有刻面的半導(dǎo)體納米線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有刻面的半導(dǎo)體納米線。在半導(dǎo)體鰭上進(jìn)行半導(dǎo)體材料的選擇性外延以形成半導(dǎo)體納米線。半導(dǎo)體納米線的表面包括非水平且非垂直的刻面?？梢栽谒霭雽?dǎo)體納米線之上形成柵電極，以使得有刻面的表面可以用作溝道表面。有刻面的半導(dǎo)體納米線的外延沉積部分可以向溝道施加應(yīng)力。此外，在有刻面的半導(dǎo)體納米線上形成柵電極之前，可以添加另外的半導(dǎo)體材料以形成所述有刻面的半導(dǎo)體納米線的外殼。半導(dǎo)體納米線的有刻面的表面提供了良好限定的載荷子輸運(yùn)特性，該載荷子輸運(yùn)特性可以有利地用于提供具有受到良好控制的器件特性的半導(dǎo)體器件。
【專利說(shuō)明】有刻面的半導(dǎo)體納米線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)總體上涉及半導(dǎo)體器件，特別地涉及有刻面的(faceted)半導(dǎo)體納米線和采用該有刻面的半導(dǎo)體納米線的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)半導(dǎo)體納米線被形成為具有矩形垂直橫截面形狀和成對(duì)平行的垂直側(cè)壁，或者被形成為具有圓角(rounded)垂直橫截面形狀，所述圓角垂直橫截面形狀是通過(guò)對(duì)具有矩形垂直橫截面形狀的半導(dǎo)體納米線熱退火而獲得的。成對(duì)平行的垂直側(cè)壁的表面取向?qū)τ跒橹T如鰭式(fin)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體器件提供高載荷子遷移率可能不是最佳的。圓角半導(dǎo)體納米線的表面包括很多不同的結(jié)晶取向，并且所提供的特性是很多不同結(jié)晶取向的平均。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在半導(dǎo)體鰭上進(jìn)行半導(dǎo)體材料的選擇性外延以形成半導(dǎo)體納米線。半導(dǎo)體納米線的表面包括非水平且非垂直的刻面(facet)?？梢栽谒霭雽?dǎo)體納米線之上形成柵電極，以使得有刻面的表面可以用作溝道表面。有刻面的半導(dǎo)體納米線的外延沉積部分可以向溝道施加應(yīng)力。此外，在有刻面的半導(dǎo)體納米線上形成柵電極之前，可以添加另外的半導(dǎo)體材料以形成所述有刻面的半導(dǎo)體納米線的外殼。半導(dǎo)體納米線的有刻面的表面提供了良好限定的載荷子輸運(yùn)特性，該載荷子輸運(yùn)特性可以有利地用于提供具有受到良好控制的器件特性的半導(dǎo)體器件。
[0004]根據(jù)本公開(kāi)的一方面，一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括位于絕緣體層上的半導(dǎo)體納米線以及柵極疊層結(jié)構(gòu)。所述半導(dǎo)體納米線的所有外表面的主要部分是不平行于或垂直于所述半導(dǎo)體納米線與所述絕緣體層之間的水平界面的結(jié)晶刻面組。所述柵極疊層結(jié)構(gòu)包括柵極電介質(zhì)和柵電極的疊層并且跨騎所述半導(dǎo)體納米線。
[0005]根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，提供了另一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括:包括絕緣體層的襯底；以及位于所述絕緣體層的表面上的半導(dǎo)體納米線。所述半導(dǎo)體納米線的所有外表面的主要部分是不平行于或垂直于所述半導(dǎo)體納米線與所述絕緣體層之間的水平界面的結(jié)晶刻面組。
[0006]本公開(kāi)的又一個(gè)方面，提供了一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。在絕緣體層的頂面上設(shè)置包括單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體鰭。形成半導(dǎo)體納米線，所述半導(dǎo)體納米線是通過(guò)在所述半導(dǎo)體鰭上生長(zhǎng)多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分直到所述半導(dǎo)體納米線的所有物理暴露表面變?yōu)楸舜私佑|或與一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)表面接觸的有刻面的表面而形成的。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1A是根據(jù)本公開(kāi)的第一實(shí)施例，在形成半導(dǎo)體鰭之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0008]圖1B是沿著圖1A的面B-B’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0009]圖1C是沿著圖1B的面C-C’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0010]圖2A是根據(jù)本公開(kāi)的第一實(shí)施例，在形成有刻面的半導(dǎo)體材料部分之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0011]圖2B是沿著圖2A的面B-B’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0012]圖2C是沿著圖2B的面C-C’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0013]圖3A是根據(jù)本公開(kāi)的第一實(shí)施例，在形成柵極疊層結(jié)構(gòu)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0014]圖3B是沿著圖3A的面B-B’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0015]圖3C是沿著圖3B的面C-C’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0016]圖3D是沿著圖3B的面D-D’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0017]圖4A是根據(jù)本公開(kāi)的第一實(shí)施例，在形成柵極間隔物(spacer)以及源極區(qū)和漏極區(qū)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0018]圖4B是沿著圖4A的面B-B’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0019]圖4C是沿著圖4B的面C-C’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0020]圖4D是沿著圖4B的面D-D’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0021]圖5A是根據(jù)本公開(kāi)的第一實(shí)施例,在形成接觸層級(jí)(contact-level)電介質(zhì)層和各種接觸過(guò)孔結(jié)構(gòu)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0022]圖5B是沿著圖5A的面B_B’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0023]圖5C是沿著圖5B的面C-C’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0024]圖是沿著圖5B的面D-D’的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0025]圖6A是根據(jù)本公開(kāi)的第二實(shí)施例，在形成半導(dǎo)體殼(shell)區(qū)域之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0026]圖6B是沿著圖6A的面B_B’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0027]圖6C是沿著圖6B的面C-C’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0028]圖7A是根據(jù)本公開(kāi)的第二實(shí)施例，在形成柵極疊層結(jié)構(gòu)之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0029]圖7B是沿著圖7A的面B_B’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0030]圖7C是沿著圖7B的面C-C’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0031]圖7D是沿著圖7B的面D-D’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0032]圖8A是根據(jù)本公開(kāi)的第二實(shí)施例，在形成柵極間隔物以及源極區(qū)和漏極區(qū)之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0033]圖SB是沿著圖8A的面B-B’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0034]圖SC是沿著圖SB的面C-C’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0035]圖8D是沿著圖SB的面D-D’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0036]圖9A是根據(jù)本公開(kāi)的第二實(shí)施例，在形成接觸層級(jí)電介質(zhì)層和各種接觸過(guò)孔結(jié)構(gòu)之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自頂向下視圖。
[0037]圖9B是沿著圖9A的面B_B’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0038]圖9C是沿著圖9B的面C-C’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。
[0039]圖9D是沿著圖9B的面D_D’的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040]如上所述，本公開(kāi)涉及有刻面的半導(dǎo)體納米線和采用該有刻面的半導(dǎo)體納米線的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法?，F(xiàn)在利用附圖詳細(xì)描述本公開(kāi)的各方面。注意在不同的實(shí)施例中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件。附圖不一定按比例繪制。附圖不一定按比例繪制。如本申請(qǐng)中所使用的，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，序數(shù)詞用來(lái)區(qū)分相似的元件，并且相同的元件可以被標(biāo)記以不同的序數(shù)詞。
[0041]參考圖1A-1C，根據(jù)本公開(kāi)第一實(shí)施例的第一示例性半導(dǎo)體包括形成在襯底8上的多個(gè)半導(dǎo)體鰭2。襯底8可以包括絕緣體層120和處理襯底(handle substrate) 108。絕緣體層120包括諸如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅或其組合的電介質(zhì)材料。處理襯底108可以包括半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、電介質(zhì)材料或其組合，并且可以為絕緣體層120及其上的結(jié)構(gòu)提供機(jī)械支撐。
[0042]所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2包括半導(dǎo)體材料，該半導(dǎo)體材料在本文中被稱為第一單晶半導(dǎo)體材料。該第一單晶半導(dǎo)體材料可以是例如:單晶硅；單晶鍺；硅、鍺和碳中的至少兩種的單晶合金；單晶化合物半導(dǎo)體材料；多晶元素半導(dǎo)體材料；硅、鍺和碳中的至少兩種的多晶合金；多晶化合物半導(dǎo)體材料；或者非晶半導(dǎo)體材料。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的半導(dǎo)體材料是單晶的。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2可以包括單晶硅材料，所述單晶硅材料可以是本征單晶硅、P摻雜的單晶硅或者η摻雜的單晶硅。
[0043]所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2可以通過(guò)例如提供絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)襯底而形成，該SOI襯底包括處理襯底108、絕緣體層120 (其為掩埋絕緣體層)和包含第一單晶半導(dǎo)體材料的頂部半導(dǎo)體層的垂直疊層。通過(guò)光刻方法和各向異性蝕刻的組合來(lái)對(duì)頂部半導(dǎo)體層進(jìn)行構(gòu)圖，以形成所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2。所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2可以直接形成在絕緣體層120的頂面上。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2中的每一個(gè)可以包括沿著半導(dǎo)體鰭101的縱向方向延伸的一對(duì)垂直側(cè)壁。本文中使用的物體的“縱向方向”是這樣的方向:沿著該方向，物體的慣性矩(moment of inertia)變?yōu)樽钚?。所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的縱向方向可以是水平方向。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2可以具有相同的水平縱向方向，即，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的縱向方向可以彼此平行并且平行于絕緣體120與所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2之間的界面。
[0045]參考圖2A-2C，在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的物理暴露表面上生長(zhǎng)多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4。所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4包括第二單晶半導(dǎo)體材料，并且直接生長(zhǎng)在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的半導(dǎo)體表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的物理暴露表面可以由在所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的生長(zhǎng)期間的所述第二單晶半導(dǎo)體的結(jié)晶刻面構(gòu)成。
[0046]在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用選擇性外延工藝來(lái)生長(zhǎng)所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4。本文將該選擇性外延工藝稱為第一選擇性外延工藝。在第一選擇性外延工藝期間，包括所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的物理暴露表面的示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被裝載到處理室中，并且使第二單晶半導(dǎo)體材料的至少一種反應(yīng)劑前體(reactant precursor)以及蝕刻劑流入所述處理室中。第二單晶半導(dǎo)體材料的所述至少一種反應(yīng)劑前體的流量以及蝕刻劑的流量可以是不隨時(shí)間變化的(即，是時(shí)間的常數(shù)函數(shù))，或者可以隨時(shí)間調(diào)整。
[0047]第二單晶半導(dǎo)體材料的所述至少一種反應(yīng)劑前體的流量以及蝕刻劑的流量被選擇為使得第二單晶半導(dǎo)體材料的沉積選擇性地進(jìn)行，即在半導(dǎo)體表面上進(jìn)行，而不在電介質(zhì)表面上進(jìn)行。具體地，對(duì)可在電介質(zhì)表面上成核的任何半導(dǎo)體材料的蝕刻速率大于用于在電介質(zhì)表面上成核的籽晶(seed)半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)速率，被立即蝕刻，不會(huì)導(dǎo)致可維持的機(jī)制。因此，在所述選擇性外延工藝期間，所述至少一種反應(yīng)劑前體不在任何電介質(zhì)表面上成核。
[0048]所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的沉積速率可取決于所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的物理暴露表面的表面取向。在一個(gè)實(shí)施例中，第二單晶半導(dǎo)體材料的沉積可以在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的所有物理暴露表面上進(jìn)行。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二單晶半導(dǎo)體材料的沉積可以僅在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的物理暴露表面的表面取向的一個(gè)子集上進(jìn)行，而不在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的物理暴露表面的表面取向的另一子集上進(jìn)行。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4可以沉積在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的至少一對(duì)垂直側(cè)壁的所有表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，在完成了所述選擇性外延工藝時(shí)，每一個(gè)有刻面的表面可以變?yōu)榕c至少另一個(gè)所述有刻面的表面鄰接。正如本文中使用的，當(dāng)?shù)谝槐砻娴倪吘壟c第二表面的邊緣一致時(shí)，第一表面與第二表面鄰接。
[0050]所述選擇性外延工藝可以在處理室中進(jìn)行一段時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分的所有物理暴露表面都可以變成具有結(jié)晶學(xué)等效取向的有刻面的表面。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的有刻面的表面不平行于或垂直于絕緣體層120的頂面。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的有刻面的表面的結(jié)晶學(xué)等效取向是{111}取向。如本文中所使用的，{hkl}(其中h、k和I中的每一個(gè)代表獨(dú)立的整數(shù))取向是指通過(guò)單晶材料的晶體對(duì)稱性等效于(hkl)取向的一組結(jié)晶學(xué)取向。
[0051]在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的(一個(gè)或多個(gè))頂面可以包括{001}表面之一，并且所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的側(cè)壁可以包括{110}表面或{100}表面。在該情況下，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的有刻面的表面結(jié)晶學(xué)等效取向可以是{111}取向。
[0052]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的(一個(gè)或多個(gè))頂面可以包括{110}表面之一，并且所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的側(cè)壁可以包括{001}表面或{110}表面。在該情況下，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的有刻面的表面的結(jié)晶學(xué)等效取向可以是{111}取向。
[0053]第一單晶半導(dǎo)體材料和第二單晶半導(dǎo)體材料可以具有相同的成分或不同的成分。在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅，第二單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅鍺合金。在這種情況下，第二單晶半導(dǎo)體材料可以向所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2中的第一單晶半導(dǎo)體材料施加張應(yīng)力。在一個(gè)實(shí)施例中，第二單晶半導(dǎo)體材料中鍺的原子濃度可以在10%到50%的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料可以包括原子濃度為至少90%的硅。在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料可以是摻雜或未摻雜的硅，或者是其中硅的原子濃度為至少90%的摻雜的或未摻雜的硅鍺合金。在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料可以由硅構(gòu)成或者由硅與至少一種電氣摻雜劑構(gòu)成。如果第一單晶半導(dǎo)體材料包括晶格常數(shù)小于第二單晶半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體材料，則所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4中的第二單晶半導(dǎo)體材料可以處于壓應(yīng)變下。要形成在所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4中的溝道可以處于壓應(yīng)變下，并且其中的載荷子遷移率由于該壓應(yīng)變而改變。在一個(gè)實(shí)施例中，壓應(yīng)變可以是在與半導(dǎo)體納米線(2，4)的最接近(proximate)的刻面平行的平面內(nèi)的雙軸壓應(yīng)變。在一個(gè)實(shí)施例中，可以有利地采用載荷子遷移率的變化來(lái)增大場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電流(on-current)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用處于壓應(yīng)變下的半導(dǎo)體殼區(qū)域6來(lái)形成P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0054]在另一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅鍺合金，第二單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅。在這種情況下，第二單晶半導(dǎo)體材料可以向所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2中的第一單晶半導(dǎo)體材料施加壓應(yīng)力。在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料中鍺的原子濃度可以在10%到50%的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，第二單晶半導(dǎo)體材料可以包括原子濃度為至少90%的硅。在一個(gè)實(shí)施例中，第二單晶半導(dǎo)體材料可以是摻雜或未摻雜的硅，或者是其中硅的原子濃度為至少90%的摻雜的或未摻雜的硅鍺合金。在一個(gè)實(shí)施例中，第二單晶半導(dǎo)體材料可以由娃構(gòu)成或者由娃與至少一種電氣摻雜劑構(gòu)成。如果第一單晶半導(dǎo)體材料包括晶格常數(shù)小于第二單晶半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體材料，則所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4中的第二單晶半導(dǎo)體材料可以處于張應(yīng)變下。要形成在所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4中的溝道可以處于張應(yīng)變下，并且其中的載荷子的遷移率由于該張應(yīng)變而改變。在一個(gè)實(shí)施例中，張應(yīng)變可以是在與半導(dǎo)體納米線(2，4)的最接近的有刻面的表面平行的平面內(nèi)的雙軸張應(yīng)變。在一個(gè)實(shí)施例中，可以有利地采用載荷子的遷移率的變化來(lái)增大場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電流。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用處于張應(yīng)變下的半導(dǎo)體殼區(qū)域6來(lái)形成P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0055]在另一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分可以與第二單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分相同。本文中使用的半導(dǎo)體材料的“半導(dǎo)體成分”是指減去半導(dǎo)體材料內(nèi)的所有電氣摻雜劑(即，P型摻雜劑或η型摻雜劑)的半導(dǎo)體材料的成分。換言之，半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分是指半導(dǎo)體材料的本征等效物的成分。在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分和第二單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分可以由硅構(gòu)成或者可以由硅和碳構(gòu)成。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分和第二單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體成分可以由硅和鍺構(gòu)成或者可以由硅、鍺和碳構(gòu)成。
[0056]在又一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二單晶半導(dǎo)體材料中的一者或二者可以包括化合物半導(dǎo)體材料。
[0057]在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一種反應(yīng)劑前體可以包括至少一種含硅的前體和/或至少一種含鍺的前體。例如，所述至少一種含硅的前體可以包括SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4和Si2H6中的至少一種。所述至少一種含鍺的前體可以包括GeH4和Ge2H6中的至少一種。所述蝕刻劑可以包括HCl。
[0058]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述選擇性外延工藝期間，在處理室中所述至少一種反應(yīng)劑前體(即，所述至少一種反應(yīng)劑前體的全體)與蝕刻劑的摩爾比在2:1到1:10的范圍內(nèi)。所述選擇性外延工藝的壓力被保持在這樣的范圍內(nèi):該范圍為第二單晶半導(dǎo)體材料的不同結(jié)晶學(xué)表面提供不同的生長(zhǎng)速率。在一個(gè)實(shí)施例中，所述蝕刻劑的分壓可以在I乇到50乇的范圍內(nèi)，所有所述至少一種反應(yīng)劑前體的分壓在0.1乇到10乇的范圍內(nèi)，但也可以采用用于蝕刻劑和/或所述至少一種反應(yīng)劑前體的更小和更大的分壓。
[0059]可以可選地采用至少一種載氣?？梢杂米鬏d氣的示例性氣體包括但不限于氫氣、氮?dú)?、氦和氬。處理室中的總壓力可以?乇到200乇的范圍內(nèi)，但也可以采用更小和更大的總壓力。
[0060]在所述選擇性外延工藝期間處理室的溫度可以在600°C到900°C的范圍內(nèi)，但也可以采用更低和更高的溫度。
[0061]在一個(gè)實(shí)施例中，可以將所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2之間的橫向間隔以及所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的生長(zhǎng)控制為使得形成在不同半導(dǎo)體鰭2上的有刻面的半導(dǎo)體材料部分4彼此不接觸。在這種情況下，直接形成在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2之一上的所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的子組不接觸直接形成在所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2中任何其它鰭上的所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的任何其它子組。該特征可以有利地用于通過(guò)第二單晶半導(dǎo)體材料的選擇性外延在向每個(gè)半導(dǎo)體鰭2提供另外的半導(dǎo)體材料的同時(shí)防止多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的電短路。
[0062]在一個(gè)實(shí)施例中，可以可選地采用在升高的溫度下的退火，以使半導(dǎo)體材料跨過(guò)所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2和所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4之間的界面相互擴(kuò)散。所述退火的溫度例如可以在800°C到1100°C的范圍內(nèi)。在這種情況下，所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2和所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4中的半導(dǎo)體材料可以部分地或完全同質(zhì)化。
[0063]有刻面的半導(dǎo)體材料部分4和半導(dǎo)體鰭2的每個(gè)相連組(contiguous set)可以一起構(gòu)成半導(dǎo)體納米線(2，4)。本文中所使用的“半導(dǎo)體納米線”是指沿著縱向方向延伸并且具有不超過(guò)10nm的最大橫向尺寸(與縱向尺度垂直的任何尺度中最大的尺度)的相連半導(dǎo)體材料部分。在一個(gè)實(shí)施例中，每條半導(dǎo)體納米線(2，4)沿著該半導(dǎo)體納米線(2，4)的縱向方向可以具有均勻的垂直橫截面面積。換言之，與每條半導(dǎo)體納米線(2，4)的縱向方向垂直的平面內(nèi)的垂直橫截面區(qū)面積在沿著該半導(dǎo)體納米線(2，4)的縱向方向平移時(shí)可以是不變的。
[0064]對(duì)于每條半導(dǎo)體納米線(2，4)，半導(dǎo)體納米線(2，4)的所有物理暴露表面是彼此接觸或者與諸如電介質(zhì)材料層120的頂面的一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)表面接觸的有刻面的表面。可以通過(guò)進(jìn)行選擇性外延工藝直到半導(dǎo)體納米線(2，4)的所有物理暴露表面變成彼此接觸或者與一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)表面接觸的有刻面的表面，來(lái)進(jìn)行多條半導(dǎo)體納米線(2，4)的形成。每條半導(dǎo)體納米線(2，4)的所有外表面的主要部分可以是不平行于或垂直于半導(dǎo)體納米線(2，4)與掩埋絕緣體層120之間的水平界面的結(jié)晶刻面組。本文中使用的表面組的“主要部分”是指占據(jù)該表面組的全部面積的大于50%的任何表面子組。所述結(jié)晶刻面組可以是所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的有刻面的表面的組。半導(dǎo)體納米線(2，4)的每個(gè)結(jié)晶刻面可以與同一半導(dǎo)體納米線(2，4)上的至少另一個(gè)結(jié)晶刻面鄰接。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分的生長(zhǎng)可以在這樣的處理?xiàng)l件下進(jìn)行:該處理?xiàng)l件在半導(dǎo)體納米線(2，4)的所有有刻面的表面都彼此接觸或與一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)表面接觸之后，防止所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的進(jìn)一步生長(zhǎng)。
[0065]每條半導(dǎo)體納米線(2，4)包括半導(dǎo)體鰭2和位于該半導(dǎo)體鰭2的側(cè)壁上的多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4。如果半導(dǎo)體鰭2包括沿著縱向方向延伸的平行的垂直側(cè)壁對(duì)，則所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4可以形成在所述平行的垂直側(cè)壁對(duì)的所有表面上。
[0066]參考圖3A-3D，形成跨騎半導(dǎo)體納米線(2，4)的柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)。柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)包括柵極電介質(zhì)30和柵電極(31，32)的疊層。柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)可以例如通過(guò)沉積柵極疊層的各層并且隨后對(duì)所述柵極疊層的各層進(jìn)行構(gòu)圖而形成。
[0067]具體地，柵極疊層各層隨后可以沉積在所述多條半導(dǎo)體納米線(2，4)之上以及襯底8的頂面的物理暴露部分上。柵極疊層的各層可以包括自下而上為柵極電介質(zhì)層、至少一個(gè)柵極導(dǎo)體層以及可選的柵極帽蓋(cap)電介質(zhì)層的疊層。柵極疊層的各層中的每一個(gè)可以是保形的(conformal)材料層，即，可以整體具有均勻的厚度。通過(guò)對(duì)所述柵極疊層各層進(jìn)行構(gòu)圖，形成柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)。例如，可以通過(guò)采用構(gòu)圖的光致抗蝕劑(未示出)作為掩蔽層的各向異性蝕刻工藝對(duì)柵極疊層各層進(jìn)行構(gòu)圖，形成包括柵極電介質(zhì)30、柵極導(dǎo)體(31，32)并且可選地包括柵極帽蓋電介質(zhì)38的柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)。在示例性實(shí)例中，柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)可以包括柵極電介質(zhì)30、下部柵極導(dǎo)體部分31、上部柵極導(dǎo)體部分32以及柵極帽蓋電介質(zhì)38。
[0068]柵極電介質(zhì)層，并且因此柵極電介質(zhì)，可以包括可以為氧化硅、氮化硅、氧氮化硅或其疊層的電介質(zhì)材料。作為替代或補(bǔ)充，柵極電介質(zhì)層，并且因此柵極電介質(zhì)30，可以包括介電常數(shù)大于3.9的高介電常數(shù)(高k)材料。在一個(gè)實(shí)施例中，柵極電介質(zhì)層可以包括電介質(zhì)金屬氧化物，所述電介質(zhì)金屬氧化物是包含金屬和氧的高k材料并且在本領(lǐng)域中已知為高k柵極電介質(zhì)材料。電介質(zhì)金屬氧化物可以通過(guò)本領(lǐng)域中公知的方法沉積，所述方法包括例如:化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、分子束沉積(MBD)、脈沖激光沉積(PLD)、液態(tài)源霧化的化學(xué)沉積(LSMCD)、原子層沉積(ALD)等。示例性高k電介質(zhì)材料包括HfO2、ZrO2λ La2O3λ A1203、T12、SrT13、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、A120xNy、T1xNy、SrT1xNy> LaA10xNy、Y20xNy、其硅酸鹽及其合金。x的每一個(gè)值獨(dú)立地為0.5_3，且y的每個(gè)值獨(dú)立地為0-2。柵極電介質(zhì)層50L的厚度可以為0.9nm-6nm，但也可以采用更小和更大的厚度。
[0069]柵極導(dǎo)體層可以是單個(gè)層或多個(gè)層。在一個(gè)實(shí)施例中，柵極導(dǎo)體層可以包括下部柵極導(dǎo)體層以及上部柵極導(dǎo)體層，所述下部柵極導(dǎo)體部分31自所述下部柵極導(dǎo)體層被構(gòu)圖，并且所述上部柵極導(dǎo)體部分32自所述上部柵極導(dǎo)體層被構(gòu)圖。柵極導(dǎo)體層，并且因此下部和上部柵極導(dǎo)體部分(31，32)，可以包括導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料可以是摻雜的半導(dǎo)體材料、金屬性材料或其組合。摻雜的半導(dǎo)體材料，如果存在，可以是摻雜的多晶硅、摻雜的多晶鍺、摻雜的硅鍺合金、任何其它摻雜的元素或化合物半導(dǎo)體材料、或其組合。金屬性材料，如果存在，可以是可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)或其組合沉積的任何金屬性材料。例如，金屬性材料可以包括鋁和/或鎢。柵極導(dǎo)體層的厚度可以為20nm到200nm，但也可以采用更小和更大的厚度。在非限制性的示例性實(shí)例中，下部柵極導(dǎo)體部分31可以包括功函數(shù)材料，并且上部柵極導(dǎo)體部分32可以包括摻雜的半導(dǎo)體材料。
[0070]如果形成了柵極帽蓋電介質(zhì)層，則該柵極帽蓋電介質(zhì)層，并且因此從其得到的柵極帽蓋電介質(zhì)部分38，可以包括諸如氮化硅、氧化硅、有機(jī)硅酸鹽玻璃(0SG)、可用于柵極電介質(zhì)層的高介電常數(shù)(高k)材料層或其組合。柵極帽蓋電介質(zhì)層可以通過(guò)例如化學(xué)氣相沉積或通過(guò)本領(lǐng)域中已知的任何其它沉積方法被沉積。柵極帽蓋電介質(zhì)層(如果存在)的厚度可以為1nm到200nm，并且典型地為20nm到lOOnm，但也可以采用更小和更大的厚度。
[0071]光致抗蝕劑層被施加在柵極疊層之上并且被光刻構(gòu)圖。例如，通過(guò)采用構(gòu)圖的光致抗蝕劑層作為蝕刻掩膜并且采用柵極電介質(zhì)層作為蝕刻停止層的各向異性蝕刻，將光致抗蝕劑層中的圖形轉(zhuǎn)移到整個(gè)柵極疊層。隨后，可以通過(guò)各向同性蝕刻去除柵極電介質(zhì)層的物理暴露部分，所述各向同性蝕刻可以是例如濕法蝕刻。
[0072]可選地，可以采用在升高的溫度下進(jìn)行的退火，來(lái)使半導(dǎo)體鰭2中的第一單晶半導(dǎo)體材料和所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4中的第二單晶半導(dǎo)體材料部分地或完全地同質(zhì)化。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體納米線(2，4)可以被完全同質(zhì)化，使得遍布每條半導(dǎo)體納米線(2，4)，半導(dǎo)體材料的成分是相同的。在另一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體納米線(2，4)可以被完全同質(zhì)化，使得在半導(dǎo)體納米線(2，4)的表面位置與半導(dǎo)體納米線(2，4)的內(nèi)部部分之間存在成分梯度。所述退火的溫度例如可以在600°C到1100°C的范圍內(nèi)。在又一個(gè)實(shí)施例中，可以避免退火以保持跨過(guò)半導(dǎo)體鰭2和所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的材料成分差異。
[0073]參考圖4A-4D，圍繞柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)形成柵極間隔物52。柵極間隔物52例如可以通過(guò)電介質(zhì)材料層的保形沉積以及去除所述電介質(zhì)材料層的水平部分的各向異性蝕刻而形成。所述電介質(zhì)材料層的剩余垂直部分構(gòu)成柵極間隔物52。
[0074]可以采用掩蔽的離子注入或采用未掩蔽的離子注入，向半導(dǎo)體納米線(2，4)中進(jìn)行電氣摻雜劑的離子注入。柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)在(一個(gè)或多個(gè))注入工藝期間用作自對(duì)準(zhǔn)注入掩膜。每條半導(dǎo)體納米線的注入部分包括源極區(qū)(2S，4S)和漏極區(qū)(2D，4D)。源極區(qū)(2S，4S)包括鰭式源極部分2S和包含刻面的源極部分4S。漏極區(qū)(2D，4D)包括鰭式漏極部分2D和包含刻面的漏極部分4D。每條半導(dǎo)體納米線的未注入部分還包括橫向接觸源極區(qū)(2S，4S)和漏極區(qū)(2D，4D)的體區(qū)(2B，4B)。
[0075]每個(gè)體區(qū)(2B，4B)包括鰭式體部分2B和包含刻面的體部分4B。在每條半導(dǎo)體納米線內(nèi)，半導(dǎo)體鰭(2S，2D，2B)包括鰭式源極部分2S、鰭式漏極部分2D和鰭式體部分2B，并且所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分(4S，4D，4B)包括包含刻面的源極部分4S、包含刻面的漏極部分4D和包含刻面的體部分4B。在每條半導(dǎo)體納米線(2S，2D，2B, 4S，4D，4B)內(nèi)，源極區(qū)(2S，4S)和漏極區(qū)(2D，4D)形成在半導(dǎo)體納米線(2S，2B, 2D，4S，4B, 4D)的端部?jī)?nèi)。在每條半導(dǎo)體納米線(23，20，28，45，40，48)內(nèi)，源極區(qū)(25，45)和漏極區(qū)(20，40)通過(guò)位于柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)下方的體區(qū)(2B，4B)而彼此橫向間隔開(kāi)。因此,每條半導(dǎo)體納米線(2S，2D，2B, 4S，4D，4B)可以包括位于半導(dǎo)體納米線(2S，2D，2B, 4S，4D，4B)的第一端部的源極區(qū)(25，45)、位于半導(dǎo)體納米線(25，20，28，45，40，48)的第二端部并且與所述源極區(qū)(2S，4S)橫向間隔開(kāi)的漏極區(qū)(2D，4D)、以及橫向接觸所述源極區(qū)(2S，4S)和所述漏極區(qū)(2D，4D)并且位于所述柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)下方的體區(qū)(2B，4B)。
[0076]參考圖5A-5D，可以在所述多條半導(dǎo)體納米線(2S，2D，2B，4S，4D，4B)以及柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38 )之上形成接觸層級(jí)電介質(zhì)材料層90?？梢源┻^(guò)所述接觸層級(jí)電介質(zhì)材料層90形成過(guò)孔腔，并且可以用接觸過(guò)孔結(jié)構(gòu)94填充過(guò)孔腔。可選地，可以在形成接觸過(guò)孔結(jié)構(gòu)94之前，通過(guò)使金屬與第二單晶半導(dǎo)體材料的表面部分反應(yīng)，在包含刻面的源極部分4S和包含刻面的漏極部分4D的表面上形成金屬半導(dǎo)體合金部分92。本文中明確地預(yù)期這樣的實(shí)施例:其中，柵極疊層結(jié)構(gòu)包括一次性(disposable)材料，并且被替代柵極材料(包括柵極電介質(zhì)材料和柵電極材料)替代。
[0077]參考圖6A-6C，通過(guò)在所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4和所述多個(gè)半導(dǎo)體鰭2的物理暴露表面上生長(zhǎng)半導(dǎo)體殼區(qū)域6，形成根據(jù)本公開(kāi)第二實(shí)施例的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體殼區(qū)域6可以通過(guò)在半導(dǎo)體納米線(2，4)的所有物理暴露表面上生長(zhǎng)另外的半導(dǎo)體材料而形成。所述另外的半導(dǎo)體材料在本文中稱為第三單晶半導(dǎo)體材料。每個(gè)半導(dǎo)體殼區(qū)域6被沉積為與下伏的(underlying)半導(dǎo)體鰭(2,4)的單晶半導(dǎo)體材料外延對(duì)準(zhǔn)的單晶半導(dǎo)體材料。
[0078]可以通過(guò)另一選擇性外延工藝(在本文中稱為第二選擇性外延工藝)實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體納米線(2，4)的所有物理暴露表面生長(zhǎng)半導(dǎo)體殼區(qū)域6。該第二選擇性外延工藝采用使得第三半導(dǎo)體材料在與有刻面的表面垂直的方向上生長(zhǎng)的工藝條件。
[0079]在第二選擇性外延工藝期間，包括所述多個(gè)半導(dǎo)體納米線(2，4)的物理暴露表面的示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被裝載到處理室中，并且使第三單晶半導(dǎo)體材料的至少一種反應(yīng)劑前體以及蝕刻劑流入所述處理室中。第三單晶半導(dǎo)體材料的所述至少一種反應(yīng)劑前體的流量以及蝕刻劑的流量可以是不隨時(shí)間變化的(即，是時(shí)間的常數(shù)函數(shù))，或者可以隨時(shí)間調(diào)整。
[0080]將第三單晶半導(dǎo)體材料的所述至少一種反應(yīng)劑前體的流量以及蝕刻劑的流量選擇成使得第三單晶半導(dǎo)體材料的沉積選擇性地進(jìn)行，即在半導(dǎo)體表面上進(jìn)行，而不在電介質(zhì)表面上進(jìn)行。具體地，對(duì)可在電介質(zhì)表面上成核的任何半導(dǎo)體材料的蝕刻速率大于用于在電介質(zhì)表面上成核的籽晶半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)速率，被立即蝕刻，不會(huì)導(dǎo)致可維持的機(jī)制。因此，在選擇性外延工藝期間，所述至少一種反應(yīng)劑前體不在任何電介質(zhì)表面上成核。第二選擇性外延工藝的工藝條件可以被選擇為使得半導(dǎo)體殼區(qū)域6的生長(zhǎng)速率取決于所述多條半導(dǎo)體納米線(2，4)的物理暴露表面的表面取向。
[0081]第三單晶半導(dǎo)體材料的成分可以與第一單晶半導(dǎo)體材料的成分相同或不同。此夕卜，第三單晶半導(dǎo)體材料的成分可以與第二單晶半導(dǎo)體材料的成分相同或不同。
[0082]在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料和第二單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅，第三單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅鍺合金。在這種情況下，第三單晶半導(dǎo)體材料可以向第一和第二單晶半導(dǎo)體材料施加張應(yīng)力。
[0083]在一個(gè)實(shí)施例中，第三單晶半導(dǎo)體材料中鍺的原子濃度可以在10%到50%的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和/或第二單晶半導(dǎo)體材料可以包括原子濃度為至少90%的硅。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和/或第二單晶半導(dǎo)體材料可以是摻雜的或未摻雜的硅，或者其中硅的原子濃度為至少90%的摻雜的或未摻雜的硅鍺合金。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和/或第二單晶半導(dǎo)體材料可以由硅構(gòu)成或者由硅與至少一種電氣摻雜劑構(gòu)成。如果第一和/或第二單晶半導(dǎo)體材料包括晶格常數(shù)小于第三單晶半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體材料，則半導(dǎo)體材料殼區(qū)域6中的第三單晶半導(dǎo)體材料可以處于壓應(yīng)變下。要形成在所述半導(dǎo)體殼區(qū)域6中的溝道可以處于壓應(yīng)變下，并且其中的載荷子遷移率由于該壓應(yīng)變而改變。在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓應(yīng)變可以是與半導(dǎo)體納米線(2，4，6)的最接近的有刻面的表面平行的平面內(nèi)的雙軸壓應(yīng)變。在一個(gè)實(shí)施例中，可以有利地采用載荷子遷移率的變化來(lái)增加場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電流。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用處于壓應(yīng)變下的半導(dǎo)體殼區(qū)域6形成P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0084]在另一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅鍺合金，第三單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅。在這種情況下，第三單晶半導(dǎo)體材料可以向第一和第二單晶半導(dǎo)體材料施加壓應(yīng)力。
[0085]在一個(gè)實(shí)施例中，第一和/或第二單晶半導(dǎo)體材料中鍺的原子濃度可以在10%到50%的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，第三單晶半導(dǎo)體材料可以包括原子濃度為至少90%的硅。在一個(gè)實(shí)施例中，第三單晶半導(dǎo)體材料可以是摻雜的或未摻雜的硅，或者其中硅的原子濃度為至少90%的摻雜的或未摻雜的硅鍺合金。在一個(gè)實(shí)施例中，第三單晶半導(dǎo)體材料可以由娃構(gòu)成或者由娃與至少一種電氣摻雜劑構(gòu)成。
[0086]在又一個(gè)實(shí)施例中，第一、第二和第三單晶半導(dǎo)體材料中的一種或更多可以包括化合物半導(dǎo)體材料。
[0087]在一個(gè)實(shí)施例中，第一單晶半導(dǎo)體材料中鍺的原子濃度可以小于10%，并且第一單晶半導(dǎo)體材料中硅的原子濃度可以大于90%。第一單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅材料。所沉積的第二單晶半導(dǎo)體材料可以是具有大于10%的鍺原子濃度的硅鍺合金或者可以是單晶鍺材料。可以在半導(dǎo)體殼區(qū)域6的形成之前，對(duì)每條半導(dǎo)體納米線(2，4)進(jìn)行退火以使第一和第二單晶半導(dǎo)體材料相互擴(kuò)散。在退火之后，半導(dǎo)體納米線(2，4)包括單晶硅鍺合金材料，所述單晶硅鍺合金材料可以是同質(zhì)化的(即，整體具有均勻的成分)或者其中可以具有濃度梯度。單晶硅鍺合金材料是第一單晶半導(dǎo)體材料和第二單晶半導(dǎo)體材料的合金。半導(dǎo)體殼區(qū)域6被添加到每條半導(dǎo)體納米線(2，4)。半導(dǎo)體殼區(qū)域6的第三單晶半導(dǎo)體材料可以具有與包含半導(dǎo)體殼區(qū)域6的半導(dǎo)體納米線(2，4，6)內(nèi)的第一和第二單晶半導(dǎo)體材料的合金不同的成分。在一個(gè)實(shí)施例中，第三單晶半導(dǎo)體材料可以是單晶硅。在這種情況下，半導(dǎo)體殼區(qū)域6可以處于張應(yīng)變下。要形成在所述半導(dǎo)體殼區(qū)域6中的溝道可以處于張應(yīng)變下，并且其中的載荷子遷移率由于該張應(yīng)變而改變。在一個(gè)實(shí)施例中，張應(yīng)變可以是與半導(dǎo)體納米線(2，4，6)的最接近的有刻面的表面平行的平面內(nèi)的雙軸張應(yīng)變。在一個(gè)實(shí)施例中，可以有利地采用載荷子遷移率的變化來(lái)增加場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電流。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用處于張應(yīng)變下的半導(dǎo)體殼區(qū)域6形成η型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0088]如果第三單晶半導(dǎo)體材料不同于第一單晶半導(dǎo)體材料和/或第二單晶半導(dǎo)體材料，則半導(dǎo)體殼區(qū)域6可以具有與半導(dǎo)體鰭2或所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4不同的載荷子遷移率。
[0089]在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一種反應(yīng)劑前體可以包括至少一種含硅的前體和/或至少一種含鍺的前體。例如，所述至少一種含硅的前體可以包括SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4和Si2H6中的至少一種。所述至少一種含鍺前體可以包括GeH4和Ge2H6中的至少一種。所述蝕刻劑可以包括HCl。
[0090]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述選擇性外延工藝期間，在所述處理室中所述至少一種反應(yīng)劑前體(即，所述至少一種反應(yīng)劑前體的全體)與蝕刻劑的摩爾比在4:1到1:5的范圍內(nèi)。所述選擇性外延工藝的壓力被保持在這樣的范圍內(nèi):該范圍為第三單晶半導(dǎo)體材料的不同結(jié)晶學(xué)表面提供基本相同的生長(zhǎng)速率。正如本文中所使用的，如果多個(gè)生長(zhǎng)速率中的最低生長(zhǎng)速率大于所述多個(gè)生長(zhǎng)速率中的最高生長(zhǎng)速率的2/3，則所述多個(gè)生長(zhǎng)速率基本相同。在一個(gè)實(shí)施例中，所述蝕刻劑的分壓可以在I乇到50乇的范圍內(nèi)，所述至少一種反應(yīng)劑前體的全體的分壓在2乇到20乇的范圍內(nèi)，但也可以采用蝕刻劑和/或所述至少一種反應(yīng)劑前體的更小和更大的分壓。
[0091]可以可選地采用至少一種載氣。可以用作載氣的示例性氣體包括但不限于氫氣、氮?dú)狻⒑ず蜌?。處理室?nèi)的總壓力可以在20乇到200乇的范圍內(nèi)，但也可以采用更小和更大的壓力。在所述第二選擇性外延工藝期間處理室的溫度可以在600°C到900°C的范圍內(nèi)，但也可以采用更低和更高的溫度。通過(guò)第二選擇性外延工藝將半導(dǎo)體殼區(qū)域6添加到每條半導(dǎo)體納米線(2，4，6)。
[0092]在一個(gè)實(shí)施例中，可以控制第二選擇性外延工藝的工藝參數(shù)，使得形成在半導(dǎo)體鰭2與有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的不同相連組合上的半導(dǎo)體殼區(qū)域6彼此不接觸。該特征可以有利地用于在通過(guò)第三單晶半導(dǎo)體材料的選擇性外延在半導(dǎo)體鰭2和有刻面的半導(dǎo)體材料部分4的每個(gè)相連組合(即，在生長(zhǎng)半導(dǎo)體殼區(qū)域6之前的半導(dǎo)體納米線(2，4))上生長(zhǎng)半導(dǎo)體殼區(qū)域6時(shí)，防止包括所述半導(dǎo)體殼區(qū)域6的多個(gè)半導(dǎo)體納米線(2，4，6)的電短路。
[0093]每條半導(dǎo)體納米線(2，4，6)位于掩埋絕緣體層120上。半導(dǎo)體納米線(2，4，6)的所有外表面的主要部分是不平行于或垂直于半導(dǎo)體鰭2與掩埋絕緣體層120之間的水平界面的結(jié)晶刻面組。
[0094]半導(dǎo)體殼區(qū)域6構(gòu)成位于這樣的多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4上的另外多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分:所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4直接位于半導(dǎo)體鰭2的側(cè)壁上。每個(gè)半導(dǎo)體殼區(qū)域6與位于同一半導(dǎo)體鰭2上的多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4接觸并且橫向圍繞這些部分4。對(duì)于每條半導(dǎo)體納米線(2，4，6)，其中的半導(dǎo)體殼區(qū)域6和掩埋絕緣體層120密封半導(dǎo)體鰭2及其上的所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分4。
[0095]參考圖7A-7D，可以進(jìn)行圖3A-3D的處理步驟以形成柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)?？邕^(guò)所述多條半導(dǎo)體納米線(2，4，6)形成柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)。柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)包括柵極電介質(zhì)30和柵電極(31，32)的疊層。
[0096]參考圖8A-8D，可以采用與圖4A-4D的處理步驟相同的處理步驟形成柵極間隔物52、源極區(qū)(2S，4S，6S)和漏極區(qū)(2D，4D，6D)。具體地，可以采用掩蔽的離子注入或采用未掩蔽的離子注入，向半導(dǎo)體納米線(2，4，6)中進(jìn)行電氣摻雜劑的離子注入。柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)用作(一個(gè)或多個(gè))注入工藝期間的自對(duì)準(zhǔn)注入掩膜。每條半導(dǎo)體納米線的注入部分包括源極區(qū)(2S，4S，6S)和漏極區(qū)(2D，4D，6D)。源極區(qū)(2S，4S，6S)包括鰭式源極部分2S、包含刻面的源極部分4S和殼源極區(qū)6S。漏極區(qū)(2D，4D)包括鰭式漏極部分2D、包含刻面的漏極部分4D以及殼漏極區(qū)域6D。每條半導(dǎo)體納米線的未注入部分還包括橫向接觸源極區(qū)(2S，4S，6S)和漏極區(qū)(2D，4D，6D)的體區(qū)(2B, 4B)。
[0097]每個(gè)體區(qū)(28，48，68)包括鰭式體部分28、包含刻面的體部分48以及殼體區(qū)域6B。包括第三單晶半導(dǎo)體材料的殼體區(qū)域可以包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)。在每條半導(dǎo)體納米線內(nèi)，半導(dǎo)體鰭(2S，2D，2B)包括鰭式源極部分2S、鰭式漏極部分2D和鰭式體部分2B ;所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分(4S，4D，4B)包括包含刻面的源極部分4S、包含刻面的漏極部分4D和包含刻面的體部分4B ;并且半導(dǎo)體殼區(qū)域(6S，6D，6B)包括殼源極區(qū)6S、殼漏極區(qū)6D和殼體區(qū)6B。
[0098]在每條半導(dǎo)體納米線(25，20，28，45，40，48，65，60，68)內(nèi)，源極區(qū)(2S，4S，6S)和漏極區(qū)(2D，4D，6D)形成在半導(dǎo)體納米線(25，20，28，45，40，48，65，60，68)的端部?jī)?nèi)。在每條半導(dǎo)體納米線(2S，2D，2B, 4S，4D，4B, 6S，6D，6B)內(nèi)，源極區(qū)(2S，4S，6S)和漏極區(qū)(2D，4D，6D )通過(guò)位于柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38 )下方的體區(qū)(2B，4B，6B )而彼此橫向間隔開(kāi)。因此，每條半導(dǎo)體納米線(25，20，28，45，40，48，65，60，68)可以包括位于半導(dǎo)體納米線(25，2D，2B, 4S，4D，4B, 6S，6D，6B)的第一端部的源極區(qū)(2S，4S，6S)、位于半導(dǎo)體納米線(2S，2D，2B，4S，4D，4B, 6S，6D，6B)的第二端部并且與所述源極區(qū)(2S，4S，6S)橫向間隔開(kāi)的漏極區(qū)(20，40，60)、以及橫向接觸源極區(qū)(25，45，65)和漏極區(qū)(2D，4D，6D)并且位于所述柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)下方的體區(qū)(28，48，68)。
[0099]參考圖9么-90，可以在所述多條半導(dǎo)體納米線(25，20，28，45，40，48，65，60，68)以及柵極疊層結(jié)構(gòu)(30，31，32，38)之上形成接觸層級(jí)電介質(zhì)材料層90?？梢源┻^(guò)所述接觸層級(jí)電介質(zhì)材料層90形成過(guò)孔腔，并且可以用接觸過(guò)孔結(jié)構(gòu)94填充過(guò)孔腔?？蛇x地，可以在形成接觸過(guò)孔結(jié)構(gòu)94之前，通過(guò)使金屬與第二單晶半導(dǎo)體材料的表面部分反應(yīng)，在殼源極區(qū)域6S和殼漏極區(qū)域6D的表面上形成金屬半導(dǎo)體合金部分92。本文中明確地預(yù)期這樣的實(shí)施例:其中，柵極疊層結(jié)構(gòu)包括一次性材料,并且被替代柵極材料(包括柵極電介質(zhì)材料和柵電極材料)替代。
[0100]盡管就本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例特別示出和描述了本公開(kāi)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本公開(kāi)的精神和范圍的情況下，可以做出前述和其它形式和細(xì)節(jié)上的變化。除非另外明確公開(kāi)或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知不可能，本公開(kāi)的各種實(shí)施例中的每一個(gè)可以單獨(dú)實(shí)施，或者可以與本公開(kāi)的任何其它實(shí)施例組合實(shí)施。因此本公開(kāi)旨在不限于所描述和示例的確切形式和細(xì)節(jié)，而是落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 位于絕緣體層上的半導(dǎo)體納米線，其中所述半導(dǎo)體納米線的所有外表面的主要部分是不平行于或垂直于所述半導(dǎo)體納米線與所述絕緣體層之間的水平界面的結(jié)晶刻面組；以及 柵極疊層結(jié)構(gòu)，其包括柵極電介質(zhì)和柵電極的疊層并且跨騎所述半導(dǎo)體納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體納米線包括半導(dǎo)體鰭和位于所述半導(dǎo)體鰭的側(cè)壁上的多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)晶刻面組是所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分的有刻面的表面的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括第一單晶半導(dǎo)體材料，并且所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分包括不同于所述第一單晶半導(dǎo)體材料的第二單晶半導(dǎo)體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分處于壓應(yīng)變下或處于張應(yīng)變下。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體納米線還包括半導(dǎo)體殼區(qū)域，所述半導(dǎo)體殼區(qū)域與所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分接觸并且橫向圍繞所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體殼區(qū)域和所述絕緣體層密封所述半導(dǎo)體鰭和所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體殼區(qū)域處于壓應(yīng)變下或處于張應(yīng)變下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體納米線包括: 源極區(qū)，其位于所述半導(dǎo)體納米線的第一端部； 漏極區(qū)，其位于所述半導(dǎo)體納米線的第二端部，并且與所述源極區(qū)橫向間隔開(kāi)；以及 體區(qū)，其橫向接觸所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)，并且位于所述柵極疊層結(jié)構(gòu)下方。
10.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括: 包括絕緣體層的襯底；以及 位于所述絕緣體層的表面上的半導(dǎo)體納米線，其中所述半導(dǎo)體納米線的所有外表面的主要部分是不平行于或垂直于所述半導(dǎo)體納米線與所述絕緣體層之間的水平界面的結(jié)晶刻面組。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體納米線包括半導(dǎo)體鰭和位于所述半導(dǎo)體鰭的側(cè)壁上的多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體納米線還包括半導(dǎo)體殼區(qū)域，所述半導(dǎo)體殼區(qū)域與所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分接觸并且橫向圍繞所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分。
13.—種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括: 在絕緣體層的頂面上形成包括單晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體鰭；以及 形成半導(dǎo)體納米線，所述半導(dǎo)體納米線是通過(guò)在所述半導(dǎo)體鰭上生長(zhǎng)多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分直到所述半導(dǎo)體納米線的所有物理暴露表面變?yōu)楸舜私佑|或與一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)表面接觸的有刻面的表面而形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括沿著所述半導(dǎo)體鰭的縱向方向延伸的垂直側(cè)壁對(duì)，并且所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分形成在所述垂直側(cè)壁對(duì)的所有表面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括:跨過(guò)所述半導(dǎo)體納米線形成柵極疊層結(jié)構(gòu)，其中所述柵極疊層結(jié)構(gòu)包括柵極電介質(zhì)和柵電極的疊層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括:在所述半導(dǎo)體納米線的端部?jī)?nèi)形成源極區(qū)和漏極區(qū)，其中所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)通過(guò)位于所述柵極疊層結(jié)構(gòu)下方的體區(qū)而彼此橫向間隔開(kāi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述多個(gè)有刻面的半導(dǎo)體材料部分處于壓應(yīng)變下或處于張應(yīng)變下。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括:通過(guò)在所述半導(dǎo)體納米線的全部所述物理暴露表面上沉積另外的半導(dǎo)體材料，從所述半導(dǎo)體納米線的全部所述物理暴露表面生長(zhǎng)半導(dǎo)體殼區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，采用使得所述另外的半導(dǎo)體材料在與所述有刻面的表面垂直的方向上生長(zhǎng)的工藝條件，進(jìn)行所述半導(dǎo)體殼區(qū)域的所述生長(zhǎng)。
20.根據(jù)權(quán)利要 求18所述的方法，其中所述半導(dǎo)體殼區(qū)域處于壓應(yīng)變下或處于張應(yīng)變下。
【文檔編號(hào)】H01L29/423GK104051537SQ201410092534
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】程慷果, 李俊濤, 章貞, 朱煜 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司