本發(fā)明的實施例涉及半導體結(jié)構(gòu)及其形成方法。

背景技術(shù)：

半導體器件用于諸如個人電腦、手機、數(shù)碼相機和其它電子設(shè)備的各種電子應用中。通常通過在半導體襯底上方依次沉積絕緣或介電層、導電層和半導體材料層以及使用光刻圖案化各個材料層以在各個材料層上形成電路組件和元件來制造半導體器件。

用于增加半導體結(jié)構(gòu)性能的一個重要驅(qū)動是更高水平的集成電路。這通過縮小或收縮給定芯片上的器件尺寸來實現(xiàn)。例如，晶體管中的柵極結(jié)構(gòu)的尺寸已經(jīng)持續(xù)地按比例縮小。然而，雖然現(xiàn)有的晶體管制造工藝對于它們的預期目的通常已經(jīng)足夠，但是隨著器件持續(xù)按比例縮小，它們不是在所有方面都已完全令人滿意。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供了一種半導體結(jié)構(gòu)，包括：襯底；納米線結(jié)構(gòu)，形成在所述襯底上方，其中，所述納米線結(jié)構(gòu)包括第一部分、第二部分和第三部分；柵極結(jié)構(gòu)，形成在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第三部分周圍；源極區(qū)域，形成在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第一部分中，其中，所述納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)的長度長于所述柵極結(jié)構(gòu)的長度并且沒有與所述源極區(qū)域接觸。

本發(fā)明的另一實施例提供了一種半導體結(jié)構(gòu)，包括：襯底；納米線結(jié)構(gòu)，形成在所述襯底上方，其中，所述納米線結(jié)構(gòu)包括第一部分、第二部分、第三部分、第四部分和第五部分；柵極結(jié)構(gòu)，形成在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第三部分周圍；源極區(qū)域，形成在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第一部分中；以及漏極區(qū)域，形成在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第五部分中，其中，耗盡區(qū)在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第二部分、所述第三部分和所述第四部分中延伸，從而使得所述耗盡區(qū)的長度大于所述柵極結(jié)構(gòu)的長度，并且在所述半導體結(jié)構(gòu)的“關(guān)閉”狀態(tài)下，所述耗盡區(qū)沒有與所述源極區(qū)域和所述漏極區(qū)域接觸。

本發(fā)明的又一實施例提供了一種用于形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，包括：在襯底上方形成納米線結(jié)構(gòu)；在所述納米線結(jié)構(gòu)的部分周圍形成柵極結(jié)構(gòu)；在所述柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成間隔件；以及在鄰近于所述間隔件的所述納米線結(jié)構(gòu)的部分中形成源極區(qū)域，其中，當所述半導體結(jié)構(gòu)在“關(guān)閉”狀態(tài)時，所述納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)延伸至所述間隔件下方的部分。

附圖說明

當結(jié)合附圖進行閱讀時，從以下詳細描述可最佳理解本發(fā)明的各個方面。應該指出，根據(jù)工業(yè)中的標準實踐，各個部件未按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各個部件的尺寸可以任意地增大或減小。

圖1a是根據(jù)一些實施例的半導體結(jié)構(gòu)的立體表示。

圖1b是根據(jù)一些實施例的沿著圖1a中所示的a-a’線的半導體結(jié)構(gòu)的截面表示。

圖2a至圖2d是根據(jù)一些實施例的處于不同階段的半導體結(jié)構(gòu)的截面表示。

圖3a至圖3e示出了根據(jù)一些實施例的納米線結(jié)構(gòu)的每部分中的可能的摻雜濃度。

圖4a至圖4h是根據(jù)一些實施例的形成半導體結(jié)構(gòu)200的各個階段的截面表示。

具體實施方式

以下公開內(nèi)容提供了許多用于實現(xiàn)本發(fā)明的不同特征的不同實施例或?qū)嵗?。下面描述了組件和布置的具體實例以簡化本發(fā)明。當然，這些僅僅是實例，而不旨在限制本發(fā)明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸形成的實施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外的部件，從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實例。此外，本發(fā)明可在各個實施例中重復參考標號和/或字符。該重復是為了簡單和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各個實施例和/或配置之間的關(guān)系。

而且，為便于描述，在此可以使用諸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空間相對術(shù)語，以描述如圖所示的一個元件或部件與另一個(或另一些)原件或部件的關(guān)系。除了圖中所示的方位外，空間相對術(shù)語旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。裝置可以以其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位上)，而本文使用的空間相對描述符可以同樣地作出相應的解釋。

根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，提供了半導體結(jié)構(gòu)及其形成方法的實施例。該半導體結(jié)構(gòu)可以包括納米線結(jié)構(gòu)、在納米線結(jié)構(gòu)周圍形成的柵極結(jié)構(gòu)和在納米線結(jié)構(gòu)的兩端中形成的源極/漏極區(qū)域。此外，源極/漏極區(qū)域和柵極結(jié)構(gòu)之間的距離相對較長，以使由柵極結(jié)構(gòu)引起的耗盡區(qū)可以延伸的長度長于柵極結(jié)構(gòu)的長度。因此，該半導體結(jié)構(gòu)可以具有可變的溝道長度。

圖1a是根據(jù)一些實施例的半導體結(jié)構(gòu)100的立體表示。半導體結(jié)構(gòu)100包括納米線結(jié)構(gòu)101，并且納米線結(jié)構(gòu)包括第一部分103、第二部分105、第三部分107、第四部分109和第五部分111。

在一些實施例中，納米線結(jié)構(gòu)101由si、ge、sige、iii-v半導體材料、鉍基半導體材料等。在一些實施例中，第一部分103、第二部分105、第三部分107、第四部分109和第五部分111用相同類型的摻雜劑(諸如n-型摻雜劑或p-型摻雜劑)摻雜。每部分中的摻雜濃度可以相同或不同(之后將描述其細節(jié))。

如圖1a所示，第三部分107位于納米線結(jié)構(gòu)101的中心處，并且第一部分103和第五部分111位于納米線結(jié)構(gòu)101的兩端處。此外，納米線結(jié)構(gòu)101的第一部分103和第三部分107由第二部分105分隔開，并且第五部分111和第三部分107由第四部分109分隔開。

在納米線結(jié)構(gòu)101的第三部分107周圍形成柵極結(jié)構(gòu)113。此外，在第一區(qū)域103中形成源極區(qū)域115并且在第五區(qū)域111中形成漏極區(qū)域117。也就是說，源極區(qū)域115和柵極結(jié)構(gòu)113由第二部分105分隔開，并且漏極結(jié)構(gòu)117和柵極結(jié)構(gòu)113由第四部分109分隔開。

在一些實施例中，源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117用相同類型的摻雜劑(摻雜在納米線結(jié)構(gòu)101中的)摻雜。此外，源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117中的摻雜濃度大于納米線結(jié)構(gòu)101的第二部分105、第三部分107和第四部分109中的摻雜濃度。在一些實施例中，柵極結(jié)構(gòu)113包括柵極介電層和在柵極介電層上方形成的金屬柵極堆疊件。在一些實施例中，柵極介電層由金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硅酸鹽、過渡金屬氧化物、過渡金屬氮化物、過渡金屬硅酸鹽、金屬氮氧化物、金屬鋁酸鹽或其它高k介電材料制成。高k介電材料的實例可以包括，但是不限于氧化鉿(hfo2)、氧化鉿硅(hfsio)、氮氧化鉿硅(hfsion)、氧化鉿鉭(hftao)、氧化鉿鈦(hftio)、氧化鉿鋯(hfzro)、硅酸鋯、鋁酸鋯、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁或二氧化鉿-氧化鋁(hfo2-al2o3)合金。

在一些實施例中，柵極堆疊件包括功函金屬層和柵電極層。功函金屬層可以是定制的以具有適當?shù)墓＠?，如果期望的是用于pmos器件的p-型功函金屬(p-金屬)，則可以使用pt、ta、re、n⁺多晶硅、tin、wn或w。另一方面，如果期望的是用于nmos器件的n-型功函金屬(n-金屬)，則可以使用al、p⁺多晶硅、ti、v、cr、mn、tial、tialn、tan、tasin或tacn。

在一些實施例中，柵電極層由導電材料(諸如鋁、銅、鎢、鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、硅化鎳、硅化鈷、tac、tasin、tacn、tial、tialn或其它適用的材料)制成。在一些實施例中，柵極結(jié)構(gòu)113由多晶硅制成。

應該注意，雖然從側(cè)面看時，圖1a中所示的納米線結(jié)構(gòu)101是圓形，但是納米線結(jié)構(gòu)101的形狀不限于此。例如，在一些其它實例中，從側(cè)面看時，納米線結(jié)構(gòu)可以是矩形。

圖1b是根據(jù)一些實施例的沿著圖1a中所示的a-a’線的半導體結(jié)構(gòu)100的截面表示。

如圖1b所示，納米線結(jié)構(gòu)101可以分成第一部分103、第二部分105、第三部分107、第四部分109和第五部分111，并且它們可以分別具有第一長度l1、第二長度l2、第三長度l3、第四長度l4和第五長度l5。應該注意，為了更好的理解本發(fā)明的理念，在納米線結(jié)構(gòu)101的每部分之間繪制了虛線。也就是說，在每部分之間沒有真實的界面。

如圖1b所示，源極區(qū)域115形成在納米線結(jié)構(gòu)101的第一部分103中并且沒有延伸至第二部分105。因此，源極區(qū)域115的長度基本等于第一部分103的第一長度l1。此外，漏極區(qū)域117形成在納米線結(jié)構(gòu)101的第五部分111中并且沒有延伸至第四部分109。因此，根據(jù)一些實施例，漏極區(qū)域117的長度基本等于第五部分111的第五長度l5。

此外，柵極結(jié)構(gòu)113形成在第三部分107周圍并且沒有延伸在第二部分105或第四部分109上方。因此，柵極結(jié)構(gòu)113的長度基本等于第三部分107的第三長度l3。以上描述的長度可以是沿著納米線結(jié)構(gòu)101的長邊測量的。例如，柵極結(jié)構(gòu)113的長度(例如，第三長度l3)、第二長度l2和源極區(qū)域115的長度(例如，第一長度l1)都全部沿著相同的方向測量。

在一些實施例中，第二長度l2和柵極結(jié)構(gòu)113的長度(例如，第三長度l3)的比率大于約0.2。在一些實施例中，第二長度l2和柵極結(jié)構(gòu)113的長度(例如，第三長度l3)的比率在從約0.1至約1的范圍內(nèi)。在一些實施例中，第二長度l2和柵極結(jié)構(gòu)113的長度(例如，第三長度l3)的比率在從約0.3至約1的范圍內(nèi)。納米線結(jié)構(gòu)101的第二部分105的第二長度l2應該足夠大，使得off狀態(tài)下的晶體管的有效柵極長度可以大于晶體管的物理柵極長度(之后將描述其細節(jié))。

類似地，第四長度l4和柵極結(jié)構(gòu)113的長度(例如，第三長度l3)的比率大于約0.2。在一些實施例中，第四長度l4和柵極結(jié)構(gòu)113的長度(例如，第三長度l3)的比率在從約0.3至約1的范圍內(nèi)。納米線結(jié)構(gòu)101的第四部分109的第四長度l4應該足夠大，使得off狀態(tài)下的晶體管的有效柵極長度可以大于晶體管的物理柵極長度(之后將描述其細節(jié))。

如圖1b所示，源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117與在其上方形成柵極結(jié)構(gòu)113的第三部分107分隔開。因此，在納米線結(jié)構(gòu)101中存在用于擴大耗盡區(qū)的額外的間隔(即，第二部分105和第四部分109)。也就是說，納米線結(jié)構(gòu)101中的耗盡區(qū)不僅存在于柵極結(jié)構(gòu)113下方的第三部分107中并且也延伸至第二部分105和第四部分109(均未由柵極結(jié)構(gòu)113覆蓋)。相應地，耗盡區(qū)的長度可以大于柵極結(jié)構(gòu)113的物理長度(例如，第三長度l3)，從而使得半導體結(jié)構(gòu)100的有效柵極長度(即，有效溝道長度)大于它的物理柵極長度(例如，第三長度l3)。

圖2a至圖2d是根據(jù)一些實施例的處于不同階段的半導體結(jié)構(gòu)100a至100d的截面表示。圖2a至圖2d中所示的半導體結(jié)構(gòu)可以與先前描述的半導體結(jié)構(gòu)100類似或相同，但是可以將不同的電壓施加至半導體結(jié)構(gòu)100a至100d。

更具體地，圖2a至圖2d示出了處于不同狀態(tài)的晶體管的納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)的可能的長度。在圖2a中，沒有電壓施加至柵極結(jié)構(gòu)113。也就是說，晶體管關(guān)閉(處于它的“關(guān)閉”狀態(tài))。如圖2a所示，根據(jù)一些實施例，在“關(guān)閉”狀態(tài)時(例如，當晶體管關(guān)閉時)，納米線結(jié)構(gòu)101耗盡電子(例如，摻雜劑)以形成耗盡區(qū)202a。

如先前描述的，第二部分105位于源極區(qū)域115和在其上形成柵極結(jié)構(gòu)113的第三部分107之間。相應地，耗盡區(qū)202a可以延伸至第二部分105而沒有與源極區(qū)域115接觸。如圖2a所示，即使在晶體管的“關(guān)閉”狀態(tài)下，源極區(qū)域115和耗盡區(qū)202a由部分第二部分105分隔開，從而使得耗盡區(qū)202a沒有延伸至源極區(qū)域115。

在一些實施例中，耗盡區(qū)202a的邊緣更接近源極區(qū)域115并且源極區(qū)域115的邊緣更接近耗盡區(qū)202a，并且兩個邊緣彼此分隔開。在一些實施例中，位于耗盡區(qū)202a的邊緣和源極區(qū)域115的邊緣之間的距離大于零(諸如大于約1納米或更多)。

類似地，第四部分109位于漏極區(qū)域117和在其上形成柵極結(jié)構(gòu)113的第三部分107之間。相應地，耗盡區(qū)202a可以延伸至第四部分109而沒有與漏極區(qū)域117接觸。如圖2a所示，即使在晶體管的“關(guān)閉”狀態(tài)下，耗盡區(qū)202a也沒有延伸至漏極區(qū)域117。

相應地，當?shù)谝浑妷簐1施加至柵極結(jié)構(gòu)113時(例如，晶體管的“關(guān)閉”狀態(tài)下)，耗盡區(qū)202a具有長度l6(大于柵極結(jié)構(gòu)113的物理長度(例如，第三長度l3))。在一些實施例中，長度l6和長度l3的比率大于約1.05。在一些實施例中，長度l6和長度l3的比率在從約1.1至約2的范圍內(nèi)。在一些實施例中，第一電壓v1等于0v。

此外，根據(jù)一些實施例，延伸在鄰近于漏極區(qū)域117的第四部分109中的部分耗盡區(qū)202a的長度大于延伸在鄰近于源極區(qū)域115的第二部分105中的部分耗盡區(qū)202a的長度。在一些實施例中，第四部分109的第四長度l4大于第二部分105的第二長度l2。

在圖2b中，根據(jù)一些實施例，將第二電壓v2施加至柵極結(jié)構(gòu)113。如圖2b所示，隨著第二電壓v2的施加，耗盡區(qū)的大小收縮。更具體地，當從v1至v2的電壓施加至柵極結(jié)構(gòu)113時，耗盡區(qū)202a的大小收縮以形成更小的耗盡區(qū)202b。

在一些實施例中，當?shù)诙妷簐2施加至柵極結(jié)構(gòu)113時，耗盡區(qū)202b具有長度l7。如圖2b所示，當?shù)诙妷簐2施加至柵極結(jié)構(gòu)113時，雖然長度l7小于圖2a中所示的長度l6，但是耗盡區(qū)202b的長度l7仍大于柵極結(jié)構(gòu)113的物理長度。在一些實施例中，第二電壓v2大于約0.4v。

如先前描述的，靠近源極區(qū)域115和靠近漏極區(qū)域117的耗盡區(qū)202b的大小可以不同。如圖2b所示，耗盡區(qū)202b沒有延伸至靠近源極區(qū)域115的第二部分105但是仍延伸至靠近漏極區(qū)域117的第四部分109。

在圖2c中，根據(jù)一些實施例，將第三電壓v3(大于第二電壓v2)施加至柵極結(jié)構(gòu)113。當施加至柵極結(jié)構(gòu)113的電壓從第二電壓v2增加至第三電壓v3時，耗盡區(qū)202b收縮以形成更小的耗盡區(qū)202c。

在一些實施例中，當?shù)谌妷簐3施加至柵極結(jié)構(gòu)113時，耗盡區(qū)202c具有長度l8。如圖2c所示，當施加第三電壓v3時，耗盡區(qū)202c的長度l8小于柵極結(jié)構(gòu)113的物理長度。在一些實施例中，第三電壓v3大于約0.5v。此外，如圖2c所示，當?shù)谌妷簐3施加至柵極結(jié)構(gòu)113時，僅部分第三部分107耗盡電子。

在圖2d中，根據(jù)一些實施例，將第四電壓v4(大于第三電壓v3)施加至柵極結(jié)構(gòu)113。如圖2d所示，當?shù)谒碾妷簐4施加至柵極結(jié)構(gòu)113時，在納米線結(jié)構(gòu)101中可能沒有耗盡區(qū)。也就是說，載流子能夠通過納米線結(jié)構(gòu)101的第二部分105、第三部分107和第四部分109在源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117之間傳送，并且晶體管打開(例如，在它的“打開”狀態(tài)下)。

如圖2a至圖2d所示，留下靠近源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117的額外的間隔(例如，第二部分105和第四部分109)。因此，耗盡區(qū)(諸如耗盡區(qū)202a)可以延伸至額外的間隔而沒有接觸源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117。在一些實施例中，隨著將不同量的電壓施加至晶體管，耗盡區(qū)改變了它的大小(如圖2a至圖2d所示)，但是在所有時間和所有狀態(tài)下(包括“打開”狀態(tài)和“關(guān)閉”狀態(tài))，耗盡區(qū)都沒有與源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117接觸。

此外，當施加至柵極結(jié)構(gòu)113的電壓改變時，耗盡區(qū)的大小不僅可以改變而且甚至擴大。因此，晶體管的有效柵極長度(即，有效溝道長度)可以大于柵極結(jié)構(gòu)113的物理長度。在一些實施例中，有效柵極長度和物理柵極長度之間的長度的不同應該足夠大以具有有意義的柵極長度改變。例如，通過具有足夠大的柵極長度改變，該晶體管可以具有接近于60mv/decade的亞閾值斜率。相應地，可以改進晶體管的性能。

應該注意，雖然在圖2d中沒有示出耗盡區(qū)，但是在一些其它實施例中，在晶體管的“打開”狀態(tài)下，在納米線結(jié)構(gòu)中仍可能有耗盡區(qū)的小區(qū)域。

此外，根據(jù)它的摻雜類型、摻雜濃度、用于形成納米線結(jié)構(gòu)的材料和/或柵極結(jié)構(gòu)的物理長度，納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)的大小可以不同。然而，只要位于源極區(qū)域(和/或漏極區(qū)域)和在其上形成柵極結(jié)構(gòu)的部分之間的額外的間隔(用于耗盡區(qū)擴大它的大小)足夠大，就可以改進晶體管的性能。

以上描述的耗盡區(qū)(諸如耗盡區(qū)202和202a至202d)可以限定為移動電荷載流子擴散開的納米線結(jié)構(gòu)中的區(qū)域。因此，耗盡區(qū)處的電子濃度小于最初已經(jīng)摻雜的摻雜濃度。

圖3a至圖3e示出了根據(jù)一些實施例的一些納米線結(jié)構(gòu)的每部分中的可能的摻雜濃度。圖3a至圖3e中所示的納米線結(jié)構(gòu)可以與先前描述的納米線結(jié)構(gòu)101類似或相同。例如，該納米線結(jié)構(gòu)也可以具有第一部分103、第二部分105、第三部分107、第四部分109和第五部分111。此外，在第一區(qū)域103中形成源極區(qū)域115并且在第五區(qū)域111中形成漏極區(qū)域117。如圖3a至圖3e所示，源極區(qū)域115(例如，第一部分103)、第二部分105、第三部分107、第四部分109和漏極區(qū)域117(例如，第五部分111)用相同類型的摻雜劑摻雜但是每部分中注入的摻雜濃度可以不同。

如圖3a所示，根據(jù)一些實施例，源極區(qū)域115(即，第一部分103)和漏極區(qū)域117(即，第五部分111)用基本相同的摻雜濃度c1(相對較高)摻雜。此外，第二部分105、第三部分107和第四部分109用基本相同的摻雜濃度c2(小于摻雜在源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117中的摻雜濃度c1)摻雜。

在一些實施例中，摻雜濃度c1在從約1e20至約5e21的范圍內(nèi)。在一些實施例中，摻雜濃度c2在從約1e19至約6e19的范圍內(nèi)。

圖3b示出了根據(jù)一些實施例的摻雜納米線結(jié)構(gòu)的另一可能的方式。類似于圖3a，根據(jù)一些實施例，源極區(qū)域115(即，第一部分103)和漏極區(qū)域117(即，第五部分111)用相對較高的摻雜濃度c1摻雜。此外，第三部分107用摻雜濃度c2(小于摻雜在源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117中的摻雜濃度c1)摻雜。此外，在第二部分105和第四部分109中，摻雜劑以梯度濃度摻雜，從而使得第二部分105和第四部分109中的摻雜濃度從源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117中的摻雜濃度c1逐漸減小至第三部分107中的摻雜濃度c2。

圖3c示出了根據(jù)一些實施例的摻雜納米線結(jié)構(gòu)的另一可能的方式。類似于以上描述的，根據(jù)一些實施例，源極區(qū)域115(即，第一部分103)和漏極區(qū)域117(即，第五部分111)用相對較高的摻雜濃度c1摻雜。

此外，第三部分107用摻雜濃度c2(小于摻雜在源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117中的摻雜濃度)摻雜。此外，在第二部分105和第四部分109用摻雜濃度c3(低于摻雜在源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117中的摻雜濃度c1，但是高于摻雜在第三部分107中的摻雜濃度c2)摻雜。

圖3d示出了根據(jù)一些實施例的摻雜納米線結(jié)構(gòu)的另一可能的方式。除了納米線結(jié)構(gòu)101的每部分之間所示的梯度摻雜濃度之外，圖3d中所示的摻雜濃度與圖3c中所示的摻雜濃度類似。

圖3e示出了根據(jù)一些實施例的摻雜納米線結(jié)構(gòu)的另一可能的方式。圖3e中所示的摻雜濃度與圖3b中所示的摻雜濃度類似。然而，第二部分105以第二部分105中的濃度從鄰近于源極區(qū)域115的邊緣逐漸減小至鄰近于第三部分107的邊緣的方式摻雜。類似地，第四部分109以第四部分109中的濃度從鄰近于漏極區(qū)域117的邊緣逐漸減小至鄰近于第三部分107的邊緣的方式摻雜。

可以通過各種制造工藝形成先前描述的半導體結(jié)構(gòu)以具有可以使有效溝道長度擴大的額外的間隔。圖4a至圖4h是根據(jù)一些實施例的形成半導體結(jié)構(gòu)200的各個階段的截面表示。

如圖4a所示，根據(jù)一些實施例，提供襯底402。在一些實施例中，襯底402是硅襯底。在一些實施例中，襯底402是絕緣體上硅(soi)襯底。

如圖4a所示，根據(jù)一些實施例，在襯底402上方形成氧化物層404、犧牲層406、半導體層408。在一些實施例中，氧化物層404由氧化硅、二氧化硅等制成。在一些實施例中，犧牲層406由sige、inp等制成。在一些實施例中，半導體層408由si、sige、ge、sic、ingaas等制成。在一些實施例中，犧牲層406和半導體層408都由半導體材料制成并且由不同的半導體材料制成。在一些實施例中，半導體層408用n-型摻雜劑或p-型摻雜劑摻雜。

之后，如圖4b所示，根據(jù)一些實施例，形成鰭結(jié)構(gòu)410?？梢酝ㄟ^圖案化半導體層408、犧牲層406和氧化物層404形成鰭結(jié)構(gòu)410。鰭結(jié)構(gòu)410可以包括納米線結(jié)構(gòu)101’(與先前描述的納米線結(jié)構(gòu)101類似)。

如圖4c所示，根據(jù)一些實施例，在形成鰭結(jié)構(gòu)410之后，在襯底402上方形成淺溝槽隔離(sti)結(jié)構(gòu)412?？梢栽邛捊Y(jié)構(gòu)410周圍形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)412。在一些實施例中，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)412由氧化硅制成。

如圖4d所示，根據(jù)一些實施例，在形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)412之后，在襯底402上方形成橫跨鰭結(jié)構(gòu)410的偽柵極結(jié)構(gòu)414。在一些實施例中，偽柵極結(jié)構(gòu)414由多晶硅制成。

根據(jù)一些實施例，在偽柵極結(jié)構(gòu)414的側(cè)壁上形成第一間隔件416和第二間隔件418。在一些實施例中，第一間隔件416和第二間隔件418由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅或其它適用的介電材料制成。

如圖4d所示，根據(jù)一些實施例，在納米線結(jié)構(gòu)101’的兩端處形成源極區(qū)域115’和漏極區(qū)域117’。源極區(qū)域115’可以與先前描述的源極區(qū)域115類似或相同，并且漏極區(qū)域117’可以與先前描述的漏極區(qū)域117類似或相同。例如，源極區(qū)域115’和漏極區(qū)域117’用相同類型的摻雜劑(摻雜在納米線結(jié)構(gòu)101’中的)摻雜，但是源極區(qū)域115’和漏極區(qū)域117’的摻雜濃度高于最初摻雜在納米線結(jié)構(gòu)101’中的摻雜濃度。

如圖4d所示，源極區(qū)域115’具有第一長度l1’(可以與先前描述的第一長度l1相同)。形成為鄰近于源極區(qū)域115’的第一間隔件416具有第二長度l2’(可以與先前描述的第二長度l2相同)。偽柵極結(jié)構(gòu)414具有第三長度l3’(可以與先前描述的第三長度l3相同)。形成為鄰近于漏極區(qū)域117’的第二間隔件418具有第四長度l4’(可以與先前描述的第四長度l4相同)。漏極區(qū)域117’具有第五長度l5’(可以與先前描述的第五長度l5相同)。第二長度l2’和第四長度l4’相對較大(諸如大于柵極結(jié)構(gòu)113’的第三長度l3’的0.5倍)，從而為耗盡區(qū)提供了在其中延伸的額外的間隔。

如圖4e所示，根據(jù)一些實施例，在形成源極區(qū)域115’和漏極區(qū)域117’之后，形成材料層422。在一些實施例中，材料層422是si或sige或ge的外延生長(用于生長源極和漏極接觸區(qū)域)。在一些實施例中，sip外延用于n-溝道晶體管，并且sigeb外延用于p-溝道晶體管。

如圖4e所示，根據(jù)一些實施例，下一步，對材料層422實施拋光工藝以暴露偽柵極結(jié)構(gòu)414的頂面。在一些實施例中，通過化學機械拋光(cmp)工藝平坦化材料層422直至暴露偽柵極結(jié)構(gòu)414的頂面。

如圖4f所示，根據(jù)一些實施例，在實施拋光工藝之后，去除偽柵極結(jié)構(gòu)414以形成溝槽424。如圖4f所示，在去除偽柵極結(jié)構(gòu)414之后，納米線結(jié)構(gòu)101’的部分107’和部分犧牲層406暴露在溝槽424中。納米線結(jié)構(gòu)101’的部分107’可以與先前描述的第三部分107類似或相同。

如圖4g所示，根據(jù)一些實施例，下一步，去除在溝槽424中暴露的部分犧牲層406。在一些實施例中，通過濕蝕刻工藝去除部分犧牲層406。

如圖4h所示，根據(jù)一些實施例，在去除犧牲層406之后，在溝槽424中形成金屬柵極結(jié)構(gòu)113’。金屬柵極結(jié)構(gòu)113’可以與先前描述的柵極結(jié)構(gòu)113類似或相同。在一些實施例中，在納米線結(jié)構(gòu)101’的部分107’周圍形成金屬柵極結(jié)構(gòu)113’。

在一些實施例中，金屬柵極結(jié)構(gòu)113’包括柵極介電層426、功函金屬層428和金屬柵電極430。在一些實施例中，柵極介電層426由金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硅酸鹽、過渡金屬氧化物、過渡金屬氮化物、過渡金屬硅酸鹽、金屬氮氧化物、金屬鋁酸鹽或其它高k介電材料制成。高k介電材料的實例可以包括，但是不限于氧化鉿(hfo2)、氧化鉿硅(hfsio)、氮氧化鉿硅(hfsion)、氧化鉿鉭(hftao)、氧化鉿鈦(hftio)、氧化鉿鋯(hfzro)、硅酸鋯、鋁酸鋯、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁或二氧化鉿-氧化鋁(hfo2-al2o3)合金。

根據(jù)一些實施例，在柵極介電層426上方形成功函金屬層428。功函金屬層428可以是定制的以具有適當?shù)墓?。例如，如果期望的是用于pmos器件的p-型功函金屬(p-金屬)，則可以使用pt、ta、re、n⁺多晶硅、tin、wn或w。另一方面，如果期望的是用于nmos器件的n-型功函金屬(n-金屬)，則可以使用al、p⁺多晶硅、ti、v、cr、mn、tial、tialn、tan、tasin或tacn。

在一些實施例中，在功函金屬層428上方形成金屬柵電極層430。在一些實施例中，金屬柵電極層430由導電材料(諸如鋁、銅、鎢、鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、硅化鎳、硅化鈷、tac、tasin、tacn、tial、tialn或其它適用的材料)制成。可以通過任何適用的工藝形成任何適用的厚度的柵極介電層426、功函金屬層428和金屬柵電極層430。

應該指出，可以在柵極介電層426、功函金屬層428和金屬柵電極層430之上和/或之下形成額外的層，諸如襯墊層、界面層、晶種層、粘合層、阻擋層等。此外，柵極介電層426、功函金屬層428和金屬柵電極層430可以包括一種或多種材料和/或一層或多層。

在一些實施例中，半導體結(jié)構(gòu)200是納米線晶體管。在一些實施例中，半導體襯底200是無結(jié)納米線晶體管。如先前描述的，第一間隔件416和第二間隔件418相對較厚，使得位于第一間隔件416和第二間隔件418下方的部分可以用作額外的間隔(例如，如圖1b所示的第二部分105和第四部分109)。相應地，半導體結(jié)構(gòu)200中的納米線結(jié)構(gòu)101’中的耗盡區(qū)(例如，如圖2a所示的耗盡區(qū)202a)可以延伸至額外的間隔以具有大于柵極結(jié)構(gòu)113’的物理柵極長度的有效柵極長度。半導體結(jié)構(gòu)200的細節(jié)(諸如耗盡區(qū)、有效柵極長度和摻雜濃度)與圖1a至圖3e描述的這些類似或相同并且不在此處重復。

一般地，由于短溝道效應，晶體管中的柵極結(jié)構(gòu)不能太小。然而，在本發(fā)明的一些實施例中，如圖2a至圖2d所示，晶體管可以具有可變柵極長度，并且有效柵極長度可以大于柵極結(jié)構(gòu)(例如，柵極結(jié)構(gòu)113)的物理柵極長度。因此，具有相對較小的物理柵極長度的晶體管仍可以具有良好的性能。

更具體地，在本發(fā)明的一些實施例中，形成具有靠近源極/漏極區(qū)域(例如，源極區(qū)域115和漏極區(qū)域117)的額外的間隔(例如，第二部分105和第四部分109)的無結(jié)納米線結(jié)構(gòu)(例如，納米線結(jié)構(gòu)101)。在處于晶體管的“關(guān)閉”狀態(tài)時，耗盡區(qū)(例如，耗盡區(qū)202a)可以延伸至額外的間隔，使得有效柵極長度(例如，有效溝道長度)可以大于柵極結(jié)構(gòu)(例如，柵極結(jié)構(gòu)113)的物理長度。

在處于晶體管的“關(guān)閉”狀態(tài)時，根據(jù)摻雜類型、摻雜濃度、納米線結(jié)構(gòu)的材料和柵極結(jié)構(gòu)的長度，耗盡區(qū)的長度可以不同。然而，有效柵極長度和物理柵極長度之間的長度的不同應該足夠大以具有有意義的柵極長度改變。例如，通過具有足夠大的柵極長度改變，該晶體管可以具有接近于60mv/decade的亞閾值斜率。在一些實施例中，在所有時間和所有狀態(tài)下(例如，包括“打開”狀態(tài)和“關(guān)閉”狀態(tài))，耗盡區(qū)都沒有與源極/漏極區(qū)域接觸，使得有效柵極長度和物理柵極長度之間的長度的不同可以足夠大。

此外，由于晶體管的有效柵極長度大于物理柵極長度，因此晶體管在“打開”狀態(tài)和“關(guān)閉”狀態(tài)之間可以具有更高的電流比率。在一些實施例中，ion和ioff的比率在從約1e5至約1e8的范圍內(nèi)。相應地，以上描述的具有額外的間隔的納米線結(jié)構(gòu)可以用于超低功率操作中而仍具有很好的性能。

提供了半導體結(jié)構(gòu)及其形成方法的實施例。該半導體結(jié)構(gòu)包括納米線結(jié)構(gòu)、在部分納米線結(jié)構(gòu)周圍形成的柵極結(jié)構(gòu)以及在納米線結(jié)構(gòu)的一端處形成的源極區(qū)域。此外，在源極區(qū)域和其上形成柵極結(jié)構(gòu)的部分之間留下額外的間隔。因此，納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)可以延伸至額外的間隔，從而使得半導體結(jié)構(gòu)的有效柵極長度可以大于物理柵極長度。相應地，可以改進半導體結(jié)構(gòu)的性能。

在一些實施例中，提供了半導體結(jié)構(gòu)。該半導體結(jié)構(gòu)包括襯底和在襯底上方形成的納米線結(jié)構(gòu)。此外，納米線結(jié)構(gòu)包括第一部分、第二部分和第三部分。半導體結(jié)構(gòu)還包括在納米線結(jié)構(gòu)的第三部分周圍形成的柵極結(jié)構(gòu)和在納米線結(jié)構(gòu)的第一部分中形成的源極區(qū)域。此外，納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)的長度長于柵極結(jié)構(gòu)的長度并且沒有與源極區(qū)域接觸。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述耗盡區(qū)在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第三部分和所述第二部分中延伸并且沒有在所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第一部分中延伸。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述耗盡區(qū)的長度和所述柵極結(jié)構(gòu)的長度的比率大于1.05。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述耗盡區(qū)的長度和所述柵極結(jié)構(gòu)的長度的比率大于1.05，述納米線結(jié)構(gòu)的所述第二部分和所述第三部分中的摻雜濃度相同。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述第一部分和所述第三部分由所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第二部分分隔開，并且所述第二部分的長度不小于所述柵極結(jié)構(gòu)的長度的0.5倍。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述第二部分配置為足夠長以使所述耗盡區(qū)延伸至所述第二部分以使所述耗盡區(qū)的長度大于所述柵極結(jié)構(gòu)的長度而沒有與所述源極區(qū)域接觸。

在一些實施例中，提供了半導體結(jié)構(gòu)。該半導體結(jié)構(gòu)包括襯底和在襯底上方形成的納米線結(jié)構(gòu)。此外，納米線結(jié)構(gòu)包括第一部分、第二部分、第三部分、第四部分和第五部分。該半導體結(jié)構(gòu)還包括在納米線結(jié)構(gòu)的第三部分周圍形成的柵極結(jié)構(gòu)和在納米線結(jié)構(gòu)的第一部分中形成的源極區(qū)域。該半導體結(jié)構(gòu)還包括在納米線結(jié)構(gòu)的第五部分中形成的漏極區(qū)域。此外，耗盡區(qū)在納米線結(jié)構(gòu)的第二部分、第三部分和第四部分中延伸，從而使得耗盡區(qū)的長度大于柵極結(jié)構(gòu)的長度，并且在半導體結(jié)構(gòu)的“關(guān)閉”狀態(tài)下，位于柵極結(jié)構(gòu)下方的耗盡區(qū)沒有與源極區(qū)域和漏極區(qū)域接觸。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述柵極結(jié)構(gòu)的第三長度等于所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第三部分的長度。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述柵極結(jié)構(gòu)的第三長度等于所述納米線結(jié)構(gòu)的所述第三部分的長度，所述第二部分具有第二長度，并且所述第二長度和所述第三長度的比率在從0.1至1的范圍內(nèi)。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述第一部分、所述第二部分、所述第三部分、所述第四部分和所述第五部分用相同類型的摻雜劑摻雜。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述第一部分、所述第二部分、所述第三部分、所述第四部分和所述第五部分用相同類型的摻雜劑摻雜，所述第一部分具有第一摻雜濃度，所述第二部分、所述第三部分和所述第四部分具有第二摻雜濃度，并且所述第一摻雜濃度大于所述第二摻雜濃度。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述第二部分和所述第四部分配置為足夠長以使所述耗盡區(qū)延伸至所述第二部分和所述第四部分而沒有與所述源極區(qū)域和所述漏極區(qū)域接觸。

在上述半導體結(jié)構(gòu)中，其中，所述第二部分中的所述耗盡區(qū)的長度小于所述第四部分中的所述耗盡區(qū)的長度。

在一些實施例中，提供了用于制造半導體結(jié)構(gòu)的方法。用于制造半導體結(jié)構(gòu)的方法包括在襯底上方形成納米線結(jié)構(gòu)以及在部分納米線結(jié)構(gòu)周圍形成柵極結(jié)構(gòu)。用于制造半導體結(jié)構(gòu)的方法還包括在柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成間隔件以及在鄰近于間隔件的部分納米線結(jié)構(gòu)中形成源極區(qū)域。此外，當半導體結(jié)構(gòu)處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，納米線結(jié)構(gòu)中的耗盡區(qū)延伸至間隔件下方的部分。

在上述方法中，其中，當沒有電壓施加至所述柵極結(jié)構(gòu)時，所述耗盡區(qū)的長度不小于所述柵極結(jié)構(gòu)的長度的1.05倍。

在上述方法中，其中，所述耗盡區(qū)沒有與所述源極區(qū)域接觸。

在上述方法中，其中，當所述半導體結(jié)構(gòu)處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，所述耗盡區(qū)和所述源極區(qū)域由所述納米線結(jié)構(gòu)的部分分隔開。

在上述方法中，其中，所述間隔件的長度配置為足夠大以使所述耗盡區(qū)在位于所述間隔件下方的所述納米線結(jié)構(gòu)的部分下方延伸而沒有接觸所述源極區(qū)域。

在上述方法中，其中，當沒有電壓施加至所述柵極結(jié)構(gòu)時，所述耗盡區(qū)的長度不小于所述柵極結(jié)構(gòu)的長度的1.05倍，還包括：在位于所述柵極結(jié)構(gòu)和所述間隔件下方的所述納米線結(jié)構(gòu)的部分中注入第一類型的摻雜劑；以及在所述源極區(qū)域中注入所述第一類型的摻雜劑，其中，所述源極區(qū)域中的摻雜濃度大于位于所述柵極結(jié)構(gòu)和所述間隔件下方的所述納米線結(jié)構(gòu)的部分中的摻雜濃度。

上面概述了若干實施例的特征，使得本領(lǐng)域人員可以更好地理解本發(fā)明的方面。本領(lǐng)域人員應該理解，他們可以容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來設(shè)計或修改用于實施與本人所介紹實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)勢的其他工藝和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應該意識到，這種等同構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本文中他們可以做出多種變化、替換以及改變。