本发明涉及一类新的栅电介质材料，它能在深亚微米，高性能的领域获得更好的器件性能并扩大选择器件的余地。更具体地讲，本发明涉及用锗酸盐材料形成的栅电介质。

目前的集成电路包括大量数目的器件，而更小的器件是提高性能和改进可靠性的关键。当MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，这是一般的绝缘栅场效应晶体管的一个具有历史性含义的名字)器件正在向更小尺度发展时，从一代到又一代器件，工艺变得更复杂，并要求新的方法以保持所期望的性能提高。
潜在的器件性能的最主要的标志之一是载流子迁移率。而在深亚微米这一代器件中保持高的载流子迁移率存在巨大的困难。
栅电介质是CMOS场效应器件减小尺度的主要问题之一。这无论对于常规的硅器件还是更加先进的(例如Ge，SiGe，GaAs，InGaAs)器件都是对的。对于Si-基器件，常规的SiO2-基电介质正在达到其减小尺度的极限(～1nm)。
在Ge-基器件中，情况甚至更复杂。迄今为止，还没有找到可靠的高质量的栅电介质。氧化锗是具有很差的质量并且溶于水。一般讲，二元金属氧化物(例如ZrO2，HfO2)，在把它用作栅电介质时，显示～40％的电子迁移率减小。二元氧化物的另外一个问题是界面的不稳定性，也即，一层薄的低-K材料(例如SiO2，SiON，或GeON)会出现在界面上，这也可以是在高-K淀积之前有意在那里生长的，也可能由于高温下反应形成的。这样一层薄的低-K材料降低了栅的整个电容。

本发明给出用于半导体场效应器件的一类新的栅电介质材料，它应当比SiO2具有更高的介电常数，例如大于4。这类材料是锗酸盐，也即MezGexOy，其中，Me表示具有高的离子极化率的金属，如象Hf，Zr，Y，La，Ti，Ta，Gd，Ce，Bi，Dy，Er，Eu，Tb，Pr，Sr，等等以及周期表3，4，和5族的某些其他金属以及镧；而x，y和z是非零整数。
按照上述列出的目的，本发明描述用于具有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件的一种系统和方法。
本发明的另外一个目的是给出包含这样一个芯片的处理器，该芯片包括具有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件。
附图说明
本发明的这些特征及其他特征将从所附详细叙述和附图变得显而易见，其中：图1给出具有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件的一张示意截面图；图2给出具有锗酸盐栅电介质和一个夹层的半导体场效应器件的一张示意截面图；图3给出至少包括一个这样芯片的处理器的一张象征图，该芯片包括具有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件。

图1给出具有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件10的一张示意截面图。锗酸盐材料的栅电介质100是一个把导体栅110和半导体主体160分开的绝缘体。
锗酸盐材料具有MezGexOy的化学组成，其中x，y和z是非零整数，可以有许许多多种可能的组合。“Me”表示一种具有高离子极化率的金属，它导致锗酸盐材料的高介电常数。这种金属的一张非完整的列表包括：Hf，Zr，Y，La，Ti，Ta，Gd，Ce，Bi，Dy，Er，Eu，Tb，Pr，Sr等以及周期表的3、4、5族中某些其他金属和镧。本技术领域中金属的极化率是已知的，例如各种元素的极化率在J.of AppLiedPhysics，V.73，P.348(1993)的文章“在氧化物和氟化物中离子的介电极化率”中已给出。在化学领域内锗酸盐材料是熟知的，而它们的某些基本材料性质在，例如，Spectrochemica Acta，V.45 P.721(1989)，M.T.Vaudeubore et al的文章中被列出。
锗酸盐有许多性质，这些性质使它们独特地适合作为高性能场效应器件中的栅电介质。
锗酸盐一般地具有高的介电常数，这意味着超过大约4。根据在晶格中金属(Me)的浓度和类型的不同，典型的也是优选的介电常数的范围是在8和40之间。例如锗酸铋Bi12GeO20具有强的介电常数。在制造栅电介质时，人们要按照Me的极化率来选择锗酸盐材料。因为较高的Me极化率通常导致较高的介电常数，虽然最后的选择还依赖于与其他材料性质的权衡。
锗酸盐能够有一个高的势垒，也即对电荷穿透显示高的阻止能力。当为了增加栅-沟道电容而减小栅电介质的厚度时，阻止电荷穿透栅电介质的能力就变成一个重要的问题。典型的栅电介质材料是SiO2(介电常数为3.9)，它可以作为比较的对象。因为锗酸盐的介电常数大于SiO2的介电常数，因而具有和SiO2层相同的单位面积电容的锗酸盐层要比SiO2层厚。另外，因为阻止穿透的电阻与层厚度有指数依赖关系，因而锗酸盐层趋向于具有更高的阻止电荷穿透的能力。因为有许多种锗酸盐可供选择，就可能找到一种锗酸盐，它对电子和空穴的电极穿透都具有阻止能力。在制造栅电介质时，人们将按照势垒高度来选择锗酸盐材料，因为势垒高度影响阻止电荷穿透的能力。一般讲，具有较高势垒高度的锗酸盐材料将是优先采用的，虽然最终的选择将依赖于与其他材料性质的权衡。
在半导体场效应器件10的沟道区130中的电荷迁移率(或载流子迁移率)是决定器件性能的最重要参数之一。人们知道选择作为栅电介质的材料的种类影响着在沟道中的电荷迁移率。这种影响包括在器件沟道中的电荷的载流子和在栅电介质材料中的声子(晶格振动)的耦合。按照沟道迁移率的软-声子图象，例如在“具有高K绝缘体的MOS系统中硅反型层中的有效电子迁移率：远声子散射的作用”，(J.of Appliedphysics，v.90 P.4587(2001)，作者M.Fischctti)许多具有低能声子模式的高K材料显示减小的迁移率。因为锗酸盐具有复杂的材料结构并涉及重的化学元素，如象Ge及所考虑的的多数Me原子，锗酸盐的特征声子谱大概不会容易地与沟道中的加速载流子耦合，从而导致电介质是锗酸盐材料的沟道中高的载流子迁移率。在制造栅电介质时，人们将按照使载流子迁移率最大化的目的来选择锗酸盐材料，虽然最终的选择将依赖于与其他材料性质的权衡。
在图1中对半导体场效应器件的描绘几乎是象征性的，这么讲是因为，虽然它实表示一个MOS器件，但它只是表示任意一类场效应器件。这种器件的唯一共同的特性是该器件电流被一个栅110所控制，该栅把其电场作用在绝缘体，即所谓栅电介质100上。相应地，每一个场效应器件有一个(至少一个)栅和一个栅绝缘体。这是本发明的核心，因为一类新的栅电介质的引入将影响每一种场效应器件。
图1示意的描绘一个MOS场效应器件，它具有源/漏区150，器件体160，和沟道区130。器件体可以是块状的，如图1所示那样，也可以是在绝缘体上的一薄膜。沟道可以是单一的沟道，或(如在双栅的或FINFET器件上的)多沟道。器件的基本材料能够是各式各样的。它能够是当前电子学的支柱材料Si。或更普遍地讲，它能够是所谓Si基材料。器件体能够是一种SiGe化合物，或者基本上由纯Ge组成。后面这些材料是较新出现的技术并随着器件尺寸和使用电压的减小，变得日益重要。
锗酸盐电介质栅对于获得高性能的SiGe和Ge器件来讲是特别有利的。当人们企图在Si上用一种所谓高K材料时，通常出现这样的问题，既由于Si很容易氧化成SiO2而在高K材料和Si的界面上出现一层SiO2界面层。对于Ge基器件，该锗酸盐电介质解决二个问题。首先，它是在Ge基材料，或Ge上的一种好的稳定的绝缘体，而这是难于去找到的。第二，因为Ge没有一种稳定的氧化物，如象SiO2对于Si那样，因而Ge基材料(或Ge)和锗酸盐界面上没有氧化物，从而将有较高的电容和较好的载流子迁移率。这样一种锗酸盐栅电介质将是实现高质量最高迁移率SiGe，Ge器件的一个关键因素。
锗酸盐材料对于用III-V族半导体化合物，如象GaAs，InAs，InGaAs和其他化合物做成的器件可以是有用的。这种III-V族器件传统地缺乏一种好的栅电介质。现在用锗酸盐这一类新的电介质，这些器件也能够做成常规的MOS器件。
因为在绝大多数高性能器件中的锗酸盐电介质将和器件的沟道区密切接触(与沟道区相接界)，相互的界面性质，诸如相互的稳定性，在选择合适的锗酸盐时是重要的考虑内容。在制造栅电介质时，要按照其界面稳定性来选择锗酸盐材料，虽然最终选择将依赖于与其他材料性质的权衡。
在大多数情况下，锗酸盐栅材料100在一个复合栅电介质中能够只是一种组份，这复合栅电介质或者以一种分层的形式，或甚至以一个混合物的形式。在一个具有代表性的实施方案中，即使对于复合栅电介质的情况，通常让锗酸盐材料组成一层。而在另一个具有代表性的实施方案中，栅电介质只是锗酸盐材料，也即，它基本上只包括锗酸盐材料。对于栅电介质应用，锗酸盐层最好具有约1.5nm到50nm之间的厚度。这些数值由以下两个要求决定，即对高电容的要求需要薄的层，而对好的材料质量以及对电荷穿透的抵抗宁愿较厚的层。
图2给出具有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件的另外一个具有代表性的实施方案，该方案具有中间层210的示意截面图。该栅电介质包括中间层210，它与沟道区形成界面，而锗酸盐层100在中间层210的顶上。这种中间层的优点在于提供与沟道区的一个高质量的界面。它们典型地小于约1nm厚，并包含如像化学氧化物或氮氧化物这样的材料。在授予A.Ballantiue etal的美国专利6,444,592，名称“对于高K栅电介质过程集成的界面氧化过程”中讲述了中间层，此文在此引入以供参考。
锗酸盐材料是很温度稳定的，能够承受在器件制造过程中遇到的温度，典型地至少800℃，可能接近1000℃。因为这种温度稳定性，场效应器件的标淮的制造过程能够没有困难地引入锗酸盐材料栅电介质的使用。锗酸盐材料既可以在常规的“先做栅”的过程，也可以在“最后做栅”的取代过程中形成。在“先做栅”过程中，栅电介质在制造源和漏以前被淀积。而在取代栅，“最后做栅”的情况下，在栅电介质被淀积以前制造源和漏。在淀积以后，所选择的锗酸盐能容忍的温度愈高，则愈有利，在进一步处理器件时有更多的选择。在制造栅电介质时，人们选择具有高的温度稳定性的锗酸盐材料，虽然最终的选择依赖于与其他材料性质的权衡。
锗酸盐材料能够用各种各样的方法来淀积，如象物理蒸气淀积(PVD)，溅射，分子束淀积(MBE)，金属有机化学蒸气淀积(MOCVD)，原子层淀积(ALD)和其他已知技术。本发明的一个方面广泛地涉及锗酸盐的CVD和ALD。
在一个具有代表性的实施方案中，锗酸盐中的Me是铪。在进行淀积中，铪和锗的原始化合物是由束缚在至少一个配位体上的金属组成，该配位体选自由氢化物，烷基，链烯基，环烯基，芳香基，炔，羰基，酰氨基，亚氨基，酰肼(hydrazido)，磷化物(phosphido)，亚硝酰基，硝酰，硝酸盐，腈，卤化物，叠氮化物，烷氧基甲硅烷氧基，和/或甲硅烷基组成的组。铪和锗的原始化合物可以用净的，也可以用溶于，乳化于或悬浮于一种惰性液体中的，这惰性液体选自由脂族碳氢化合物，芳香族碳氢化合物，醇类，醚类，醛类，酮类，酸类，酚类，酯类，胺类，烷基腈，卤化碳氢化合物，甲硅烷基化碳氢化合物，硫醚，氰酸盐，异氰酸盐，硫氰酸盐，硅油，硝基烷，硝酸烷基脂，和/或上述n个的混合物组成的组。用铪和锗原始化合物来生长膜的化学蒸气淀积工艺和原子层淀积工艺包括把原始化合物蒸发，把汽化的原始化合物引入化学蒸汽淀积或原子层淀积反应器，以及淀积汽化的原始化合物的某个组份于基片上以形成膜。做选的铪原始化合物包括醇铪，更具体地讲，异丙醇铪，仲丁醇铪，乙醇铪，异丁醇铪，甲醇铪，丙醇铪，丁醇铪，叔丁醇铪或酚铪。优选的锗原始化合物包括四乙氧基锗，四甲氧基锗烷，四甲基锗烷，四乙基锗烷，三乙基锗烷，二乙基锗烷，二乙基二乙氧基锗烷，三(三甲基硅)锗烷，四氯化锗和锗烷。
化学蒸汽淀积(CVD)涉及把多种反应物同时引进一个反应器。原子层淀积(ALD)涉及把多种反应物顺序引入一个反应器，它包括，但不限于原子层外延，数字化学蒸气淀积，脉冲化学蒸气淀积和其他类似的方法。
在锗酸铪(氧化铪锗)的一个示例性的实施方案中，用了下述CVD过程。在装有1×3×8英寸石英气流池的一个石英水平热壁CVD反应器中淀积铪氧化膜。用一种ATMI(Advauced Technology and Materials，Inc.Dakbury，CT)的LDS 300B液体传送系统和汽化器把原始化合物引入反应器。该LDS 300B用一个Porter液体质量流控制器予以改型以控制原始化合物进入反应器的传送速率。该铪的原始化合物是0.1摩尔的叔丁醇铪Hf(t-OC4H9)4溶解在一升辛烷中。锗的原始化合物包含0.1摩尔的乙氧基锗溶解在一升辛烷中。在淀积膜中铪和锗的比值是用在LDS300B中混合不同比例的铪和锗的原始化合物来加以控制。在硅片上在生长氧化铪锗之前先淀积一薄层SiOxNy(＜2nm)。蒸发器温度约50-150℃，最好约120℃。脱水氮以约20-2000sccm，最好约200sccm被作为对于挥发了的铪锗原始化合物的荷载气体被引入蒸发器。约1000sccm的氧气通过一个单独入口作为反应气体被引入。系统在生长时的压力约2Torr。基片用外部高强度的红外灯加热而感受器由哈斯合金构成。感受器的温度由插入感受器的热电偶所监视。氧化铪在约300-700℃的温度下淀积，最好大于400℃。
在锗酸铪(氧化铪锗)的一个示例性实施方案中，用了下述ALD过程。在此实施方案中，基片置于一个适当的用于原子层淀积的反应器之内，例如由Microchemistry制造的商品F-200反应器内，并淀积一层氧化铪膜。原子层淀积以顺序改变蒸气化氯化铪，四氯化锗，水和清洗气体脉冲的循环方式得以实现。
反应物按照如下顺序被引入ALD反应器：1.水2.清洗，3.氯化铪，4.清洗，5.水，6.清洗，7.氯化锗8.清洗；氯化铪，氯化锗和水脉冲(步骤1、3、5、7)持续约0.1-1秒，最好约0.5秒。惰性气体清洗脉冲(步骤2、4、6、8)持续约0.2-5秒，最好约2秒。步骤1-8完成一个循环，完成一个循环导致0.4-2锗氧化铪的单原子层，或大致0.1nm。例如，如果被淀积的氧化铪锗膜的优选厚度是50nm，即以要完成约400次如上所述的气体开关循环。
图3给出处理器900的一张象征性图，该处理器包括至少一个包括有锗酸盐栅电介质的半导体场效应器件的芯片。该处理器有至少一个芯片901，该芯片包括至少一个有锗酸盐栅电介质的场效应器件10。该处理器900可以是任何一个由于用了锗酸盐栅电介质场效应器件而受益的处理器。在一片或更多片芯片901上的这些器件的群体构成处理器的一个组成部份。以锗酸盐栅电介质场效应器件制造的处理器的代表性的实体是数字处理器，它典型地用于计算机的中央处理系统；混合数字/模拟处理器，它显著得益于在锗酸盐栅电介质场效应器件中的载流子高迁移率；以及一般地，任意一种通讯处理器，如象把存贮器连接到处理器，路由器，雷达系统，高性能的可视电话的组件，游戏组件和其他。
借助于以上所述，可以对本发明作各种修改和变化，这对本领域的技术人员是显而易见的。本发明的范围由所附权利要求书所确定。