本公開涉及半導體領(lǐng)域，具體地，涉及具有背柵負電容的半導體器件及其制造方法以及包括這種半導體器件的電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

亞閾值擺幅(Sub-threshold Swing，SS)是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的一項重要的大于零的性能參數(shù)，希望越小越好。目前，常溫下SS的極限值約為60mV/dec，且難以隨著器件尺寸的縮小而降低。期望能夠?qū)崿F(xiàn)更小的SS，以改善器件性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本公開的目的至少部分地在于提供一種具有背柵負電容的半導體器件及其制造方法以及包括這種半導體器件的電子設(shè)備。

根據(jù)本公開的一個方面，提供了一種半導體器件，包括：襯底；在襯底上設(shè)置的有源層；設(shè)于有源層上的控制柵；設(shè)于有源層下的背柵，其中，背柵包括負電容器。

根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種制造半導體器件的方法，包括：在襯底上形成負電容器；在負電容器上形成背柵介質(zhì)層；在背柵介質(zhì)層上形成有源層；以及在有源層上形成控制柵。

根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種電子設(shè)備，包括上述半導體器件。

根據(jù)本公開的實施例，通過在背柵中形成負電容，可以有效降低器件的亞閾值擺幅(SS)。另外，由于負電容，可以降低器件的功耗，因此這種器件可以適用于各種低功耗應用如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴設(shè)備等。

附圖說明

通過以下參照附圖對本公開實施例的描述，本公開的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1是示出了根據(jù)本公開實施例的半導體器件的示意電路圖；

圖2-6(c)示出了根據(jù)本公開實施例的制造半導體器件的流程的示意圖。

貫穿附圖，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的部件。

具體實施方式

以下，將參照附圖來描述本公開的實施例。但是應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本公開的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本公開的概念。

在附圖中示出了根據(jù)本公開實施例的各種結(jié)構(gòu)示意圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚表達的目的，放大了某些細節(jié)，并且可能省略了某些細節(jié)。圖中所示出的各種區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實際所需可以另外設(shè)計具有不同形狀、大小、相對位置的區(qū)域/層。

在本公開的上下文中，當將一層/元件稱作位于另一層/元件“上”時，該層/元件可以直接位于該另一層/元件上，或者它們之間可以存在居中層/元件。另外，如果在一種朝向中一層/元件位于另一層/元件“上”，那么當調(diào)轉(zhuǎn)朝向時，該層/元件可以位于該另一層/元件“下”。

圖1是示出了根據(jù)本公開實施例的半導體器件的示意電路圖。

如圖1所示，根據(jù)該實施例的半導體器件100可以包括控制柵(G1)、背柵(G2)、源極(S)和漏極(D)。根據(jù)本公開的實施例，控制柵G1和背柵G2可以分設(shè)于半導體器件100的有源層的相對兩側(cè)，例如上下兩側(cè)。在有源層中，可以形成溝道區(qū)?？刂茤臛1可以控制溝道區(qū)導通與否。另外，背柵G2也可以影響溝道區(qū)。源區(qū)S和漏區(qū)D可以形成在溝道區(qū)兩側(cè)，并可以經(jīng)由溝道區(qū)而彼此電連通。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，控制柵G1(特別是由于其中的控制柵介質(zhì)層)將導致控制柵電容，在此以C_g來表示；同樣，背柵G2將導致背柵電容，在此以C_n來表示。根據(jù)本公開的實施例，背柵電容C_n可以是負電容。

一般地，電容器包括極板-電介質(zhì)層-極板的配置，電介質(zhì)層可以儲存電荷。常規(guī)的電容器呈“正”電容特性，即，當電介質(zhì)層儲存的電荷增多時，兩個極板間的電壓增大。在本公開中，將這種電介質(zhì)層稱作常規(guī)電介質(zhì)層，或者直接簡稱為電介質(zhì)層，這與該術(shù)語在本領(lǐng)域的常規(guī)含義相同。與此不同，某些材料在一定狀態(tài)下，可以呈現(xiàn)“負”電容特性，即，隨著其中儲存的電荷增多，極板間的電壓反而表現(xiàn)為降低。這種材料稱作“負電容材料”。例如，某些鐵電材料(例如含Hf、Zr、Ba、La或Sr的材料，如HfO₂、HfZrO₂、HfAlO₂、HfSiO₂、BaTiO₃、KH₂PO₄、PbZrO₃、SrTiO₃、NBT或其任意組合等)在到達某一臨界電場時，可發(fā)生極化現(xiàn)象。極化使得大量的束縛電荷瞬間積累在材料的表面，使鐵電材料兩端的電壓減小。

這種負電容可以通過在背柵處引入負電容材料層來實現(xiàn)。例如，負電容可以包括第一導電層、負電容材料層和第二導電層的疊層。第一、第二導電層優(yōu)選地還具有阻擋擴散的能力，例如TiN。|C_n|可以等于或大于C_g。

在無背柵結(jié)構(gòu)下，如果把負電容直接用作控制柵，器件正常工作條件是|Cn|大于等于體電容，并且二者大小越接近越有利，但對晶體管特別是二維溝道器件實現(xiàn)二者大小匹配一般很困難。根據(jù)本公開的實施例，在器件特別是二維溝道器件中引入負電容背柵結(jié)構(gòu)，更容易實現(xiàn)正負電容的匹配，降低器件SS，改善器件性能。

圖2-6(c)示出了根據(jù)本公開實施例的制造半導體器件的流程的示意圖。

如圖2所示，提供襯底1001。該襯底1001可以是各種形式的襯底，包括但不限于體半導體材料襯底如體Si襯底、絕緣體上半導體(SOI)襯底、化合物半導體襯底如SiGe襯底等。在以下的描述中，為方便說明，以體Si襯底為例進行描述。

在襯底1001上，可以設(shè)置負電容器結(jié)構(gòu)1005。例如，可以通過淀積如化學氣相淀積(CVD)、原子層淀積(ALD)等，依次形成第一導電層1005-1、負電容材料層1005-2和第二導電層1005-3。導電層1005-1、1005-2可以包括TiN(此時，具有阻擋擴散的能力)，厚度為約1-10nm；負電容材料層1005-2可以包括HfZrO₂，厚度為約1-20nm。

另外，為了電隔離的目的，可以在襯底與負電容器結(jié)構(gòu)1005之間設(shè)置電介質(zhì)層1003。例如，可以通過淀積如CVD或者熱氧化，在襯底1001的表面上形成氧化物(例如，氧化硅)，來形成電介質(zhì)層1003。然后，可以在電介質(zhì)層1003上形成負電容器結(jié)構(gòu)1005。

可以將負電容結(jié)構(gòu)1005構(gòu)圖為適當?shù)男螤?，且同時具有合適的(負)電容值。例如，如圖3(a)、3(b)和3(c)(圖3(a)是俯視圖，圖3(b)是沿圖3(a)中AA′線的截面圖，圖3(c)是沿圖3(a)中BB′線的截面圖)所示，可以在負電容器結(jié)構(gòu)1005上形成光刻膠1007，并通過顯影、曝光將光刻膠1007構(gòu)圖為所需的形狀。在此，如圖3(a)所示，可以將光刻膠1007構(gòu)圖為倒T狀，其上部對應于隨后形成有源層的位置，而其下部對應于隨后形成電接觸的位置。以構(gòu)圖后的光刻膠1007為掩模，可以將負電容器結(jié)構(gòu)1005構(gòu)圖為基本上相同的形狀。例如，可以依次對第二導電層1005-3、負電容材料層1005-2和第一導電層1005-1進行選擇性刻蝕如反應離子刻蝕(RIE)，刻蝕可以停止于電介質(zhì)層1003。之后，可以去除光刻膠1007。

在此需要指出的是，負電容器結(jié)構(gòu)1005的形狀不限于圖3(a)、3(b)和3(c)中所示的形狀，而是可以根據(jù)布局設(shè)計形成為不同的形狀。

另外，在負電容器結(jié)構(gòu)1005時，可以考慮影響最終電容值的各種因素，例如負電容材料層1005-2的厚度和面積等?？梢愿鶕?jù)所需的負電容值，不同地設(shè)計負電容材料層1005-2的厚度和面積等參數(shù)。

之后，如圖4(a)和4(b)(分別是沿圖3(a)中AA′線和BB′線的截面圖)所示，可以在負電容器結(jié)構(gòu)1005上例如通過淀積形成背柵介質(zhì)層1009和有源層1011。例如，背柵介質(zhì)層1009可以包括氧化物或者高k材料，如HfO₂，厚度為約0.5-10nm。根據(jù)本公開的實施例，有源層1011可以包括二維(2D)半導體材料，如過渡金屬硫化物(例如MoS₂、ReS₂)、MoSe₂、石墨烯、硅烯、黑磷、二維六方氮化硼等。2D半導體材料可以形成為單層或多層。在此，有源層1011(以及背柵介質(zhì)層1009)可以與倒T型電容器結(jié)構(gòu)1005的上部(即，倒T的“|”部)交迭，但與倒T型電容器結(jié)構(gòu)1005的下部(即，倒T的“-”部)不交迭(為便于隨后制造接觸部)。

另外，在有源層1011上，在負電容結(jié)構(gòu)1005的相對兩側(cè)(圖4(a)中的左右兩側(cè))，可以分別形成源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D。例如，這種接觸部1013S和1013D可以包括導電材料，例如金屬如Ni或Ti。在此，源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D可以彼此相對(參見圖6(a)所示的俯視圖)，并且可以在之間露出一部分有源層1011，這部分有源層將與隨后形成的控制柵相交迭，并可以在其中形成溝道區(qū)。源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D所覆蓋的有源層部分隨后將分別形成源區(qū)和漏區(qū)，它們通過之間的溝道區(qū)而彼此電連通。

為了確保背柵能夠有效地影響溝道區(qū)，源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D的邊緣相對于負電容器結(jié)構(gòu)1005的相應邊緣可以向內(nèi)伸出。即，源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D之間露出的有源層部分(隨后在其中形成溝道區(qū))可以位于負電容器結(jié)構(gòu)1005的范圍內(nèi)。

隨后，可以形成控制柵。如圖5所示，可以通過例如淀積，依次形成控制柵介質(zhì)層1015和控制柵電極層1017。例如，控制柵介質(zhì)層1015可以包括氧化物或高k材料，如HfO₂，厚度為約0.5-10nm；控制柵電極層1017可以包括金屬如W?？刂茤?1015/1017)可以填充源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D之間的空隙，并因此與源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D之間的有源層部分交迭，從而可以有效控制該部分中形成的溝道區(qū)?？刂茤诺倪吘壪鄬τ谠礃O接觸部1013S和漏極接觸部1013D的相應邊緣可以向外伸出，以便確保填充源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D之間的間隙；另一方面，可以控制伸出幅度，以盡量降低控制柵電極層1017與源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D之間的寄生電容。

這樣，就得到了根據(jù)該實施例的半導體器件。如圖5所示，該半導體器件包括設(shè)于襯底1001上的有源層1011，在該有源層中形成了源區(qū)、漏區(qū)(源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D相對應的部分)和溝道區(qū)(源區(qū)和漏區(qū)之間的部分)。在有源層1011的上下兩側(cè)，分別設(shè)置了控制柵(1015/1017)和背柵(1009/1005)?？刂茤藕捅硸啪c有源層(特別是其中的溝道區(qū))相交迭，以便對溝道區(qū)施加控制或影響。在背柵中，包括負電容器結(jié)構(gòu)1005。

這里需要指出的是，除了負電容器結(jié)構(gòu)1005之外，在背柵處，還可能存在其他的電容，例如第二導電層1005-3與有源層1011之間介由背柵介質(zhì)層1009所形成的電容。該電容可以是常規(guī)(正)電容，且在該示例中與負電容器結(jié)構(gòu)1005串聯(lián)。為了改進器件性能，背柵處的總電容可以保持為負。

接下來，可以進行接觸部的制作。

例如，如圖6(a)、6(b)和6(c)(圖6(a)是俯視圖，圖6(b)是沿圖6(a)中AA′線的截面圖，圖6(c)是沿圖6(a)中BB′線的截面圖)所示，可以在圖5所示的結(jié)構(gòu)上例如通過淀積，形成層間電介質(zhì)層1019例如氧化物。在該示例中，層間電介質(zhì)層1019的頂面可以高于控制柵的頂面，并可以對其進行平坦化處理如化學機械拋光(CMP)。

另外，為了便于制造到背柵的接觸部，在形成層間電介質(zhì)層1019之前，可以在倒T形負電容器結(jié)構(gòu)1005的下部(即，倒T的“-”部)中，通過選擇性刻蝕，至少部分地去除第二導電層1005-3和負電容材料層1005-2，以露出第一導電層1005-1。

然后，可以在層間電介質(zhì)層1019中，可以與控制柵、背柵、源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D相對應的接觸孔。然后，可以在接觸孔中填充導電材料，例如金屬如W，以分別形成到控制柵、背柵、源極接觸部1013S和漏極接觸部1013D的接觸部1021G、1021B、1021S和1021D。此外，在填充導電材料之前，可以先形成一層阻擋層(未示出)，例如Ti或者Ti/TiN疊層。

本領(lǐng)域技術(shù)人員知道多種方式來形成接觸部，在此不再贅述。

根據(jù)本公開實施例的半導體器件可以應用于各種電子設(shè)備。例如，通過集成這樣的半導體器件以及其他器件(例如，其他形式的晶體管等)，可以形成集成電路(IC)，并由此構(gòu)建電子設(shè)備。因此，本公開還提供了一種包括上述半導體器件的電子設(shè)備。電子設(shè)備還可以包括與集成電路配合的顯示屏幕以及與集成電路配合的無線收發(fā)器等部件。這種電子設(shè)備例如智能電話、計算機、平板電腦(PC)、可穿戴智能設(shè)備、移動電源、機器人、智能芯片等。

在以上的描述中，對于各層的構(gòu)圖、刻蝕等技術(shù)細節(jié)并沒有做出詳細的說明。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，可以通過各種技術(shù)手段，來形成所需形狀的層、區(qū)域等。另外，為了形成同一結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以設(shè)計出與以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，盡管在以上分別描述了各實施例，但是這并不意味著各個實施例中的措施不能有利地結(jié)合使用。

以上對本公開的實施例進行了描述。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本公開的范圍。本公開的范圍由所附權(quán)利要求及其等價物限定。不脫離本公開的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本公開的范圍之內(nèi)。