隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本發(fā)明要求于2014年4月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/986，641號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0004]金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用。根據(jù)柵極電壓Vg和源極-漏極電壓Vds，MOS器件可以在包括線性區(qū)域、飽和區(qū)域和亞閾值區(qū)域的三個(gè)區(qū)域中工作。亞閾值區(qū)域是電壓Vg小于閾值電壓Vt的區(qū)域。已知為亞閾值擺幅(SS)的參數(shù)表示斷開(kāi)晶體管電流的容易度，并且是確定MOS器件的速度的因素。亞閾值擺幅可以表示為函數(shù)mXkT/q，其中，m是與電容相關(guān)的參數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，以及q是電子的電荷量。之前的研究已經(jīng)表明，典型MOS器件的亞閾值擺幅在室溫下具有大約60mV/十倍頻程的限制，這轉(zhuǎn)而又對(duì)縮小操作電壓VDD和閾值電壓Vt設(shè)置了限制。這種限制由于載流子的擴(kuò)散傳輸機(jī)制。為此，現(xiàn)有的MOS器件通常在室溫下無(wú)法切換得快于60mV/十倍頻程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括:漏極層；源極層，其中，漏極層和源極層具有相反的導(dǎo)電類(lèi)型；溝道層，設(shè)置在漏極層和源極層之間，其中，漏極層、溝道層和源極層中的至少一個(gè)具有基本恒定的摻雜濃度；金屬柵極層，設(shè)置在溝道層周?chē)?；以及高k介電層，設(shè)置在金屬柵極層和溝道層之間。
[0006]優(yōu)選地，漏極層、源極層和溝道層基本垂直堆疊。
[0007]優(yōu)選地，源極層的摻雜濃度大于漏極層的摻雜濃度。
[0008]優(yōu)選地，隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管還包括:側(cè)壁隔離件，設(shè)置在源極層周?chē)?；絕緣層，至少設(shè)置在側(cè)壁隔離件周?chē)?，其中，絕緣層和側(cè)壁隔離件由不同的材料制成，并且絕緣層中具有至少一個(gè)開(kāi)口以暴露金屬柵極層；以及柵極接觸件，通過(guò)開(kāi)口連接至金屬柵極層，其中，側(cè)壁隔離件設(shè)置在柵極接觸件和源極層之間。
[0009]優(yōu)選地，柵極接觸件位于側(cè)壁隔離件上方的截面積大于位于側(cè)壁隔離件下方的截面積。
[0010]優(yōu)選地，該隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管還包括:側(cè)壁隔離件，設(shè)置在源極層周?chē)唤^緣層，至少設(shè)置在側(cè)壁隔離件周?chē)?，其中，絕緣層和側(cè)壁隔離件由不同的材料制成，并且絕緣層中具有至少一個(gè)開(kāi)口以暴露金屬柵極層；以及漏極接觸件，連接至漏極層，側(cè)壁隔離件設(shè)置在漏極接觸件和源極層之間，并且漏極接觸件位于側(cè)壁隔離件上方的截面積大于位于側(cè)壁隔離件下方的截面積。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管部件，包括:襯底，具有第一類(lèi)型阱、第二類(lèi)型阱和將第一類(lèi)型阱與第二類(lèi)型阱分離的淺溝槽隔離部件；第一類(lèi)型隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管；第二類(lèi)型隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管。其中，第一類(lèi)型隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，設(shè)置在第二類(lèi)型阱上，包括:第一類(lèi)型漏極層；第二類(lèi)型源極層；第一類(lèi)型溝道層，設(shè)置在第一類(lèi)型漏極層和第二類(lèi)型源極層之間，其中，第一類(lèi)型漏極層、第一類(lèi)型溝道層和第二類(lèi)型源極層中的至少一個(gè)具有基本恒定的摻雜濃度；第一金屬柵極層，設(shè)置在第一類(lèi)型溝道層周?chē)缓偷谝桓遦介電層，設(shè)置在第一金屬柵極層和第一類(lèi)型溝道層之間。第二類(lèi)型隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，設(shè)置在第一類(lèi)型阱上，包括:第二類(lèi)型漏極層；第一類(lèi)型源極層；第二類(lèi)型溝道層，設(shè)置在第二類(lèi)型漏極層和第一類(lèi)型源極層之間，其中，第二類(lèi)型漏極層、第二類(lèi)型溝道層和第一類(lèi)型源極層中的至少一個(gè)具有基本恒定的摻雜濃度；第二金屬柵極層，設(shè)置在第二類(lèi)型溝道層周?chē)?；和第二高k介電層，設(shè)置在第二金屬柵極層和第二類(lèi)型溝道層之間。
[0012]優(yōu)選地，第一類(lèi)型漏極層、第二類(lèi)型源極層和第一類(lèi)型溝道層基本垂直堆疊。
[0013]優(yōu)選地，第二類(lèi)型漏極層、第一類(lèi)型源極層和第二類(lèi)型溝道層基本垂直堆疊。
[0014]優(yōu)選地，第一類(lèi)型源極層的摻雜濃度大于第二類(lèi)型漏極層的摻雜濃度。
[0015]優(yōu)選地，第二類(lèi)型源極層的摻雜濃度大于第一類(lèi)型漏極層的摻雜濃度。
[0016]優(yōu)選地，該隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管部件還包括:多個(gè)側(cè)壁隔離件，分別設(shè)置在第一類(lèi)型和第二類(lèi)型源極層周?chē)?br>[0017]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于制造隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，包括:在襯底上形成半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)包括形成在襯底上的底部源極或底部漏極層、形成在底部源極或底部漏極層上的溝道層、以及形成在溝道層上的頂部源極或頂部漏極層，其中，底部源極或底部漏極層、溝道層以及頂部源極或頂部漏極層中的至少一個(gè)具有基本恒定的摻雜濃度；在溝道層周?chē)纬筛遦介電層；以及在高k介電層周?chē)纬山饘贃艠O層。
[0018]優(yōu)選地，該方法還包括:在底部源極或底部漏極層上形成底部硅化物區(qū)域。
[0019]優(yōu)選地，該方法還包括:在頂部源極或頂部漏極層上形成頂部硅化物區(qū)域。
[0020]優(yōu)選地，該方法還包括:在頂部源極或頂部漏極層周?chē)纬蓚?cè)壁隔離件；在襯底上方以及至少在側(cè)壁隔離件周?chē)纬山^緣層，其中，絕緣層和側(cè)壁隔離件由不同的材料制成；用蝕刻工藝在絕緣層中形成至少一個(gè)開(kāi)口，以暴露金屬柵極層，在該蝕刻工藝中絕緣層的蝕刻速率大于側(cè)壁隔離件的蝕刻速率，使得在蝕刻工藝期間保護(hù)頂部源極或頂部漏極層；以及用導(dǎo)電材料填充開(kāi)口。
[0021]優(yōu)選地，該方法還包括:在頂部源極或頂部漏極層周?chē)纬蓚?cè)壁隔離件；在襯底上方以及至少在側(cè)壁隔離件周?chē)纬山^緣層，其中，絕緣層和側(cè)壁隔離件由不同的材料制成；用蝕刻工藝在絕緣層中形成至少一個(gè)開(kāi)口，以暴露底部源極或底部漏極層，在該蝕刻工藝中絕緣層的蝕刻速率大于側(cè)壁隔離件的蝕刻速率，使得在蝕刻工藝期間保護(hù)頂部源極或頂部漏極層；以及用導(dǎo)電材料填充開(kāi)口。
[0022]優(yōu)選地，該方法還包括:在頂部源極或頂部漏極層周?chē)纬蓚?cè)壁隔離件；在襯底上方以及至少在側(cè)壁隔離件周?chē)纬山^緣層，其中，絕緣層和側(cè)壁隔離件由不同的材料制成；以及在絕緣層中形成至少一個(gè)開(kāi)口以暴露金屬柵極層，開(kāi)口在側(cè)壁隔離件上方的截面積大于在側(cè)壁隔離件下方的截面積。
[0023]優(yōu)選地，形成半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)包括:在襯底上形成多個(gè)外延層；以及蝕刻外延層以形成具有底部源極或底部漏極層、溝道層和頂部源極或頂部漏極層的半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)。
[0024]優(yōu)選地，該方法還包括:利用注入工藝在襯底上形成阱區(qū)域，其中，半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)形成在阱區(qū)域上。
【附圖說(shuō)明】
[0025]當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，根據(jù)以下詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該注意的是，根據(jù)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)做法，各個(gè)部件沒(méi)有按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚的討論，可以任意地增加或減小各個(gè)部件的尺寸。
[0026]圖1至圖58是根據(jù)一些實(shí)施例的用于制造隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管部件的方法的不同步驟的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或?qū)嵗?，用于?shí)施本發(fā)明主題的不同特征。下面描述了部件或布置的特定實(shí)例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅僅是實(shí)例而不旨在限制。例如，在以下的描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件被形成為直接接觸的實(shí)施例，并且也可以包括可以在第一部件和第二部件之間形成附加的部件使得第一部件和第二部分可以不直接接觸的實(shí)施例。此外，本發(fā)明可以在各個(gè)實(shí)例中重復(fù)參考標(biāo)號(hào)和/或字符。這些重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身并不表示所討論的各個(gè)實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。
[0028]此外，為了易于描述，可以使用空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)(諸如“在…下方”、“之下”、“下部”、“之上”、“上部”等)以便描述圖中所示一個(gè)元件或部件與另一個(gè)元件(多個(gè)元件)或部件(多個(gè)部件)的關(guān)系。除圖中所示的定向之外，空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)旨在包括使用或操作中設(shè)備的不同定向。裝置可以以其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或處于其他定向)，本文所使用的空間關(guān)系描述可因此進(jìn)行類(lèi)似的解釋。
[0029]在以下描述中提供了一種具有一個(gè)或多個(gè)隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管部件及其制造方法，其中隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括高k金屬柵極。隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管針對(duì)短溝道效應(yīng)提供了更好的抗擾性。
[0030]圖1至圖58是根據(jù)一些實(shí)施例的用于制造隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管部件的方法的不同步驟的截面圖，在該方法的各個(gè)制造步驟期間部分或整體參照?qǐng)D1至圖58。應(yīng)該理解，可以在該方法之前、期間或之后提供附加步驟，并且對(duì)于該方法的附加實(shí)施例可以替換或刪除以下描述的一些步驟。還應(yīng)該理解，可以在隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管部件中增加附加部件，并且對(duì)于隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的附加實(shí)施例可以替換或刪除以下描述的一些部件。
[0031]參照?qǐng)D1，掩模層102形成在襯底100上。襯底100是半導(dǎo)體襯底。例如，襯底100可以由硅、化合物半導(dǎo)體(諸如，碳化硅、砷化銦或磷化銦)，或合金半導(dǎo)體(諸如，碳化硅鍺、磷化砷鎵或磷化銦鎵)制成。掩模層102是光刻膠層。掩模層102通過(guò)光刻工藝圖案化以在襯底100上形成多個(gè)部件和由部件限定的多個(gè)開(kāi)口。根據(jù)預(yù)設(shè)的集成電路圖案形成掩模層102的圖案。光刻工藝可包括光刻膠涂覆、曝光、曝光后烘烤和顯像。
[0032]參照?qǐng)D2，被掩模層102暴露的襯底100的一部分摻雜有P型摻雜物或N型摻雜物以形成P阱或N阱。在一些實(shí)施例中，襯底100的一部分摻雜有N型摻雜物，諸如，P、As、S1、Ge、C、0、S、Se、Te或Sb以在襯底100中形成N阱110。例如通過(guò)離子注入在襯底100中摻入N型摻雜物。離子注入中使用的離子的能量以及襯底100的離子種類(lèi)和組分確定離子在襯底100中的穿透深度。在圖3所示的步驟之后去除掩模層102。
[0033]參照?qǐng)D4，掩模層104形成在襯底100上，并且通過(guò)光刻工藝圖案化掩模層104以在襯底100上形成各部件和由各部件限定的開(kāi)口。圖案化的掩模層104