在芯轴上具有包括二维材料的沟道区的场效应晶体管制造技术

本发明专利技术涉及在芯轴上具有包括二维材料的沟道区的场效应晶体管，其揭示场效应晶体管的结构以及形成场效应晶体管的结构的方法。栅极电极具有包覆由介电材料组成的芯轴的第一侧表面及第二侧表面的部分。沟道层具有部分位于该芯轴的该第一侧表面与该栅极电极的该部分之间的沟道区。该沟道层由二维材料组成。

【技术实现步骤摘要】
在芯轴上具有包括二维材料的沟道区的场效应晶体管
本专利技术涉及半导体装置制造及集成电路，尤其涉及场效应晶体管的结构以及形成场效应晶体管的结构的方法。
技术介绍
可使用互补金属氧化物半导体(complementary-metal-oxide-semiconductor；CMOS)制程来建立p型与n型场效应晶体管的组合，该p型与n型场效应晶体管用以构建例如逻辑单元。场效应晶体管通常包括位于半导体本体中的沟道区、源极、漏极、以及位于该本体上方的栅极电极。当向该栅极电极施加超过特征阈值电压的控制电压时，在该源极与漏极之间的该沟道区中发生载流子流(carrierflow)，从而产生装置输出电流。纳米片场效应晶体管代表一种非平面场效应晶体管，其可在集成电路中以增加的封装密度制造。纳米片场效应晶体管包括在衬底的顶部表面上方的图案化层堆叠中设置的多个纳米片沟道层，以及与该纳米片沟道层的横向端部连接的源/漏区。初始将该纳米片沟道层与包含材料(例如，硅-锗)的牺牲层一起设置于该图案化层堆叠中，该牺牲层与该纳米片沟道层交替并可相对构成该纳米片沟道层的材料(例如，硅)被选择性蚀刻。可通过自该纳米片沟道层的该横向端部外延生长半导体材料来形成该源/漏区。蚀刻并移除该牺牲层，以释放该纳米片沟道层并为形成栅极电极提供空间。该栅极电极的部分可以环绕栅极(gate-all-around)布置围绕各纳米片沟道层的所有侧面。在向该栅极电极施加控制电压的操作期间，在该纳米片沟道层中的水平载流子流产生装置输出电流。纳米片场效应晶体管可能遇到微缩困难，因为减小纳米片厚度最终会达到量子约束显著降低性能的程度。此外，短沟道效应可能限制继续缩小栅极长度的能力。因此，纳米片场效应晶体管的静电控制限制可能限制微缩。需要改进的场效应晶体管的结构以及形成场效应晶体管的结构的方法。
技术实现思路
在本专利技术的实施例中，提供一种场效应晶体管的结构。该结构包括由介电材料组成的芯轴(mandrel)，以及具有包覆该芯轴的第一侧表面及第二侧表面的部分(section)的栅极电极。该结构还包括具有部分(inpart)位于该芯轴的该第一侧表面与该栅极电极的该部分之间的沟道区的沟道层。该沟道层由二维材料组成。在本专利技术的实施例中，提供一种形成场效应晶体管的方法。该方法包括：形成包括沟道区的沟道层，形成包括第一侧表面及第二侧表面的介电芯轴，以及形成具有包覆该介电芯轴的该第一侧表面及该第二侧表面的部分的栅极电极。该沟道层由二维材料组成。该沟道层的该沟道区部分位于该介电芯轴的该第一侧表面与该栅极电极的该部分之间。附图说明包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本专利技术的各种实施例，并与上面所作的有关本专利技术的概括说明以及下面所作的有关所述实施例的详细说明一起用以解释本专利技术的所述实施例。在所述附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。图1显示依据本专利技术的实施例处于制程方法的初始制造阶段的装置结构的顶视图。图2显示大体沿图1中的线2-2所作的剖视图。图3显示处于图1之后的制造阶段的该装置结构的顶视图。图4显示大体沿图3中的线4-4所作的剖视图。图4A显示大体沿图3中的线4A-4A所作的剖视图。图4B显示大体沿图3中的线4B-4B所作的剖视图。图5-10、5A-10A及5B-10B显示处于图4、4A、4B之后的该制程方法的连续制造阶段的该装置结构的相应剖视图。图11-16、11A-16A及11B-16B显示依据替代实施例处于制程方法的连续制造阶段的该装置结构的剖视图。具体实施方式请参照图1、2并依据本专利技术的实施例，在位于衬底11上的层堆叠15中设置一个或多个纳米片沟道层10、一个或多个牺牲层12、以及牺牲层14。牺牲层14沿垂直方向设置于衬底11与最下方牺牲层12之间。衬底11可由单晶半导体材料例如单晶硅组成。纳米片沟道层10、牺牲层12、以及牺牲层14可通过外延生长制程形成于衬底11上，在该外延生长制程期间，通过改变提供给沉积工具的反应物来交替层组分。层堆叠15中的纳米片沟道层10及牺牲层12的数目可不同于该代表性实施例中的数目。尤其，通过向层堆叠15添加成对的纳米片沟道层10及牺牲层12，层堆叠15中的纳米片沟道层10及牺牲层12的数目可大于该代表性实施例中的数目。纳米片沟道层10由单晶半导体材料组成，且牺牲层12由组分经选择以相对纳米片沟道层10的该单晶半导体材料被选择性移除的单晶半导体材料组成。牺牲层14由组分经选择以相对纳米片沟道层10及牺牲层12两者的该单晶半导体材料被选择性移除的单晶半导体材料组成。在提到材料移除制程(例如，蚀刻)时本文中所使用的术语“选择性”表示通过合适的蚀刻剂选择，目标材料的材料移除速率(也就是，蚀刻速率)大于暴露于该材料移除制程的至少另一种材料的移除速率。在一个实施例中，构成纳米片沟道层10的半导体材料可为单晶硅，构成牺牲层12的半导体材料可为单晶硅锗，由于其锗含量，因此以高于硅的速率蚀刻，以及构成牺牲层14的半导体材料可为硅锗，由于其与牺牲层12相比包含更高的锗含量，因此以高于牺牲层12的速率蚀刻。在一个实施例中，纳米片沟道层10不含锗，牺牲层12的锗含量可在从十五原子百分比(15at.％)至三十五原子百分比(35at.％)的范围内变化，且牺牲层14的锗含量可在从五十原子百分比(50at.％)至七十五原子百分比(75at.％)的范围内变化。在层堆叠15上方沉积硬掩膜16，并接着通过光刻及蚀刻制程图案化该硬掩膜。硬掩膜16的部分覆盖层堆叠15的部分。硬掩膜16可由通过化学气相沉积(chemicalvapordeposition；CVD)沉积的介电材料例如氮化硅组成。请参照图3、4、4A、4B，其中类似的附图标记表示图1、2中类似的特征，且在下一制造阶段。利用蚀刻制程(例如非等向性蚀刻制程，如反应离子蚀刻)图案化纳米片沟道层10、牺牲层12、以及牺牲层14，以定义鳍片18。先前图案化硬掩膜16的该部分建立鳍片18的图案。可通过该蚀刻制程蚀刻衬底11，尤其，可在鳍片18的相邻侧壁19之间的衬底11中定义自对准沟槽。随后，通过在该沟槽中沉积由介电材料例如二氧化硅组成的层并利用蚀刻制程凹入该沉积的层，在鳍片18的相邻侧壁19之间的该沟槽中形成浅沟槽隔离区20。形成牺牲栅极结构22，其与叠置并包覆各鳍片18的部分。本文中所使用的术语“牺牲栅极结构”是指后续将形成的栅极结构的占位体(placeholder)结构。牺牲栅极结构22沿鳍片18的长度具有间隔布置，并垂直于鳍片18的纵轴排列。牺牲栅极结构22可包括涂布鳍片18的外表面的薄氧化物层以及包含牺牲材料例如非晶硅的较厚层。利用硬掩膜，通过反应离子蚀刻(reactiveionetching；RIE)自这些构成层藉由光刻及蚀刻制程可图案化牺牲栅极结构22。牺牲栅极结构22分别由硬掩膜覆盖层(hardmaskcap)24覆盖。硬掩膜覆盖层24(包含介电材料，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种场效应晶体管的结构，该结构包括：/n第一芯轴，由介电材料组成，该第一芯轴包括第一侧表面及第二侧表面；/n栅极电极，具有包覆该第一芯轴的该第一侧表面及该第二侧表面的部分；以及/n第一沟道层，包括沟道区，该第一沟道层的该沟道区部分位于该第一芯轴的该第一侧表面与该栅极电极的该部分之间，/n其中，该第一沟道层由二维材料组成。/n

【技术特征摘要】
20191030 US 16/668,7631.一种场效应晶体管的结构，该结构包括：
第一芯轴，由介电材料组成，该第一芯轴包括第一侧表面及第二侧表面；
栅极电极，具有包覆该第一芯轴的该第一侧表面及该第二侧表面的部分；以及
第一沟道层，包括沟道区，该第一沟道层的该沟道区部分位于该第一芯轴的该第一侧表面与该栅极电极的该部分之间，
其中，该第一沟道层由二维材料组成。


2.如权利要求1所述的结构，其中，该第一沟道层的该沟道区部分位于该第一芯轴的该第二侧表面与该栅极电极的该部分之间。


3.如权利要求2所述的结构，其中，该第一芯轴的该第一侧表面与该第二侧表面被包含于基本平行的相应平面中。


4.如权利要求1所述的结构，其中，该第一侧表面与该第二侧表面被包括于该第一沟道层的多个侧表面中，且该第一沟道层的该沟道区围绕该第一芯轴的所有该侧表面延伸。


5.如权利要求1所述的结构，还包括：
第二芯轴，由该介电材料组成，该第二芯轴包括侧表面，且该第二芯轴设置于该第一芯轴上方；以及
第二沟道层，包括部分位于该第二芯轴的该侧表面与该栅极电极的该部分之间的沟道区，
其中，该第二沟道层由该二维材料组成。


6.如权利要求5所述的结构，其中，该第一沟道层包括延伸区，该第二沟道层包括延伸区，且还包括：
源极/漏极接触，通过该第一沟道层的该延伸区与该第一沟道层的该沟道区连接并通过该第二沟道层的该延伸区与该第二沟道层的该沟道区连接。


7.如权利要求6所述的结构，其中，该第一芯轴及该第二芯轴分别终止于该源极/漏极接触，与该源极/漏极接触直接接触，该第一沟道层的该延伸区围绕该第一芯轴充分延伸，且该第二沟道层的该延伸区围绕该第二芯轴充分延伸。


8.如权利要求7所述的结构，还包括：
内间隙壁，沿第一方向位于该栅极电极的该部分与该源极/漏极接触之间，
其中，该内间隙壁沿第二方向位于该第一沟道层的该延伸区与该第二沟道层的该延伸区之间。


9.如权利要求1所述的结构，其中，该第一沟道层包括第一延伸区，且还包括：
第一源极/漏极接触，通过该第一沟...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利安·弗罗吉尔，
申请(专利权)人：格芯公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛;KY