буферный слой 108 III-V формируют на традиционной кремниевой подложке 102, имеющей поверхность, которая является плоскостью более низкого порядка, например, но без ограничений (100), без использования зародышевого слоя 104. Буферный слой 108 III-V выращивают без этапа формирования зародышей, и допускается возможность формирования антифазовых доменов. В одном варианте воплощения выполняют одноэтапный рост при температуре от 500°С до 700°С. После того как толщина пленки становится больше чем приблизительно 1,5 мкм, антифазные домены по существу «аннигилируют», и буферный слой 108 становится однодоменным. В конкретном варианте воплощения буферный слой 108 III-V, содержащий от приблизительно 1,5 до 2,0 мкм AlSb, формируют на традиционной (100) кремниевой подложке 102, которая имеет обрез 0 градусов.
1-x
x
На фиг.5 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует второй буферный слой 112 на первом буферном слое 108, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения второй буферный слой 112 содержит антимонид индия-алюминия (InAlSb, x=0,1-1,0). Он имеет толщину от приблизительно 1 до 5 мкм. В других вариантах воплощения он может иметь достаточную толщину, при которой большая часть дефектов, присутствующих на его нижней поверхности, не будет присутствовать на его верхней поверхности. Для формирования второго буферного слоя 112 можно использовать любой подходящий способ.
Как описано выше со ссылкой на фиг.1 в иллюстрируемом варианте воплощения, n-МОП и р-МОП части 160, 170 по существу идентичны на этом этапе изготовления. Каждый из слоев, зародышевый слой 104, первый буферный слой 108 и второй буферный слой 112, формируют как сплошной слой, перекрывающий n-МОП и р-МОП части 160, 170. Таким образом, формирование структуры, показанной на фиг.5, осуществляется довольно просто, и не возникает несоответствия коэффициентов теплового расширения (КТР) между n-МОП и р-МОП частями 160, 170.
На фиг.6 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует нижние n-МОП и р-МОП барьерные слои 114, 116 на нижнем буферном слое 112, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения нижние барьерные слои 114, 116 представляют собой отдельные слои 114, 116, сбоку примыкающие друг к другу. Отдельные n-МОП и р-МОП нижние барьерные слои 114, 116 формируют в разное время и/или из разных материалов. Например, р-МОП, часть 170, может быть закрыт маской, во время формирования нижнего n-МОП барьерного слоя 114, затем n-МОП часть 160 может быть закрыт маской, в то время как формируют нижний р-МОП барьерный слой 116. Нижний n-МОП барьерный слой 114 может содержать InAlSb, в то время как нижний р-МОП барьерный слой 116 может содержать AlGaSb.
x
1-x
x
1-x
0,15
0,85
Обычно нижний барьерный слой 114, 116 формируют на материале с большей шириной запрещенной энергетической зоны, чем расположенная над ними квантовая яма 118, 120. Нижний барьерный слой 114, 116 имеет достаточную толщину, чтобы обеспечить потенциальный барьер для носителей заряда в канале транзистора. В одном варианте воплощения нижний барьер 114 выполнен из InAlSb толщиной от 2 мкм до 5 мкм. В других вариантах воплощения нижний барьерный слой 114, 116 имеет толщину несколько микрон, для того чтобы дополнительно уменьшить плотность дефектов в квантовой яме 118, 120. Нижний барьер 114, 116 также может быть полностью релаксирован. В некоторых вариантах воплощения нижний барьерный слой 114, 116 содержит от приблизительно 10% до 100% алюминия (AlInSb, при х=0,1-1,0). В конкретном варианте воплощения нижний барьерный слой 114, 116 представляет собой слой AlInSb с 15% алюминия (AlInSb).
x
1-x
x
1-x
x
1-x
В альтернативном варианте воплощения р-МОП часть 170 содержит зародышевый слой 104 и буферный слой 108 из GaSb, нижний барьер 116 из AlGaSb и квантовую яму 120 из InGaSb. В одном варианте воплощения р-МОП часть 170 содержит зародышевый и буферный слой из AlSb, нижний барьер 116 из InAlSb и квантовую яму 120 InSb.
Кроме того, нижний n-МОП барьерный слой 114 может быть дифференцированным. В одном варианте воплощения нижний барьерный слой 114 по существу линейно изменяется от х=1,0 (AlSb) на границе перехода с буферным слоем 108 до х=0 (InSb) на границе перехода со слоем 118 квантовой ямы. В таком варианте воплощения дифференцированный нижний барьерный слой 114 и впоследствии выращенный слой 118 квантовой ямы InSb могут быть согласованы по параметру кристаллической решетки на границе перехода, и дифференцированный нижний барьерный слой 114 не вводит напряжений в слой 118 квантовой ямы InSb.
0,5
0,85
В другом варианте воплощения нижний n-МОП барьерный слой 114 линейно изменяется от х=1,0 (AlSb) на границе перехода с n-МОП буферным слоем 108 до х=0,15 (AlInSb) на границе перехода с n-МОП слоем 118 квантовой ямы. В таком варианте воплощения нижний n-МОП барьерный слой 114 индуцирует напряжение во впоследствии наращенном n-МОП слое 118 квантовой ямы. В некоторых вариантах воплощения нижний n-МОП барьерный слой 114 последовательно изменяется со скоростью меньше чем 25% Al/мкм. В одном варианте воплощения нижний n-МОП барьерный слой 114 ступенчато изменяется со скоростью 5% Al/мкм. В качестве альтернативы нижний n-МОП барьерный слой 114 может ступенчато изменяться с использованием последовательности слоев с уменьшающейся концентрацией алюминия. В одном варианте воплощения n-МОП нижний барьерный слой 114 ступенчато изменяется в виде последовательного уменьшения концентрации алюминия с шагом 5% (х=0,05).
В других вариантах воплощения для нижних барьерных слоев 114, 116 также можно использовать другие материалы. Любой подходящий способ можно использовать для формирования n-МОП и р-МОП нижних барьерных слоев 114, 116. Нижние барьерные слои 114, 116 имеют толщину 100-500 ангстрем, в некоторых вариантах воплощения, хотя можно использовать другую толщину.
1-x
x
x
1-x
0,15
0,85
Хотя они представлены как отдельные слои 114, 116, сбоку примыкающие друг к другу, эти слои 114, 116 в других вариантах воплощения могут представлять собой области одного сплошного слоя. Таким образом, в этих других вариантах воплощения n-МОП и р-МОП нижние барьерные слои 114, 116 по существу идентичны, поскольку их формируют одновременно из одних и тех же материалов, как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170. Нижние барьерные слои 114, 116 в таком варианте воплощения могут содержать InAlSb (х=0,1-1,0). В конкретном варианте воплощения нижние барьерные слои 114/116 представляют собой AlInSb с 15% алюминия (AlInSb).
x
1-x
x
1-x
x
1-x
На фиг.7 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует n-МОП, р-МОП слои 118, 120 канала квантовой ямы на обоих нижних барьерных слоях 114, 116, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения слои 118, 120 канала квантовой ямы представляют собой отдельные слои 118, 120, сбоку примыкающие друг к другу. Отдельные слои 118, 120 канала квантовой ямы формируют в разное время и/или из разных материалов. Например, р-МОП часть 170 может быть закрыт маской, в то время как формируют n-МОП слой 118 канала квантовой ямы, затем n-МОП часть 160 может быть закрыт маской, в то время как формируют р-МОП слой 118 канала квантовой ямы. n-МОП слои 118 канала квантовой ямы могут содержать InSb, a р-МОП слои 120 канала квантовой ямы могут содержать InGaSb, в пропорции от 20% до 50% In. Для р-МОП участка слой 120 канала КЯ может представлять собой InGaSb (х=0,2-0,5) и нижний барьерный слой 116 может представлять собой AlGaSb (х=0,3-1,0), в некоторых вариантах воплощения. Другие материалы также можно использовать в других вариантах воплощения. Любой подходящий способ можно использовать для формирования n-МОП и р-МОП слоев 118, 120 канала квантовой ямы. Слои 118, 120 канала квантовой ямы имеют толщину 50-300 ангстрем, в данном варианте воплощения, хотя можно использовать другие значения толщины.
Хотя они представлены как отдельные слои 118, 120, сбоку примыкающие друг к другу, эти слои 118, 120 могут представлять собой области одного сплошного слоя в других вариантах воплощения. Таким образом, в этих вариантах воплощения n-МОП и р-МОП слои 118, 120 канала квантовой ямы могут быть по существу идентичными, поскольку они сформированы одновременно из одних и тех же материалов, как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170. Слои 118, 120 канала квантовой ямы оба могут содержать стехиометрический InSb.
На фиг.8 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует разделительные n-МОП и р-МОП слои 122, 124 на слоях 118, 120 канала квантовой ямы, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения разделительные n-МОП и р-МОП слои 122, 124 представляют собой отдельные слои 122, 124, сбоку примыкающие друг к другу. Отдельные n-МОП и р-МОП разделительные слои 122, 124, сбоку примыкающие друг к другу, формируют в разное время и/или они могут содержать разные материалы. Любой подходящий способ можно использовать для формирования n-МОП и р-МОП разделительных слоев 122, 124. Разделительные слои 122, 124 имеют толщину от 20 до 100 ангстрем в данном варианте воплощения, хотя можно использовать другую толщину. Разделительные слои 122, 124 могут содержать InAlSb.
Квантовая яма 118/120 может иметь достаточную толщину для обеспечения требуемой проводимости канала. В конкретном варианте воплощения толщина квантовой ямы 118/120 составляет от приблизительно 10 нм до приблизительно 50 нм. В определенных вариантах воплощения слой 118/120 квантовой ямы имеет меньшее значение толщины, чем значение, при котором она могла бы вводить дополнительные дефекты из-за несоответствия кристаллических решеток. Слой 118/120 квантовой ямы может быть напряжен из-за нижнего барьерного слоя 114/116, разделительного слоя 122, 124, верхнего барьерного слоя 130/132 или любой их комбинации.
Разделительный слой 122/124 может быть выполнен из того же материала, что и верхний барьерный слой 130/132. В некоторых вариантах воплощения разделительный слой 122, 124 и верхний барьерный слой 130, 132 можно рассматривать, как разные участки одного и того же верхнего барьерного слоя. Они могут иметь один и тот же состав материала и работать вместе для выполнения одинаковых функций.
В то время как показанные отдельные слои 122, 124, сбоку примыкающие друг к другу, эти слои 122, 124 могут представлять собой области одного сплошного слоя, в других вариантах воплощения. Таким образом, в этих вариантах воплощения n-МОП и р-МОП разделительные слои 122, 124 по существу идентичны, поскольку они сформированы в одно и то же время из одних и тех же материалов, как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170.
На фиг.9 показан вид в поперечном сечении, иллюстрирующий слои от зародышевого слоя 104 вплоть до разделительного слоя 122, 124, как сплошные слои, а не отдельные слои. Как описано выше, n-МОП и р-МОП части 160, 170 могут быть по существу идентичными, вплоть до разделительных слоев 122, 124, поскольку оба участка 160, 170 каждого соответствующего слоя могут быть одновременно сформированы путем осаждения покрытий на всю поверхность. В других вариантах воплощения осаждение покрытий на всю поверхность можно использовать для нижних слоев, в то время как различные материалы для n-МОП и р-МОП частей 160, 170 можно начать использовать на любом этапе. Формирование n-МОП и р-МОП частей 160, 170, по существу идентичных при использовании сплошных слоев, в последующих процессах изготовления может обеспечить возможность формирования более простого и дешевого устройства 100 и может уменьшить несоответствие КТР. Рабочие характеристики устройства можно настраивать, используя различные материалы для слоев в n-МОП и р-МОП частях 160, 170. Такие факторы могут влиять на то, в какой точке процесса изготовления n-МОП и р-МОП частей 160, 170 может начаться их отличие друг от друга.
На фиг.10 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует дельта-легированные n-МОП и р-МОП слои 126, 128 на разделительных слоях 122, 124, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Дельта-легированный n-МОП слой 126 содержит другие материалы, чем дельта-легированный р-МОП слой 128. Любой подходящий способ можно использовать для формирования дельта-легированных n-МОП и р-МОП слоев 126, 128. Например, р-МОП часть 170 может быть закрыт маской, когда формируют дельта-легированный n-МОП слой 126, затем n-МОП часть 160 может быть закрыт маской, когда формируют дельта-легированный р-МОП слой 128. Дельта-легированный n-МОП слой 126 легируют теллуром, в то время как дельта-легированный р-МОП слой 128 легируют бериллием. В других вариантах воплощения можно использовать другие легирующие примеси. Толщина каждого из дельта-легированных слоев 126, 128 составляет всего лишь от одного до нескольких монослоев в некоторых вариантах воплощения, хотя они могут иметь другую толщину в других вариантах воплощения. В одном варианте воплощения легированный слой 126/128 является дельта-легированным и имеет толщину приблизительно от 3Å до 5Å. В других вариантах воплощения легированный слой 126/128 легирован с модуляцией и имеет толщину от приблизительно 5Å до 50Å.
На фиг.11 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует верхние барьерные n-МОП и р-МОП слои 130, 132 на дельта-легированных слоях 126, 128, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В представленном варианте воплощения они представляют собой отдельные слои 130, 132, сбоку примыкающие друг к другу. Они также могут быть нанесены как один сплошной слой в других вариантах воплощения. В таких вариантах воплощения верхние барьерные р-МОП и n-МОП слои 130, 132 по существу идентичны, поскольку их формируют в одно и то же время из тех же материалов, как в n-МОП части 160, так и в р-МОП части 170. Любой подходящий способ можно использовать для формирования верхних барьерных n-МОП и р-МОП слоев 130, 132. Верхние барьерные слои 130, 132 имеют толщину приблизительно 100-500 ангстрем в данном варианте воплощения, хотя можно использовать другие значения толщины. Верхний барьерный слой 130/132 может иметь различную толщину, и в определенных вариантах воплощения верхний барьерный слой 130/132 имеет толщину от приблизительно 20 нм до 500 нм. Верхние барьерные слои 130, 132 содержат InAlSb, хотя в других вариантах воплощения можно использовать другие материалы.
0,1
0,9
0,4
0,6
0,7
0,3
В другом варианте воплощения верхний барьер 130/132 линейно последовательно изменяется от х=0,1 (AlInSb) в области 122 на границе перехода со слоем 118/120 квантовой ямы до х=0,4 (AlInSb) на противоположной поверхности. В таком варианте воплощения верхний барьер 130/132 и/или разделительный слой 122, 124 (как отмечено выше, разделительные слои 122, 124 и верхние барьерные слои 130, 132 можно рассматривать как часть верхнего барьера) могут индуцировать напряжение в слое 118/120 квантовой ямы. В конкретном варианте воплощения р-МОП участка нижний 116 и верхний барьерный 132 слои представляют собой AlGaSb, a InxGa1-xSb (x=0,2-0,5) представляет собой КЯ 120.
x
1-x
x
1-x
0,15
0,85
Верхний барьерный слой 130/132 (и разделительные слои 122, 124, когда обсуждаются свойства одного верхнего барьерного слоя 130, 132 или разделительных слоев 122, 124, описание также можно применять к другому одному из двух слоев), могут иметь большую ширину запрещенной энергетической зоны, чем у квантовой ямы 118/120, сдерживая, таким образом, большую часть носителей заряда в пределах квантовой ямы 118/120 для понижения тока утечки устройства. Верхний барьерный слой 130/132 может быть сформирован из тех же или из других материалов, что и нижний барьерный слой 114/116. В некоторых вариантах воплощения верхний барьерный слой 130/132 содержит от приблизительно 10% до 40% алюминия, (AlInSb, при х=0,1-0,4). При превышении уровня приблизительно 40% алюминия верхний слой устройства может окисляться после удаления из вакуумной камеры для осаждения тонких пленок. В конкретном варианте воплощения верхний барьерный слой 130/132 представляет собой AlInSb с 15% алюминия (AlInSb). В альтернативном варианте воплощения верхний барьерный слой 130/132 может содержать больше чем 40% алюминия.
x
1-x
Кроме того, величину напряжения, индуцированного в слое 118/120 квантовой ямы, можно задавать путем управления толщиной и несоответствием параметров решетки с нижним барьерным слоем 114/116 и верхним барьерным слоем 130/132 или разделительным слоем 122, 124. В конкретном варианте воплощения, в котором квантовая яма 118 представляет собой InSb, а нижний барьерный слой 114 и верхний барьерный слой 130 состоят из AlInSb с 15% алюминия, слой 118 квантовой ямы подвергается деформации сжатия.
На фиг.12 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует n-МОП и р-МОП слои 138, 140 истока/стока на верхних барьерных слоях 130, 132, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Слои 138, 140 истока/стока могут быть сформированы с помощью осаждения по всей поверхности слоя материала, с последующим маскированием одного из n-МОП или р-МОП слоев 138, 140 при соответствующем легировании не маскированного слоя 138, 140. В другом варианте воплощения слои 138, 140 могут быть нанесены и легированы по отдельности. Любой подходящий способ можно использовать для формирования n-МОП и р-МОП слоев 138, 140 истока/стока, и любые подходящие материалы. В альтернативном варианте воплощения используют не обязательные слои остановки травления (не показаны) для n-МОП и р-МОП, для обеспечения избирательного травления верхнего барьера и улучшения режима работы. В другом варианте воплощения верхние барьерные слои 130, 132 используют для контакта истока/стока n-МОП и р-МОП.
На фиг.13 показан вид в поперечном сечении, который иллюстрирует щелевую изоляцию 142, сформированную между n-МОП и р-МОП частями 160, 170, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Щелевая изоляция 142 сформирована путем выполнения щели с последующим заполнением ее изолирующим материалом. В других вариантах воплощения щелевая изоляция 142 может быть сформирована по-другому. В представленном варианте воплощения щелевая изоляция 142 проходит вплоть до подложки 102. В других вариантах воплощения щелевая изоляция 142 может проходить до другой глубины. Например, щелевая изоляция 142, в некоторых вариантах воплощения может проходить лишь до второго буферного слоя 112.
Дальнейшие технологические процессы могут быть выполнены для изготовления n-МОП и р-МОП устройств, представленных в n-МОП и р-МОП частях 160, 170 на фиг.1. Формируют диэлектрик 146, 150 затвора и затворы 144, 148. В представленном варианте воплощения затворы 144, 148 представляют собой u-образные затворы транзисторов, поэтому участки слоев 138, 140 истока/стока удаляют для углубления затворов 144, 148. В других вариантах воплощения могут быть сформированы другие типы транзисторов или другие устройства, в которых могут отсутствовать углубления в слоях 138, 140 истока/стока. Затворы 144, 148 могут представлять собой металлические затворы с подзатворными диэлектриками 146, 150, которые содержат материалы с высокой диэлектрической постоянной. Другие материалы также можно использовать для затворов 144, 148 и подзатворных диэлектриков 146, 150.
На фиг.14 иллюстрируется система 1400 в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Одно или больше КМОП устройств 100 могут быть включены в систему 1400 по фиг.14. Как показано для варианта воплощения, система 1400 включает в себя вычислительное устройство 1402 для обработки данных. Вычислительное устройство 1402 может включать в себя материнскую плату 1404. К материнской плате 1404 или ее части могут быть подключены, в частности, процессор 1406 и сетевой интерфейс 1408, соединенный с шиной 1410. Набор микросхем может формировать часть или всю шину 1410.
В зависимости от вариантов применения система 1400 может включать в себя другие компоненты, включающие в себя, но без ограничений, энергозависимое и энергонезависимое запоминающее устройство 1412, графический процессор (интегрированный с материнской платой 1404, или соединенный с материнской платой, как отдельный съемный компонент, такой как графический процессор AGP (УГП, ускоренный графический порт) или PCI-E (МПК-Э, межсоединение периферийных компонентов-экспресс)), цифровой процессор сигналов, криптопроцессор, накопитель 1414 большой емкости (такой как жесткий диск, компакт-диск (CD, КД), цифровой универсальный диск (DVD, ЦУД) и т.д.), устройство 1416 ввода и/или вывода и т.д.
В различных вариантах воплощения система 1400 может представлять собой карманный персональный компьютер (КПК), мобильный телефон, планшетное вычислительное устройство, портативное вычислительное устройство, настольное вычислительное устройство, телевизионную приставку, модуль управления развлечениями, цифровую камеру, устройство цифровой видеозаписи, CD проигрыватель, DVD проигрыватель, или другое цифровое устройство, или тому подобное.
Описание вариантов осуществления изобретения было представлено с целью иллюстрации и описания изобретения. При этом не предполагается, что оно исчерпывает или ограничивает изобретение точными раскрытыми формами. Настоящее описание и последующая формула изобретения содержат термины, такие как влево, право, вверх, вниз, сверху, снизу, верхний, нижний, первый, второй и т.д., которые используются только с целью описания, и их не следует рассматривать как ограничение. Например, термины, обозначающие относительное вертикальное положение, относятся к ситуации, в которой сторона устройства (или активная поверхность) подложки или интегральной микросхемы представляют собой "верхнюю" поверхность этой подложки; подложка фактически может находиться в любой ориентации так, что "верхняя" сторона подложки может быть ниже, чем "нижняя" сторона в стандартной наземной системе отсчета, но все же имеет значение термина "верхняя". Термин "на", используемый здесь (включая формулу изобретения) не обозначает, что первый слой находится непосредственно "на" втором слое и в непосредственном контакте со вторым слоем, если такое не будет указано специально; может присутствовать третий слой или другая структура между первым слоем и вторым слоем на первом слое. Варианты воплощения устройства или изделия, описанные здесь, могут быть изготовлены, могут использоваться или могут поставляться во множестве положений и ориентации. Для специалистов в соответствующей области техники понятно, что множество модификаций и вариантов возможны в свете приведенного выше описания. Для специалистов в данной области техники будут понятны различные эквивалентные комбинации и замены различных компонентов, представленных на чертежах. Поэтому предполагается, что объем изобретения ограничивается не этим подробным описанием изобретения, а приложенной формулой изобретения.