半導體器件及其溝道結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總的來說涉及半導體器件，并且尤其涉及包含二維層狀溝道材料的三維半導體器件。
【背景技術】
[0002]盡管實現了多種增強技術，但是目前的硅基晶體管的性能和可擴展性正在達到基本極限。正在考慮諸如Ge和II1-V族半導體的可選的半導體材料，但是這些相對昂貴的材料的超薄體性能可擴展性仍然是一個挑戰。

【發明內容】

[0003]本發明的實施例提供了一種半導體器件，包括:復合結構，包括:內芯桿，基本沿著所述半導體器件的溝道方向延伸；以及外部套管層，設置在所述內芯桿上，其中，所述內芯桿機械支撐所述半導體器件的溝道長度上的所述外部套管層。
[0004]本發明的另一實施例提供了一種半導體器件，包括:復合結構，包括內芯桿，基本沿著所述半導體器件的溝道方向延伸；和外部套管層，設置在所述內芯桿上，其中，所述內芯桿機械支撐所述半導體器件的溝道長度上的所述外部套管層；其中，所述外部套管層的中心部分橫越在所述半導體器件的所述溝道長度上，并且限定所述半導體器件的溝道區；其中，所述外部套管層的相對的一對端部分別限定所述半導體器件的源極區和漏極區。
[0005]本發明的又一實施例提供了一種半導體器件，包括:復合結構，包括內芯桿，基本沿著所述半導體器件的溝道方向延伸；和外部套管層，設置在所述內芯桿上，其中，所述內芯桿機械支撐所述半導體器件的溝道長度上的外部套管層；其中，所述外部套管層的縱向覆蓋范圍至少橫跨所述半導體器件的所述溝道長度延伸并且限定所述半導體器件的溝道區；以及全環柵結構，設置在所述溝道區處的所述外部套管層上。
【附圖說明】
[0006]當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發明的各方面。應該強調的是，根據工業中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚地討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
[0007]圖1A至圖1C示出了根據本發明的實施例的半導體器件的透視圖。
[0008]圖2A至圖2D示出了根據本發明的實施例的半導體器件的一部分的等軸視圖和截面圖。
[0009]圖3A至圖3B示出了根據本發明的實施例的半導體結構的一部分的等軸視圖和截面圖。
[0010]圖4A至圖4B示出了根據本發明的實施例的半導體結構的一部分的等軸視圖和截面圖。
[0011]圖5A至圖5B示出了根據本發明的多個實施例的半導體器件的一部分的等軸視圖。
[0012]圖6A至圖6D示出了根據本發明的多個實施例的半導體器件的一部分的等軸視圖。
[0013]圖7A至圖71示出了根據本發明的實施例的在多個制造階段中的半導體器件的一部分的等軸視圖和截面圖。
【具體實施方式】
[0014]以下公開內容提供了多種不同實施例或實例，用于實現所提供主題的不同特征。以下將描述組件和布置的特定實例以簡化本發明。當然，這些僅是實例并且不意欲限制本發明。例如，在以下描述中，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直接接觸的實施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之間的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實施例。另外，本發明可以在多個實例中重復參考符號和/或字符。這種重復是為了簡化和清楚的目的，并且其本身不表示所討論的各個實施例和/或配置之間的關系。
[0015]此外，為了便于描述，本文中可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空間關系術語以描述如圖所示的一個元件或部件與另一元件或部件的關系。除圖中所示的方位之外，空間關系術語意欲包括使用或操作過程中的器件的不同的方位。裝置可以以其他方式定位(旋轉90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空間關系描述符可同樣地作相應地解釋。
[0016]為了參考方向的簡化和準確，提供x-y-z參考坐標，其中通常在第一方向上沿著襯底表面定位X軸，通常沿著襯底表面垂直于X軸定位1軸，同時通常沿著關于襯底的平面垂直的方向定位Z軸(多數情況下，通過x-y平面定義)。
[0017]盡管實現了多種增強技術(諸如用于增強型靜電控制的新型器件架構、通過應變溝道(strained channels)使傳輸增強、改進的摻雜劑活化和寄生電阻減小)，但是目前的硅基晶體管的性能和可擴展性正在達到基本極限。正在考慮諸如Ge和II1-V族的可選的半導體材料，但是這些相對昂貴的材料的超薄體性能可擴展性仍然是一個挑戰。
[0018]相反地，2D過渡金屬硫族化合物“TMD”的單層或超薄層似乎具有突出的傳輸特性，TMD通常具有通式TX2，其中T通常表示來自元素周期表{IVB、VB、VIB}族的過渡金屬，并且X表示來自{S、Se、Te}族的一種元素。這些層狀材料展示出不同范圍的電氣特性，從塊狀材料的間接帶隙變化到薄層厚度材料的直接帶隙。TMD材料的獨特的特性已經顯示出應用在納米電子中的巨大潛能。
[0019]在結構上，層狀TMD可被認為是堆疊的二維X-T-X夾層。每一夾層內的鍵合都具有很強的共價鍵類型，以給夾層提供突出的層內強度，但是夾層間的鍵合具有較弱的范德華類型(van der ffaals type)。通常將層狀TMD的晶體結構描述為lT、2H、3R、4Ha、4Hb、6R相[1、2]。整數表示垂直于X-T-X層的每個晶胞(unit cell)的X_T_X層數，同時T、H和R分別表示三角形、六邊形、對稱菱面體。插層工藝(process of intercalat1n)在弱親合夾層之間引入外來原子或分子。插層不僅增加了層分離，而且提供了調整主體材料的電氣特性的有效方法。
[0020]另一方面，諸如硅、鍺和錫的某些元素的2-D膜表現得像在其邊緣處可能具有室溫超導特性的拓撲絕緣體。具體地，硅烯、鍺烯和錫烯分別是硅(Si)的2-D同素異形體、鍺(Ge)的2-D同素異形體和錫(Sn)的2-D同素異形體。拓撲絕緣體表現得像在其內部是絕緣體，然而在其邊界部分(如，塊狀物的表面或薄膜的邊緣)展示出導電特性，這意味著載流子只能沿著該材料的邊界部分移動。特別地，已經顯示出2-D錫(錫烯)表現得像在錫烯帶的邊緣處可能具有室溫超導特性的拓撲絕緣體。
[0021]由于插層式(intercalated)TMD、石墨和其他層狀結構的過渡金屬氮化物(TMD)的特殊結構和傳輸特性(尤其是超導性)，所以它們已經引起了廣泛關注。特別地，由于最近在石墨插層化合物(GIC’ s)YbC6、CaC6、CuxTiSejP錫稀中發現了超導性，所以引起了新的興趣。這種獨特的特性使2-D TMD和拓撲絕緣體材料成為用于場效應晶體管(“FET”)的有希望的候選。例如，由于這些2-D層狀材料的表面具有金屬性/導電性，所以源極/漏極摻雜工藝將不再像采用傳統的硅基材料的器件所要求的那樣有必要。而且，可以通過施加合適的柵極電壓來使由這些2-D層狀材料制成的導電溝道導通。
[0022]在薄膜的形成中，取決于膜厚度，一些拓撲絕緣體(諸如Sb2Te3(三碲化二銻)、Bi2Se3(三砸化二鉍)或Bi2Te3(三碲化二鉍))可以展示出金屬性或半導體性。可以通過薄膜厚度來控制帶隙的寬度。例如，這種材料的更薄的膜可以展示出半導體性質，而這種材料的更厚的膜展示出金屬特性。因此有可能制造具有更厚的源極和漏極以及更薄的溝道區的場效應晶體管，其中源極和漏極具有金屬性，并且溝道區是半導體。
[0023]圖1A至圖1C示出了根據本發明的實施例的半導體器件的透視圖。如本發明中所使用的，術語半導體器件通常指全環柵(GAA)晶體管，該GAA晶體管可以包括任何基于納米線的多柵極器件。其他的晶體管結構和類似的結構都在本發明所考慮的范圍內。GAA晶體管可以包括在微處理器、存儲器單元和/或其他集成電路(1C)中。
[0024]首先看器件100、10(Γ和100"，分別顯示出多溝道垂直全環柵(“VGAA”)器件、單溝道垂直全環柵器件和單溝道橫向全環柵(“HGAA”)器件的外觀。然而，與具有類似結構外觀的傳統的器件(通常依賴于由摻雜劑改性的半導體材料制成的梁結構(beamstructure)作為載流子溝道)相比，根據本發明的器件包括使用可具有增強的溝道性能的2-D層狀材料的復合結構。
[0025]圖1A示出了根據本發明的一個實施例的半導體器件100的透視圖。特別地，示例性器件100采用了多溝道VGAA架構的3-D結構布置。像這樣的垂直溝道器件組成了新的設計架構，其中關于晶圓/襯底的平面垂直地布置器件的源極區和漏極區。晶體管器件的溝道結構基本垂直延伸，以橋接在源極區與漏極區之間，并且限定垂直溝道的方向。由于將器件的源極區、溝道區和漏極區布置為關于襯底的平面垂直的堆疊件，所以垂直溝道構構提供了顯著減小的橫向輪廓。
[0026]示例性器件100包括襯底101a的表面上的一對復合結構102a，以作為器件的溝道結構，每一個復合結構都包括具有基本垂直延伸的圓柱形輪廓的內芯桿110a。在一些實施例中，例如，襯底101a是選擇性地包括Si和Ge材料的半導體塊狀襯底。在一些實施例中，襯底101a包括絕緣體上硅(SOI)結構、絕緣體上SiGe(SiGeOI)或絕緣體上Ge (GeOI)。在一些實施例中，襯底101a可以包括:化合物半導體，包括碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和銻化銦；合金半導體，包括 SiGe、SiGeSn、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP 和GalnAsP ;其他合適的材料；或它們的組合。
[0027]包括合適的2-D層狀溝道材料的外部套管層120a設置在內芯桿110a上，從而得到基本垂直延伸的復合結構102a。合適的2-D層狀溝道材料可以包括層狀過渡金屬硫族化合物(其具有通式TX2，其中Τ通常是來自元素周期表的IVB族