[发明专利]包含垂直晶体管装置的半导体装置结构、垂直晶体管装置阵列及制作方法

说明书

优先权主张

本申请案主张2011年8月23日申请的题为“包含垂直晶体管装置的半导体装置结构、垂直晶体管装置阵列及制作方法(Semiconductor Device Structures Including Vertical Transistor Devices，Arrays of Vertical Transistor Devices，and Methods of Fabrication)”的第13／215,968号美国专利申请案的申请日期的权益。

技术领域

在各种实施例中，本发明一股来说涉及集成电路设计及制作的领域。更特定来说，本发明涉及垂直定向晶体管及用于制作所述晶体管的方法。

背景技术

在衬底上制作例如晶体管等半导体装置必定导致衬底的某一表面积被所述装置的占用面积占据。通常，给定衬底的可用表面积受限，且最大化对衬底的使用需要最大化在衬底上制作的装置的密度。最小化例如晶体管等装置的组件的尺寸适应最小化装置的总体占用面积及最大化装置密度。此适应在给定衬底上形成较大数目的装置。

晶体管通常构造于衬底的主要表面上。主要表面通常为衬底的最上部外部表面。将衬底的主要表面视为界定水平平面及方向。

包含一对源极／漏极区之间的沟道区及经配置以通过所述沟道区将所述源极／漏极区彼此电连接的栅极的场效应晶体管(“FET”)结构可基于沟道区相对于衬底的主要表面的定向而在两个广泛的类别当中划分。具有主要平行于衬底的主要表面的沟道区的晶体管结构称为平面FET结构，且具有大体垂直于衬底的主要表面的沟道区的晶体管结构称为垂直FET(“VFET”)晶体管结构。由于晶体管装置的源极与漏极区之间的电流流动穿过沟道区而发生，因此可基于电流流动的方向以及沟道区的大体定向两者而将平面FET装置与VFET装置区分开。VFET装置为其中装置的源极与漏极区之间的电流流动主要实质上正交于衬底的主要表面的装置。平面FET装置为其中源极与漏极区之间的电流流动主要平行于衬底的主要表面的装置。

VFET装置包含从下伏衬底向上延伸的垂直的所谓的“台面”，在此项技术中也称为所谓的“鳍片”。此台面形成晶体管主体的部分。一股来说，源极区及漏极区位于台面的端处，而一个或一个以上栅极位于台面或鳍片的一个或一个以上表面上。在激活后，电流即刻在台面内流动穿过沟道区。

VFET在宽度上(即，在平行于由衬底的主要表面界定的水平平面的平面中的尺寸上)通常比平面FET薄。因此，垂直晶体管有助于适应增加的装置堆填密度且有助于包含在交叉点存储器阵列内。以此方式，多个VFET以堆叠行及列来定序。然而，甚至在此布置的情况下，堆填密度也至少部分地受垂直晶体管的组件(包含栅极及沟道组件)的最小尺寸限制。

按比例缩放或以其它方式减小晶体管组件的尺寸至少部分地取决于常规半导体制作技术的限制、在制作中所使用的材料的物理限制及制作操作装置所需的最低性质。举例来说，为了形成具有实现必要水平的低电阻的性质的典型栅极金属，通常需要大于5纳米的栅极厚度。在具有环绕栅极的VFET装置中使用5nm厚度的栅极金属，装置的总宽度必须考虑到栅极材料的宽度的两倍。因此，典型的VFET环绕栅极将使至少10纳米的VFET装置宽度被栅极导体耗用。

发明内容

本发明揭示一种包含垂直晶体管装置的半导体装置结构，其包括在衬底上面延伸的台面及在所述台面的第一侧上的第一栅极。所述台面包括在所述台面的第一侧与第二侧之间的沟道区。所述第一栅极包括第一栅极绝缘体及第一栅极导体，所述第一栅极导体包括上覆于所述第一栅极绝缘体上的石墨烯。

还揭示一种用于制作半导体装置结构的方法。所述方法包括：在衬底上形成多个金属籽晶；在所述多个金属籽晶中的每一者上形成导体材料以形成多个栅极导体；在所述多个栅极导体中的每一者上形成绝缘体材料以形成多个栅极绝缘体；及用沟道材料填充所述第一沟槽以形成沟道区。所述多个栅极绝缘体中的第一栅极绝缘体通过第一沟槽与所述多个栅极绝缘体中的第二栅极绝缘体分离。

揭示一种垂直晶体管装置阵列。所述阵列包括：第一多个台面，其在衬底上面延伸；第一多个绝缘体材料分段；第一栅极绝缘体，其沿着所述第一多个台面中的所述台面的所述第一侧；及第一栅极导体，其沿着所述第一栅极绝缘体，所述第一栅极导体包括石墨烯。所述第一多个台面中的每一台面具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧彼此相对且所述第二侧彼此相对。每一绝缘体材料分段将所述台面中的一者与所述第一多个台面内的另一台面分离。