半导体开关结构的制作方法

本发明实施例是关于半导体集成电路，更具体关于半导体开关结构。

背景技术：

电源闸(powergating)是低功耗应用的一种技术。通过电源闸，高速芯片可以保持高频率运作，但没有使用的区段会关闭以节省功耗。这样的技术可以通过使用半导体场效晶体管(fieldeffecttransistor,fet)开关达到，其中需要极小的导通电阻(ron)与高的导通电流-断路电流比例。芯片的电阻电位降(irdrop)希望尽可能的越小越好。当元件尺寸缩小，前段制程(front-end-of-line,feol)因为扩散而电阻上升、接触区域缩小。而且，后段制程(back-end-of-line,beol)因为缩小金属导体的宽度与通柱尺寸而电阻上升。

技术实现要素：

本揭露的一态样是提供半导体开关结构，包含：一接触，接触包含源极接触与漏极接触，一栅极，其中接触与栅极沿着第一方向延伸并在垂直于第一方向的第二方向上彼此间隔，其中栅极散布于接触之间，一鳍片，其位于接触与栅极两者之下，沿第二方向延伸并且在第一方向彼此间隔，一接触柱，其沿伸穿过接触之一，且未与栅极或鳍片碰触，一栅极柱，其沿伸穿过栅极之一，且未与接触或鳍片碰触，以及一接触-栅极柱，其与接触与栅极两者碰触，但未与鳍片碰触。

附图说明

为了让本案内容叙述更易懂，在读以下描述的时候应参照图示。要注意的是，依据实际业界的作法，许多特征并非依照比例绘制。实际上，各种特征的尺寸可能会任意的增大或缩小，以使所述更为清楚。所附附图的说明如下：

图1与图2根据一些实施例绘示两个包含例示性鳍式场效晶体管开关的例示性电路；

图3为根据一些实施例的例示性开关结构的透视图；

图4为根据一些实施例的开关结构的上视图；

图5为根据一些实施例对应图4线5-5的剖面图；

图6为根据一些实施例对应图4线6-6的剖面图；

图7类似于图4，根据一些实施例绘示了开关结构占据的矩形区域的边缘；

图8根据一些实施例绘示开关结构相对于联络开关结构的邻近电路位置的例示性位置；

图9类似于图4，根据一些实施例绘示了替代开关结构的上视图；

图10为侧视图，对应图6的线10-10，绘示开关结构的栅极柱对准开关结构的栅极中间的配置；

图11为类似于图10的侧视图，绘示开关结构的栅极柱未对准栅极中间并且碰触开关结构的源极的配置；

图12为类似于图10的侧视图，根据一个不同的实施例，屏障材料位于源极之上与旁边；

图13为类似于图12的侧视图，绘示栅极柱未对准准栅极中间并且通过屏障材料与源极隔开。

具体实施方式

以下公开提供许多不同实施例，或示例，以建置所提供的标的物的不同特征。以下叙述的成份和排列方式的特定示例是为了简化本公开。这些当然仅是做为示例，其目的不在构成限制。举例而言，元件的尺寸不被揭露的范围或数值所限制，但可以取决于元件的制程条件与/或所需的特性。此外，第一特征形成在第二特征之上或上方的描述包含第一特征和第二特征有直接接触的实施例，也包含有其他特征形成在第一特征和第二特征之间，以致第一特征和第二特征没有直接接触的实施例。为了简单与清晰起见，不同特征可以任意地绘示成不同大小。

再者，空间相对性用语，例如“下方(beneath)”、“在…之下(below)”、“低于(lower)”、“在…之上(above)”、“高于(upper)”等，是为了易于描述附图中所绘示的元素或特征和其他元素或特征的关系。空间相对性用语除了附图中所描绘的方向外，还包含元件在使用或操作时的不同方向。仪器可以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，而本文所用的空间相对性描述也可以如此解读。

在本说明书的某些情况下，一个词汇之后的括号中会有替代词汇或基本相等的词汇。

图1与图2绘示包含开关9的例示性电路，开关9由控制器11(控制电路)所控制。在此示例中，开关9为场效晶体管(fieldeffecttransistor,fet)。场效晶体管9的功能为从电源vdd选择性导通电路至逻辑区12的开关。图1中，开关9在电路的顶部区域(headerregion)，从电源电压vdd提供电流至逻辑区12。图2中，逻辑区12从vdd直接获取电流，而开关9位于电路的底部区域(footerregion)，从逻辑区12获取电流至接地(gnd)。

图3与图4依序为例示性开关9的结构10的透视图以及上视图。开关结构10包含源极接触21、漏极接触22以及栅极23。接触21、22与栅极23在纵向延伸(图4中箭头a)，并且在垂直于纵向的横向彼此间隔(图4中箭头b)。纵向a与横向b可以依序称为第一方向与第二方向。栅极23位于源极接触21与漏极接触22之间。而接触21、22位于两栅极23之间。开关结构10包含横向延伸的重复的栅极、源极、栅极、漏极的序列。栅极23散布(交织)于接触21、22之间。

接触21、22与栅极23电性与物理连接至位于接触21、22与栅极23之下的一系列鳍片24。鳍片24在横向延伸并且在纵向彼此间隔。接触21、22与栅极23直接碰触其下的鳍片24，其间没有任何中间层。图5与图6绘示鳍片24的剖面图，其中鳍片24的宽度在各图中水平延伸。如图5所示，在此示例中的接触21、22直接碰触鳍片24的上表面24t整个宽度(或基本上整个宽度，例如超过全部宽度的95％)，并且未与鳍片24的相对侧表面24s碰触。如图6所示，在此示例中的栅极23直接碰触鳍片24的上表面24t整个宽度(或基本上整个宽度，例如超过全部宽度的95％)，并且与鳍片24的每个相对侧表面24s的整个高度(或基本上整个高度，例如超过全部高度的95％)碰触。

如图3-4所示，开关结构10还包含不同的通柱25。接触柱(源极柱或漏极柱)延伸穿过接触21、22，且未与栅极23或鳍片24碰触。栅极柱延伸穿过栅极23，且未与接触21、22或鳍片24碰触。接触-鳍片柱与接触21、22以及鳍片24碰触，且未与栅极23碰触。栅极-鳍片柱与栅极23与鳍片24碰触，且未与接触21、22碰触。

接触21、22、栅极23与鳍片24覆盖整个覆盖区域30，覆盖区域30具有如图4虚线所示的多边形边缘31。

如图7的粗矩形轮廓所示，在这个示例中整个覆盖区域30包括较窄的矩形区域40、第一较宽的矩形区域41以及第二较宽的矩形区域42。

每个矩形区域40、41、42由纵向延伸的左边缘40l、41l、42l(第一侧边缘)与纵向延伸的右边缘40r、41r、42r(第二侧边缘)界定，其中左边缘与右边缘一起依序界定矩形区域40、41、42的横向延伸宽度40w、41w、42w。第一较宽的矩形区域41的宽度41w大于第二较宽的矩形区域42的宽度42w，宽度42w本身大于较窄的矩形区域40的宽度40w。每个矩形区域40、41、42更由横向延伸的上边缘40t、41t、42t以及横向延伸的下边缘40b、41b、42b界定，其上边缘与下边缘界定各自的矩形区域40、41、42的纵向延伸长度40d、41d、42d。

较窄的矩形区域40与第一较宽的矩形区域41邻接较窄的矩形区域40的下边缘40b，下边缘40b与第一较宽的矩形区域41的上边缘41t重合。较窄的矩形区域40与第二较宽的矩形区域42邻接较窄的矩形区域40的上边缘40t，上边缘40t与第二较宽的矩形区域42的下边缘42b重合。

第一较宽的矩形区域的左边缘41l位于较窄的矩形区域的左边缘40l的左侧。第一较宽的矩形区域41的左突出41lp向左延伸超过较窄的矩形区域的左边缘40l。第一较宽的矩形区域的右边缘41r位于较窄的矩形区域的左边缘40r的右侧。第一较宽的矩形区域41的右突出41rp向右延伸超过较窄的矩形区域的右边缘40r。

第二较宽的矩形区域的左边缘42l与较窄的矩形区域的左边缘40l共线。第二较宽的矩形区域的右边缘42r位于较窄的矩形区域的右边缘40r的右侧。第二较宽的矩形区域42的右突出42rp向右延伸超过较窄的矩形区域的右边缘40r。

较窄的矩形区域40与第一较宽的矩形区域41一起组成开关结构占据的t型第一覆盖区域。较窄的矩形区域40与第二较宽的矩形区域42一起组成开关结构占据的l型第二覆盖区域。

一些接触21、22与一些栅极23延伸完全(基本上完全)穿过较窄的矩形区域40与第一和第二较宽的矩形区域41、42。那些接触21、22与栅极23因此也延伸完全(基本上完全)穿过第一与第二覆盖区域两者。位于较宽的矩形区域的突出41lp、41rp、42rp中的其余的接触21、22与其余的栅极23并未延伸入较窄的矩形区域40。

一些鳍片24延伸完全(基本上完全)穿过较窄的矩形区域40。其余的鳍片24延伸完全(基本上完全)穿过第一较宽的矩形区域41。还有其他的鳍片24延伸完全(基本上完全)穿过第二较宽的矩形区域42。

在此示例中，整个第一覆盖区域(包含40与41)，与整个第二覆盖区域(包含40与42)，具有以下特征：接触21、22的横向延伸宽度是一致的，可以为6-30nm。栅极23的横向延伸宽度是一致的，可以为10-30nm。鳍片24的纵向延伸宽度是一致的，可以为4-15nm。栅极23与栅极邻近的接触21、22之间的横向延伸间隔是一致的，可以为6-30nm。相邻的鳍片之间的纵向延伸间隔是一致的，可以为10-40nm。鳍片到鳍片的间距是一致的，可以为10-40nm。上述各参数的范围(如有关宽度、间隔、间距的参数)为例示性的范围。减小这些参数的每一个值可能的优点为可以实现更小的电路尺寸。减小这些参数的每一个值的另一个可能的优点为实现栅极、接触与鳍片数量增加，以及增加栅极与鳍片之间和接触和鳍片之间的接触面积，这些会形成较低的导通电阻。另一方面，增加这些参数的每一个值可能的优点为通过每个组件可以相对于组件的整体尺寸定位，以实现较好的精度。因此，上述的每个参数范围可以最佳化，以平衡小尺寸与较低的导通电阻的优点以及相对定位精准的优点。

每个突出41lp、41rp、42rp可以位于联络开关结构10的电路之上或之下，或向外延伸以接合或邻近联络开关结构10的电路。举例来说，第一较宽的矩形区域的左突出41lp向左延伸至控制开关结构10的控制电路11(第1-2图)。第一较宽的矩形区域的右突出41rp可以位于开关结构控制电流流向(选择性导通)的逻辑电路12之上或之下。第二较宽的矩形区域的右突出42rp可以位于另一个电路、逻辑单元、顶部单元与/或tap单元区域之上或之下，或相邻于另一个电路、逻辑单元、顶部单元与/或tap单元区域。

开关结构10包含未覆盖区域50(图8)，如开关覆盖区域未向外延伸的区域。这些未覆盖区域50没有开关结构10的组件，并为电路的其他组件51(例如逻辑组件)腾出空间。

举例来说，接触21、22可以由一或多种选自铝、钴、铜、钨或其他适合材料的材料构成。

举例来说，栅极23可以由一或多种选自氮化钛、钨、铜、钴或其他适合材料的材料构成。

举例来说，鳍片24可以由一或多种选自硅、硅锗、砷化硅锗或其他适合材料的材料构成。

如果开关结构10位于顶部区域(如图1)，开关结构10为p型金氧半场效晶体管(pmos)。如果开关结构10位于底部区域(如图2)，开关结构10为n型金氧半场效晶体管(nmos)。

图8绘示一个半导体元件内开关结构10外面的电路位置的示例，其位置相对于开关结构10。控制电路12可以控制顶部和底部的开关结构10的开与关(图1与图2)。tap区域(单元)可以界定阱电压(vdd的n阱与gnd的p阱)。

图9绘示另一个开关结构10’，其类似图3-4的开关结构10，并且具有与开关结构10一样的形状与尺寸。开关结构10’与图3-4的例示性开关结构10不同的地方在于，开关结构10’具有缺乏鳍片的无鳍区域60(也就是不含鳍片)。相较于开关结构10’的其他区域(无鳍区域60之上与之下)的鳍片到鳍片的间距(s2)，开关结构10’的无鳍区域60具有更大的鳍片到鳍片的间距(s1)。相反的，因为没有无鳍区域，图3-4的开关结构10的鳍片到鳍片的间距在整个开关结构中是一致的。在图9中，全部的栅极柱(延伸穿过栅极23的通柱25)位于无鳍区域60中。相反的，在图3-4的示例中，一些栅极柱25位于鳍片24的正上方，而其他在非无鳍区域内的栅极柱则位于两邻近鳍片24之间。图3-4的开关结构10具有一系列连续的鳍片，不会被无鳍区域中断。相对于图9的开关结构10’，开关结构10就好像是图9的无鳍区域60的上下合在一起，而除去无鳍区域60。图3-4的开关结构10缺乏无鳍区域，这提供了相较于图9的开关结构10’在同样的覆盖区域下较大数量的鳍片。

图3-4的例示性鳍式场效晶体管开关结构非常适用于低电压的应用，像是电源电压vdd为1.1v或更小，例如0.3v-1.1v。其中一个理由为此例示性开关结构10并不具有如开关结构10’的无鳍区域。先前技术的开关结构具有无鳍区域是因为后述理由。未完全对准栅极中间的不对齐的栅极柱，可能会碰触(接触)邻近的源极/漏极接触。在先前技术中，为了避免栅极柱碰触源极/漏极接触，在栅极柱的附近，先前技术的源极/漏极接触的上表面位于相对于邻近栅极的上表面较低的水平。在栅极柱附近，接触上表面相对于栅极上表面的降低避免了不对齐的栅极柱碰触接触。在先前技术中，为了帮助降低接触的上表面，在栅极柱的附近移除了一或多个鳍片。相对于先前技术，图3-4的例示性鳍式场效晶体管中栅极柱的附近，邻近的接触21、22位于鳍片24之上。

如上述说明，图3-4的开关结构10缺乏无鳍区域，而是完全被鳍片覆盖。因此，就每个区域的鳍片数量而言，图3-4的开关结构10较包含无鳍区域的图9的开关结构10’多。当图3-4的开关结构10的鳍片数量越多(相较于图9的开关结构10’)，产生越大的开关覆盖区域30的每个单位区域的鳍片接触面积(如鳍片24碰触接触21、22与栅极23)。越大的鳍片接触面积，反过来说就是产生越小的导通电阻，因为导通电阻与鳍片接触面积呈现负相关。较低的导通电阻，可以让图3-4的开关结构在较低的电源电压下运作。这是因为降低导通电阻可以增加电流，而且因此抵消在较低的电源电压下可能发生的电流减少。

另一个图3-4的鳍式场效晶体管开关结构非常适用于低电压应用的理由是开关的覆盖区域(由边缘31环绕)没有限制为单一矩形，而是沿着向外突出超过窄矩形40的基于突出的图案(突出41lp、41rp、42rp)。突出41lp、41rp、42rp延伸进入半导体元件的小空位，这些小空位在开关覆盖区域限制为单一矩形时，开关无法延伸进入其中。举例来说，相较于无法延伸进入小空位的单一矩形，突出可以提供增加40％或50％以上的覆盖区域。突出可以在顶部/底部区域外增加额外的鳍片区域。图3-4基于突出的开关结构10中覆盖区域较大，所产生的导通电阻也比不包含突出的开关结构低。较低的导通电阻，也就是说，可以让基于突出的开关结构10在相较于未含有突出的开关结构更低的电源电压下运作。

图3-4开关结构10基于突出的图案也允许与联络开关结构的外部电路重叠，而不是通过一个水平距离外的金属线来与外部电路联络。通过让开关结构10的鳍片24延伸至开关覆盖区域30之上与其他逻辑的覆盖区域之中(如另一个鳍式场效晶体管或非鳍式场效晶体管)，可以实现非矩形的形状。

图10是一部分开关结构10的侧视图，对应图6的线10-10。图10绘示源极接触21、漏极接触22、位于鳍片24之上的栅极23与位于栅极23之上的栅极柱25。栅极柱25准确对准栅极23的中间，并且与源极接触21和漏极接触22间隔开。图11是类似于图10的侧视图，其绘示栅极柱25并未准确对准栅极23中间的配置。栅极柱25相对于栅极23而言偏离中心(未对准)，且碰触源极22。

图12-13是类似于图10-11的侧视图，其根据一个有助于避免栅极柱碰触源极与漏极的实施例绘示。类似图10的实施例，图12的实施例具有源极接触121、漏极接触122与位于鳍片124之上的栅极123与位于栅极123之上的栅极柱125。然而，图12的实施例与图10的实施例不同的地方如下所述。屏障材料的侧绝缘屏障126配置于栅极123与接触121、122之间。接触121、122的上表面较栅极123的上表面低。绝缘材料的上绝缘屏障127(如与屏障126一样的屏障材料)位于每个接触121、122之上。上绝缘屏障127具有与接触121、122的上表面同水平(如共平面)的上表面。如图13所示，如果栅极柱125没有对齐而朝向其中一个接触122，栅极柱125会被接触122的上屏障材料接触127挡住。此外，侧绝缘屏障126避免栅极柱125与接触121、122的侧面碰触。

在一个实施例中，半导体开关结构包含源极接触、漏极接触、栅极与鳍片。接触与栅极沿纵向延伸，并在垂直于纵向的横向彼此间隔。栅极散布于接触之间。鳍片位于接触与栅极两者之下。鳍片沿横向延伸并且在纵向彼此间隔。接触柱延伸穿过接触之一，且未与栅极或鳍片碰触。栅极柱延伸穿过栅极之一，且未与接触或鳍片碰触。接触-栅极柱与接触和栅极碰触，未与鳍片碰触。

在一个实施例中，半导体开关结构还包含覆盖区域，其中开关结构延伸穿过覆盖区域，覆盖区域由邻接在一起的较窄的矩形区域与较宽的矩形区域界定，其中每个较窄的矩形区域与较宽的矩形区域由以下界定：第一侧边缘与沿第一方向延伸的相对的第二侧边缘一起界定各矩形区域的宽度，其中较宽的矩形区域的宽度较较窄的矩形区域的宽度宽；以及上边缘与沿第二方向延伸的下边缘一起界定各矩形的长度；其中较窄的矩形区域的上边缘与较宽的矩形区域的下边缘重合，且其中至少接触之一延伸完全穿过较窄的矩形区域与较宽的矩形区域两者。

在一个实施例中，至少一些接触延伸完整穿过较窄的矩形区域以及较宽的矩形区域两者。

在一个实施例中，至少一些栅极延伸完整穿过较窄的矩形区域以及较宽的矩形区域两者。

在一个实施例中，在较窄的矩形区域中的全部栅极以及在较窄的矩形区域中的全部接触延伸完整穿过较窄的矩形区域以及较宽的矩形区域两者。

在一个实施例中，一些鳍片延伸完整穿过较窄的矩形区域，而其余的鳍片延伸完整穿过较宽的矩形区域。

在一个实施例中，较宽的矩形区域沿第二方向延伸，并超出较窄的矩形区域的第一侧边缘。

在一个实施例中，较宽的矩形区域沿第二方向延伸，并超出较窄的矩形区域的第二侧边缘。

在一个实施例中，较宽的矩形区域的突出位于控制开关结构的控制电路之上或之下，突出沿第二方向突出超出较窄的矩形区域。

在一个实施例中，较宽的矩形区域的突出位于开关结构控制电流流向的逻辑电路之上或之下，突出沿第二方向突出超出较窄的矩形区域。

在一个实施例中，覆盖区域包含接触宽度、栅极宽度、鳍片宽度。接触宽度沿第二方向延伸，接触宽度是一致的。栅极宽度沿该第二方向延伸，栅极宽度是一致的。鳍片宽度沿第一方向延伸，鳍片宽度是一致的。每个栅极与邻近栅极的接触的间隔是一致的。每个邻近的鳍片的间隔是一致的。

在一个实施例中，至少鳍片之一直接碰触至少一个接触与一个栅极。

在一个实施例中，半导体开关结构还包含绝缘屏障。绝缘屏障至少具有位于接触之一之上的下表面与具有和栅极的上表面共平面的上表面。

在另一个实施例中，半导体开关结构包含源极接触、漏极接触与栅极。接触与栅极沿纵向延伸并且在垂直于纵向的横向彼此间隔。栅极散布于接触之间。鳍片位于接触与栅极两者之下。鳍片沿横向延伸并且在纵向彼此间隔。一覆盖区域，其中开关结构延伸穿过覆盖区域，覆盖区域由邻接在一起的较窄的矩形区域与较宽的矩形区域界定。每个较窄的矩形区域与较宽的矩形区域由界定各矩形横向延伸宽度的纵向延伸的左边缘与纵向延伸的右边缘一起界定，其中较宽的矩形区域的宽度比较窄的矩形区域的宽度大。每个较窄的矩形区域与较宽的矩形区域更由界定较窄的矩形纵向延伸长度的横向延伸的上边缘与横向延伸的下边缘一起界定。较窄的矩形区域与较宽的矩形区域通过较窄的矩形区域的横向延伸边缘之一邻接在一起，较窄的矩形区域的横向延伸边缘之一与较宽的矩形区域的横向延伸边缘之一重合。至少一接触延伸完全穿过较窄的矩形区域与较宽的矩形区域两者。

在另一个实施例中，全部接触延伸完全穿过较窄的矩形区域与较宽的矩形区域两者。

在另一个实施例中，至少一些栅极延伸完全穿过较窄的矩形区域与较宽的矩形区域两者。

在另一个实施例中，全部栅极延伸完全穿过较窄的矩形区域与较宽的矩形区域两者。

在另一个实施例中，至少一些鳍片延伸完全穿过较窄的矩形区域，而其余鳍片延伸完全穿过较宽的矩形区域。

在另一个实施例中，半导体开关结构包含源极接触、漏极接触与栅极。接触与栅极沿着纵向延伸并且在垂直于纵向的横向上彼此间隔。栅极散布于接触之间。鳍片位于接触与栅极之下。鳍片沿着横向延伸并且在纵向上彼此间隔。每一个鳍片包含一上表面与两相对侧表面。每一个接触沿着鳍片的上表面的全宽与鳍片的两相对侧表面的全高至少与一个鳍片直接碰触。

前面概述了几个实施例或示例的特征，使得本领域的技术人员可以更好地理解本揭露的方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本揭露作为设计或修改用于实现与本揭露的实施例或示例的相同目的与/或实现相同优点的其他制程和结构的基础。本领域技术人员还应当了解，这样的等同结构不脱离本揭露的精神和范围，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作各种的更动、替换和更改。