具有绝缘体的晶体管的制作方法

具有绝缘体的晶体管
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求于2020年3月7日提交给本专利受让人的美国非临时申请号16/812，292号，标题为“transistor with insulator”，，转让给本技术的受让人，并通过全文引用被明确地并入本文作为参考。
技术领域
3.本发明一般涉及晶体管，并且更具体地，但不限于在沟道之间具有绝缘体的晶体管。


背景技术：

4.基于晶体管的器件正变得越来越普遍，诸如互补金属氧化物半导体(cmos)晶体管、鳍式场效应晶体管(finfet)和纳米片(ns)栅极全环绕(gaa)晶体管，其推动了对更好和更小晶体管的需求。cmos晶体管正在从平面晶体管扩展到finfet，并正在迁移到纳米片gaa器件。随着制造技术按比例缩小到5nm节点，制造过程变得更加复杂，并且器件性能变得难以进一步提高。gaa晶体管在高k/金属栅极外具有金属填充，并且在某些情况下，金属填充可能是重要区域，特别是在各种纳米片厚度方案中。填充的金属还可以耦合到源极和漏极，以引起较大的寄生电容。这是一个问题，因为寄生电容将显著降低ac速度并且影响晶体管性能。
5.相应地，需要克服包括在此提供的方法、系统和装置的传统方法的缺陷的系统、装置和方法。


技术实现要素：

6.以下展示与本文所公开的装置和方法相关的一个或多个方面和/或示例相关的简化总结。因此，以下发明内容不应被视为与所有预期方面和/或示例相关的广泛概述，也不应被认为是标识与所有预期的方面和/或者示例相关的关键或关键元素，或者描述与任何特定方面和/或示例相关的范围。相应地，以下发明内容的唯一目的是在下面展示的详细描述之前，以简化的形式展示与本文公开的设备和方法的一个或多个方面和/或示例相关的某些概念。
7.在一个方面，晶体管包括：第一沟道，由第一金属包围；第二沟道，靠近第一沟道并与第一沟道间隔开，第二沟道由第二金属包围；栅极电介质，在第一沟道和第一金属之间以及在第二沟道和第二金属之间；第一绝缘体，在第一金属和第二金属之间；衬底上的栅极，栅极包封第一金属、第二金属和第一绝缘体；源极，在衬底上靠近栅极；以及漏极，在衬底上靠近栅极。
8.在另一方面，晶体管包括：第一沟道，由第一金属包围；第二沟道，靠近第一沟道并且与第一沟道间隔开，第二沟道由第二金属包围；栅极电介质，在第一沟道和第一金属之间并且在第二沟道和第二金属之间；用于在第一金属和第二金属之间绝缘的部件；衬底上的
栅极，栅极包封第一金属、第二金属和用于绝缘的部件；源极，在衬底上靠近栅极；以及漏极，在衬底上靠近栅极。
9.仍然在另一方面，制造晶体管的方法包括：提供衬底；在衬底上形成源极；在衬底上靠近源极形成漏极；形成由靠近衬底的第一金属包围的第一沟道；形成靠近第一沟道并且与第一沟道间隔开的第二沟道，第二沟道由第二金属包围；在第一沟道和第一金属之间并且在第二沟道和第二金属之间形成栅极电介质；在第一金属和第二金属之间形成第一绝缘体；以及在衬底上形成栅极，栅极包封第一金属、第二金属和第一绝缘体。
10.基于附图和详细描述，与本文所公开的装置和方法相关的其他特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
11.当结合附图考虑时，通过参考以下详细说明，可以更全面地理解本公开的各个方面及其许多附带优点，附图仅用于说明，而不是用于限制本公开，其中：
12.图1a-b图示根据本公开的一些示例的示例性晶体管；
13.图2a-d图示根据本公开的一些示例的用于制造晶体管的示例性部分方法；
14.图3a-g图示根据本公开的一些示例的用于制造晶体管的另一种示例性部分方法；
15.图4图示根据本公开的一些示例的示例性部分方法；
16.图5图示根据本公开的一些示例的示例性移动设备；以及
17.图6图示根据本公开的一些示例，可以与任何上述方法、器件、半导体器件、集成电路、管芯、内插器、封装或层叠封装(pop)集成的各种电子设备。
18.根据惯例，由附图描绘的特征可以不按比例绘制。因此，为了清楚起见，可以任意扩展或减小所描绘特征的尺寸。根据惯例，为了清晰起见，简化了一些附图。因此，附图可能没有描绘特定装置或方法的所有组件。此外，在整个说明书和附图中，相似的附图标记表示相似的特征。
具体实施方式
19.本文公开的示例性方法、装置和系统减轻传统方法、装置、系统的缺点以及其他先前未标识的需求。本文中的示例可包括在高k(即，大于3.9的二氧化硅介电常数)金属栅极外具有金属填充的gaa纳米片(ns)fet，该金属栅极可以耦合到源极(s)和漏极(d)并且诱导大寄生电容。本文中的示例通过在沟道之间的栅极金属填充区域中创建/插入气隙(air gap)或电介质来显著降低寄生电容。在一些示例中，这种新结构减少了有效金属填充面积，因此将栅极到s/d耦合寄生电容减少多达》50％，而不会对晶体管芯片或电路的其他部分产生负面影响，也不会产生显著的附加制造成本。
20.图1a-b说明了根据本公开的一些示例的示例性晶体管。如图1a所示，晶体管100(例如，gaa ns finfet)可以包括衬底110(例如，硅、硅锗或类似材料)、由第一金属130包围的第一沟道120、第一沟道120和第一金属130之间的第一栅极电介质121、由第二金属150包围的第二沟道140，第二沟道140和第二金属150之间的第二栅极电介质141，由第三金属170包围的第三沟道160，第三沟道160和第三金属170之间的第三栅极电介质161，以及衬底110上的栅极180。第一金属130、第二金属150和第三金属170可以包括高k材料，其中k是材料的
介电常数。例如，高k材料包括介电常数大于二氧化硅的介电常数的材料，二氧化硅具有3.9的k值。因此，第一金属130、第二金属150和第三金属170可以包括具有大于3.9的介电常数k的材料。第一栅极电介质121、第二栅极电质141，和第三栅极电介质161可以是栅极电介质层，其可以是高k层、sio2层、sion层或这些层的组合(即，sio2 高k)。如图1a所示，晶体管100可以包括第一沟道120和第二沟道140之间的第一绝缘体125，第二沟道140和第三沟道160之间的第二绝缘体145，以及第三沟道60和衬底110之间的第三绝缘体165。第一绝缘体125、第二绝缘体145，和第三绝缘体165可以是电介质材料，其通过用阻碍区域(即，沟道和s/d)之间的电容耦合的电介质替代沟道和晶体管的s/d区域之间的功函数金属来减少晶体管100相应沟道和源极190或漏极195之间的寄生电容105。可以看出，第一绝缘体125、第二绝缘体145和第三绝缘体165直接接触第一金属130、第二金属150和第三金属170中的一者，并且垂直位于沟道(或沟道和用于第三绝缘体165的衬底)之间。沟道(和第三沟道160的衬底)之间的该空间可以部分地或全部的填充有电介质(或气隙和/或电介质，如图1b中所示)，而不是用于栅极的功函数金属或类似材料。
21.图1b示出了一种替代方案。如图1b所示，晶体管100可以包括在第一沟道120和第二沟道140之间的第一绝缘体125，在第二沟道140和第三沟道160之间的第二绝缘体145，以及在第三沟道160和衬底110之间的第三绝缘体165。第一绝缘体125可以包括由第一电介质129包围的第一气隙127。第二绝缘体145可以包括由第二电介质149包围的第二气隙147。第三绝缘体165可以包括由第三电介质169包围的第三气隙167。通过用阻碍区域(即，沟道和s/d)之间的电容耦合的材料替换沟道和晶体管的s/d区域之间的功函数金属，减小晶体管100的相应沟道和源极或漏极之间的寄生电容的各气隙和电介质材料。
22.图2a-d图示了根据本公开的一些示例的用于制造晶体管的示例性部分方法。如图2a所示，部分方法可以从替换金属栅极(rmg)工艺开始，以形成包裹在各个沟道周围的高k金属(例如，当与沉积的氧化物材料接触并经受高温退火工艺时，经由氧空位传输氧的离子键)。如图所示，提供衬底210并形成第一沟道220，第二沟道240和第三沟道260。此外，在每个沟道周围形成高k金属氧化物(介电常数高于sio2，3.9)以产生第一金属230，第二金属250和第三金属270。此外，在每个沟道周围形成栅极电介质以产生第一栅极电介质221、第二栅极电介质241和第三栅极电介质261。如图2b所示，电介质材料202在电流结构周围共形地生长。接下来在图2c中，移除电介质材料202的部分(例如，各向异性蚀刻或类似工艺)以形成垂直位于第一沟道220与第二沟道240之间的第一绝缘体225，垂直位于第二沟道240与第三沟道260之间的第二绝缘体245及垂直位于第三沟道260与衬底210之间的第三绝缘体265。最后，在图2d中，应用化学气相沉积(cvd)工艺来生长功函数金属，以在包封该结构的衬底210上形成栅极280。
23.图3a到图3g图示了根据本公开的一些示例的用于制造晶体管的另一示范性部分方法。如图3a所示，部分方法可以从替换金属栅极(rmg)工艺开始，以形成包裹在各个沟道周围的高k金属(例如，当与沉积的氧化物材料接触并经受高温退火工艺时，经由氧空位传输氧的离子键)。如图所示，提供衬底310并且形成第一沟道320，第二沟道340和第三沟道360。此外，在每个沟道周围形成高k金属氧化物(介电常数高于sio2，3.9)以产生第一金属330，第二金属350和第三金属370。此外，在每个沟道周围形成栅极电介质以产生第一栅极电介质321，第二栅极电介质341和第三栅极电介质361。如图3b所示，牺牲材料(例如，诸如
多孔sioc)302在电流结构周围共形地生长。接下来在图3c中，移除牺牲材料302的部分(例如，各向同性蚀刻或类似工艺，其中一些凹槽在牺牲材料中垂直位于相应沟道下方)。接下来在图3d中，应用cvd工艺来生长电介质(例如，sicn，sin等)304。在图3e中，电介质材料304的部分被移除(例如，电介质材料的各向异性蚀刻)。接下来在图3f中，该结构经受牺牲材料302的热燃烧以形成垂直位于第一沟道320与第二沟道340之间的第一绝缘体325(即，由电介质材料304包围的气隙)，垂直位于第二沟道340与第三沟道360之间的第二绝缘体345，及垂直位于第三沟道360与衬底310之间的第三绝缘体365。最后，在图3g中，应用cvd工艺以在包封该结构的衬底310上形成栅极380。
24.图4图示根据本发明的一些示例的用于制造晶体管电路的示范性部分方法。如图4所示，部分方法400可以从提供衬底的框402开始。部分方法400可以在框404中继续，在衬底上形成源极。部分方法400可以在框406继续，其中在衬底上靠近源极形成漏极。部分方法400可以在框408中继续，其中形成由靠近衬底的第一金属包围的第一沟道。部分方法400可以在框410中继续，形成靠近第一通道并且与第一通道间隔开的第二通道，第二通道被第二金属包围。部分方法400可以在框412中继续，其中在第一沟道和第一金属之间以及在第二沟道和第二金属之间形成栅极电介质。部分方法400可以在框414中继续，在第一金属和第二金属之间形成第一绝缘体。部分方法400可以在框416结束，其中在衬底上形成栅极，该栅极包封第一金属、第二金属和第一绝缘体。备选地，部分方法400可以在框418中继续，其中形成与第一沟道相对的、靠近第二沟道并且与第二沟道间隔开的第三沟道，该第三通道被第三金属包围；或者将所述晶体管并入到选自由以下组成的组的设备中：音乐播放器，视频播放器，娱乐单元，导航设备、通信设备、移动设备、移动电话、智能手机、个人数字助理、固定位置终端、平板计算机、计算机、可穿戴设备、膝上型计算机、服务器和机动车辆中的设备。
25.图5示出了根据本公开的一些示例的示例性移动设备。现在参考图5，描绘了根据示例性方面配置的移动设备的框图，并且通常将其指定为500。在一些方面中，移动设备500可被配置为无线通信设备。如图所示，移动设备500包括处理器501，其可以被配置为在某些方面实现这里描述的方法。处理器501被示为包括指令流水线512，缓冲处理单元(bpu)508，分支指令队列(biq)511，以及本领域公知的节流器510。为了清楚起见，从处理器501的该视图中省略了这些块的其它公知细节(例如，计数器，条目，置信字段，加权和，比较器等)。
26.处理器501可以通过链路通信地耦合到存储器532，该链路可以是管芯到管芯或芯片到芯片链路。移动设备500还包括显示器528和显示器控制器526，显示器控制器526耦合到处理器501和显示器528。
27.在一些方面中，图5可以包括耦合到处理器501的编码器/解码器(codec)534(例如，音频和/或语音codec)；耦合到codec 534的扬声器536和麦克风538；以及耦合到无线天线542和处理器501的无线控制器540(其可以包括调制解调器)。
28.在特定方面中，在存在上述块中的一个或多个的情况下，处理器501、显示器控制器526、存储器532、codec 534和无线控制器540可以被包括在系统级封装或系统级芯片的系统设备522中。输入设备530(例如，物理或虚拟键盘)、电源544(例如，电池)、显示器528、输入设备530、扬声器536、麦克风538、无线天线542和电源544可在系统级芯片设备522外部并且可以耦合到系统级芯片设备522的组件(诸如接口或控制器)。
29.应当注意，尽管图5描绘移动设备，但处理器501和存储器532也可以集成到机顶盒，音乐播放器，视频播放器，娱乐单元，导航设备，个人数字助理(pda)，固定位置数据单元，计算机，膝上型计算机，平板，通信设备，移动电话或其它类似设备中。
30.图6图示了根据本公开的一些示例的可以与任何前述集成器件，半导体器件、集成电路、管芯、内插器、封装件或层叠封装(pop)集成的各种电子设备。例如，移动电话设备602，膝上型计算机设备604和固定位置终端设备606可以包括如本文所述的集成器件600。集成器件600可以是(例如)本文中所描述的集成电路、管芯、集成器件、集成器件封装件、集成电路器件、器件封装件、集成电路(ic)封装件、层叠封装器件中的任一者。图6所示的设备602、604、606仅仅是示例性的。其他电子设备也可以以集成器件600为特征，包括但不限于一组设备(例如，电子设备)，该组设备包括移动设备，手持个人通信系统(pcs)单元，诸如个人数字助理的便携式数据单元，启用全球定位系统(gps)的设备，导航设备，机顶盒，音乐播放器，视频播放器，娱乐单元，诸如抄表设备的固定位置数据单元，通信设备，智能电话，平板计算机，计算机，可穿戴设备，服务器，路由器，在机动车辆(例如，自动驾驶机动车辆)中实现的电子设备，或者存储或检索数据或计算机指令的任何其他设备，或其任何组合。
31.应当理解，本文所公开的各个方面可以被描述为所属领域的技术人员所描述和/或认识到的结构，材料和/或设备的功能等效物。还应当注意，在说明书或权利要求书中公开的方法，系统和装置可以由包括用于执行该方法的相应动作的部件的设备来实现。例如，在一个方面，晶体管可以包括：由第一金属包围的第一沟道；第二沟道，该第二沟道靠近该第一沟道并且与该第一沟道间隔开，该第二沟道被一种第二金属包围；用于在第一金属和第二金属之间绝缘的部件(例如，第一绝缘体)；衬底上的栅极，该栅极包封第一金属、第二金属和用于绝缘的部件；衬底上的靠近栅极的源极；以及衬底上邻近所述栅极的漏极。在一些示例中，晶体管是栅极全环绕场效应晶体管，用于绝缘的部件是电介质，用于绝缘的部件是气隙，用于绝缘的部件是由电介质包围的气隙，晶体管还包括与第一沟道相对的、靠近第二沟道相邻并且与第二沟道间隔开的第三沟道，第三沟道由第三金属包围，第一金属包括介电常数大于3.9的电介质材料，衬底包括浅沟槽隔离区，并且晶体管被并入到选自由以下组成的组的设备中：音乐播放器，视频播放器，娱乐单元，导航设备，通信设备，移动设备，移动电话，智能电话。个人数字助理，固定位置终端，平板计算机，计算机，可穿戴设备，膝上型计算机，服务器和机动车辆中的设备。
32.应当理解，前述方面仅作为示例提供，并且所要求的各个方面不限于作为实例引用的特定参考和/或说明。
33.图1a-6所示的组件，过程，特征和/或功能中的一个或多个可以被重新布置和/或组合为单个组件，过程，特征或功能，或者被并入到若干组件，过程或功能中。在不脱离本公开的情况下，还可以添加附加的元件，组件，过程和/或功能。还应当注意，本公开中的图1a-6及其相应描述不限于管芯和/或ic。在一些实施方式中，图1a-6及其相应描述可用于制造，创建，提供和/或生产集成器件。在一些实施方式中，器件可以包括管芯，集成器件，管芯封装件，集成电路(ic)，器件封装件，集成电路(ic)封装件，晶片，半导体器件，层叠封装(pop)器件和/或内插器。器件(例如管芯)的有源侧是包含器件的有源组件(例如晶体管，电阻器，电容器，电感器等)的器件的一部分，其执行器件的操作或功能。器件的背面是与有源侧相对的器件侧。
34.如本文中所使用，术语“用户设备”(或“ue”)、“用户设备”、“用户终端”、“客户端设备”、“通信设备”、“无线设备”、“无线通信设备”、“手持式设备”、“移动设备”、“移动终端”、“移动台”、“手持机(handset)”、“接入终端”、“订户设备”、“订户终端”、“订户台”、“终端”及其变体可互换地指代可接收无线通信和/或导航信号的任何合适的移动或固定设备。这些术语包括但不限于音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、智能电话、个人数字助理、固定位置终端、平板计算机、计算机、可穿戴设备、膝上型计算机、服务器、机动车辆中的机动车辆设备和/或通常由人携带和/或具有通信能力(例如，无线，蜂窝，红外，短距离无线电等)的其它类型的便携式电子设备。这些术语还旨在包括与诸如由短距离无线，红外，有线连接或其它连接来接收无线通信和/或导航信号的另一设备通信的设备，而不管卫星信号接收，辅助数据接收和/或位置相关处理是否发生在该设备或其它设备处。此外，这些术语旨在包括能够经由无线电接入网络(ran)与核心网络通信的所有设备，包括无线和有线通信设备，并且通过核心网络，ue可以与诸如因特网的外部网络以及其他ue连接。当然，连接到核心网络和/或因特网的其它机制对于ue也是可能的，诸如通过有线接入网络，无线局域网(wlan)(例如，基于ieee 802.11等)等。ue可以由多种类型的设备中的任何一种来体现，这些设备包括但不限于：印刷电路(pc)卡、紧凑型闪存设备、外部或内部调制解调器、无线或有线电话、智能电话、平板、跟踪设备、资产标签等。ue可以通过其将信号发送到ran的通信链路被称为上行链路信道(例如，反向业务信道、反向控制信道、接入信道等)。ran可以通过其向ue发送信号的通信链路被称为下行链路或前向链路信道(例如，寻呼信道、控制信道、广播信道、前向业务信道等)。本文使用的术语业务信道(tch)可以指代上行链路/反向或下行链路/前向业务信道。
35.电子设备之间的无线通信可基于不同技术，例如码分多址(cdma)、w-cdma、时分多址(tdma)、频分多址(fdma)、正交频分多路复用(ofdm)、全球移动通信系统(gsm)、3gpp长期演进(lte)、蓝牙(bt)、蓝牙低能量(ble)、ieee 802.11(wifi)和ieee 802.15.4(zigbee/链式)或可用于无线通信网络或数据通信网络中的其它协议。蓝牙低能量(也称为蓝牙le、ble和蓝牙智能)是由蓝牙技术联盟(bluetooth special interest group)设计和销售的无线个人区域网技术，旨在提供显著降低的功耗和成本的同时维持类似的通信范围。ble在2010年被合并到主蓝牙标准中，采用蓝牙核心规范版本4.0并在蓝牙5中更新(两者均以整体明确地并入本文)。
36.词语“示例性”在本文中用于意指“充当示例、例子或说明”。本文中描述为“示例性”的任何细节不应被解释为优于其它示例。同样，术语“示例”并不意味着所有示例都包括所讨论的特征，优点或操作模式。此外，特定特征和/或结构可以与一个或多个其他特征和/或结构组合。此外，在此描述的装置的至少一部分可以被配置为执行在此描述的方法的至少一部分。
37.本文使用的术语是为了描述具体示例的目的，并且不旨在限制本公开的示例。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，术语“包括”、“包括有”、“包含”、和/或“包含有”在本文中使用时指定所陈述的特征、整数、动作、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、动作、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
38.应当注意，术语“连接”，“耦合”或其任何变体是指元件之间的直接或间接的任何
连接或耦合，并且可以涵盖经由中间元件“连接”或“耦合”在一起的两个元件之间的中间元件的存在。
39.本文中对使用诸如“第一”，“第二”等名称的元件的任何引用不限制这些元件的数量和/或顺序。相反，这些指定被用作区分两个或多个元件和/或元件实例的方便方法。此外，除非另有说明，一组元件可以包括一个或多个元件。
40.本技术中所描述或说明的任何内容都不旨在将任何组件、动作、特征、益处、优点或等效物专用于公众，而不管该组件，动作、特征、益处、优点或等效物是否在权利要求书中陈述。
41.尽管已经结合设备描述了一些方面，但不言而喻，这些方面也构成对相应方法的描述，因此设备的块或组件也应当被理解为相应的方法动作或方法动作的特征。与其类似地，结合方法动作或作为方法动作描述的方面也构成对相应设备的相应块或细节或特征的描述。这些方法动作中的一些或全部可以由硬件装置(或使用硬件装置)来执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些示例中，一些或多个最重要的方法动作可以由这样的装置来执行。
42.在上面的详细描述中可以看出，不同的特征在示例中被组合在一起。这种公开方式不应被理解为所要求保护的示例具有比相应权利要求中明确提到的特征更多的特征。相反，本公开可以包括少于所公开的单个示例的所有特征。因此，下面的权利要求应被视为结合在说明书中，其中每个权利要求本身可作为单独的例子。尽管每个权利要求本身可以作为单独的示例，但是应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中引用与一个或多个权利要求的特定组合，但是其它示例也可以包含或包括所述从属权利要求与任何其它从属权利要求的主题的组合或任何特征与其它从属和独立权利要求的组合。在本文中提出了这样的组合，除非明确表示不打算是特定的组合。此外，权利要求的特征也可以包括在任何其他独立权利要求中，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。
43.此外，在一些示例中，单个动作可被细分为多个子动作或包含多个子动作。这些子动作可以包含在单个动作的公开中，并且是单个动作的公开的一部分。
44.虽然前述公开示出了本公开的说明性示例，但是应当注意，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以在此进行各种改变和修改。根据在此描述的本公开的示例的方法权利要求的功能和/或动作不需要以任何特定顺序执行。另外，将不详细描述或可省略众所周知的元件，以免混淆本文所揭示的方面和实例的相关细节。此外，尽管可以单数形式描述或要求保护本公开的元素，但除非明确说明限于单数形式，否则涵盖复数形式。