以压电材料为IC器件的高频RBT的栅极介电质的方法与流程

本发明通常涉及一种集成电路(ic)器件的设计及制造。本发明特别适用于28纳米(nm)及其上下的技术节点的ic器件中的集成高频谐振体晶体管(rbt)。

背景技术：

一般而言，ic器件利用不同频率源来产生该ic器件中不同逻辑及/或模拟电路所使用的时钟信号。高质量(high-q)滤波器可用于通过将振荡器整合至具有提供适当增益的放大器的一正反馈回路中以产生振荡。这些振荡器是用于通讯系统以及模拟电子中的必不可少的一信号源。它们也可以被用于作为数字电子的一时钟源。高质量滤波器还可用于在通讯系统中选择特定的频段与信道，消除干扰，及抑制寄生传输，以及许多其他的用途。滤波器的质量因子q值越高，其对于不同信号与频段所提供的选择越好，以及由这些滤波器所构建的振荡器的相位噪声和抖动也越低。然而，在千兆赫(ghz)频段甚至10ghz频段范围下呈现高质量滤波器的设计是非常具有挑战性的。此外，在芯片(chip)上完成系统整合已成为满足日益增加的减少电子系统尺寸、重量以及功耗的需求的唯一方式。

从cmos金属层建构电感以允许生成芯片上lc谐振电路。这些都是单片集成电谐振器，并可轻易地实现10ghz的频率。然而，他们会受到低质量因子(q值小于50)以及电损耗较高的困扰。此外，芯片上电感通常会占据大的裸片(die)面积而无法安置其他的器件，导致了整体系统成本的增加。石英晶体以其高质量的因子(q值～10⁵)、低插入损耗以及低温系数，占据了半个世纪以来的高精度振荡器市场。然而，石英晶体被限制于几百兆赫的频率，且难以扩展到千兆赫的频率。由于不兼容的制造工艺，它们在cmos集成电路中的整合已被证明是非常具有挑战性的。

在cmos集成电路中用于滤波器应用的机械谐振器的单片集成是过去30年来多个研究工作中的重点。依靠机械谐振器的滤波器在电气化lc谐振电路上显示了优越的性能。微电子机械系统(mems)谐振器因其所具有的高品质因子，这些高品质因子通常超过10⁴，小尺寸(小于芯片上lc谐振电路1000倍)以及与cmos电路整合的能力，从而使其成为一个潜在的解决方案以解决当前时间及rf挑战性的需求。mems器件以及谐振器通常包括移动的表面。这些表面中的一些必须是自由的边界，且往往是整个mems器件必须被挂起。因此mems器件通常包括牺牲层以用于支持在制造过程中的器件，然后该牺牲层在一释放制程中被蚀刻以生成一自由挂起的器件。用于在cmos制程中集成mems谐振器的多种方案包括先mems，后mems，ic上mems以及cmos-mems均是可用的。该先mems技术为该mems器件在该cmos电路之前先被制造并在该cmos电路工艺的期间受到钝化层的保护。当cmos工艺完成，该mems器件被暴露并采用蚀刻该牺牲层予以释放。该后mems技术依赖于先制造该cmos电路。当该cmos电路制造完成，其在制造该mems器件时被钝化并受到保护，然后释放该mems器件以生成该所需的自由挂起结构。在上述两项技术中，该mems器件最终会损耗有价值的cmos面积。

ic上mems技术依赖于在已完成的cmos裸片的顶部生长该mems器件，其次是该必要的释放步骤。在上述所有技术中，该顺序处理的mems与cmos总是导致一个或另一个的一有限的热预算。同时，该cmos或mems的产量可能因为该额外的处理而受到明显的损害。cmos-mems器件是指通过图案化以及蚀刻已完成cmos裸片的后段工艺(beol)层所形成的器件。该cmos-mems后段工艺制造技术已被成功应用于低兆赫范围内的mems谐振器。由于需要更小的尺寸，而该cmos后段工艺处理相较于前段工艺(feol)处理通常具有较大的临界尺寸(cd)，因此扩展到千兆赫的频率是一个挑战。cmos-mems后段工艺器件通常包含有该后段工艺(beol)临界尺寸所定的较大的气隙(airgap)，其要求提供该mems器件提供更高的工作电压(10伏)，并使与cmos电路的接口更为复杂。

薄膜体声波谐振器(fbar)是另一种mems谐振器的变种，其被广泛地采用作为射频工业的滤波器。fbar提供高质量和低插入功耗，但由于他们属于厚型器件，因此它们的共振频率是由层厚所决定。这限制了他们在与cmos集成时每一晶圆(wafer)的单一频率的应用。

一些ic器件可使用谐振体晶体管作为一芯片上频率源，该芯片上频率源可提供更高频率以及更低相位噪声以改进传统例如电感电容(lc)谐振、石英晶体、或fbar的解决方案。cmos谐振体晶体管是未释放的mems谐振器，其作为该cmos前段工艺以及后段工艺中一不可或缺的一部分，没有任何额外的释放或钝化步骤。它们就像cmos工艺中的任意常规的场效应晶体管(fet)进行制作。随着一释放步骤以及额外的后处理的不足，cmos谐振体晶体管不会影响该cmos工艺或该谐振体晶体管本身的产量。同时，作为无空隙的未释放器件，它们固有地封装于该cmos裸片中，且无需任何特殊封装或密封处理。cmos谐振体晶体管包含一位于该cmos工艺的该feol(前段工艺)层中的机械谐振腔。该谐振体晶体管(rbt)谐振腔是从顶部通过该cmos制程的金属以及介电beol(后段工艺)层所形成的一维(1d)、二维(2d)或三维(3d)声子晶体(pnc)所定义。该cmos块体晶圆的全内反射用于从该底部达成能量约束，其连同该pnc定义出该腔体的垂直尺寸。图案化feol(前段工艺)层用于建构平面反射(in-planereflector)以实现横向能量约束并定义该水平腔体的尺寸。cmos谐振体晶体管利用来自该cmos技术的一常规的fet用于有源fet检测。该声波谐振腔内的机械应力调节该fet通道的流动性，以于该fet适当的加以偏置时，该外部电路中有一小的信号电流。

然而，目前的谐振体晶体管使用电容驱动以及感测方法以产生需要通过一跨阻放大器放大的弱频(例如1微西门子(micro-siemens；μs))信号从而获取一振动/时钟信号。cmos谐振体晶体管通过适用于cmos前段工艺中的mos电容器(或作为电容器的常规fet)的帮助进行静电驱动。该mos电容器上的电荷调制(通过该栅极电压)产生由这些电荷引起的该静电电压的一个调制，并在该机构中引起机械应力。cmos谐振体晶体管受益于该cmos的前段工艺所适用的小临界尺寸和固有的可扩展到千兆赫频率。cmos谐振体晶体管还可小至比几微米还小的尺寸，因此他们无需占用昂贵的裸片面积。随着该cmos谐振体晶体管可直接适用于该cmos裸片的前段工艺中，相较于其他的集成方案，至cmos电路的互连寄生是极小的。然而，减少/防止该声能量传播到该ic器件的不同部分(例如基板)的方法可能会限制可由该谐振体晶体管所产生的不同频率的信号的极限可用性。

因此，需要一种方法以利用谐振体晶体管生成并感测一ic器件及由此生成的器件中的高质量因子(q值)的更高频率的信号。

技术实现要素：

本发明的一个方面为提供一种方法，能利用压电材料作为一ic器件中rbt中的一栅极介电质，以生成并感测高质量的更高频率的信号。

本发明的另一方面为提供一ic器件，其包括压电材料在rbt中作为一栅极介电质以生成并感测高质量的更高频率的信号。

本发明的附加方面以及其他特征将在以下的说明书中予以描述，其中部分内容为根据以下的说明内容，对于本领域的技术人员而言是显而易见的，或可从本发明的实践中所习得。本发明的优点可通过所附的权利要求书中所特别指出的来实现或获得。

根据本发明的一些技术功效可以部分通过一种方法来实现，包括：形成包含多个传感rbt与驱动rbt的rbt于一半导体层的一上表面上，各该rbt包括一压电栅极介电层、一栅极、以及位于该压电栅极介电层的相对侧上与栅极上的一介电间隔，其中，至少一对传感rbt直接位于两组驱动rbt之间；形成通过层间介电层分隔的多层金属层于该rbt上方；以及形成通孔以通过该rbt上方的一介电层连接该rbt至一金属层。

一附加方面包括形成一压电介电层于该半导体层中的源极/漏极(s/d)区域的上方，并相邻于各该介电间隔。在一个方面，该金属层为固体层并形成一一维声子晶体。

另一方面包括分隔该金属层以形成一二维声子晶体。

另一方面包括形成相邻于该驱动rbt的一组终端rbt。

一个方面包括连接一直流电压(dc)至各该传感rbt的一栅极以于该传感rbt中形成一反转状态；以及连接一直流电压与一射频(rf)信号的组合至该传感rbt的一源极终端、一漏极终端、或上述两者的组合，其中，该射频信号的一相位为一相邻rbt的该射频信号的一相反相位。

在一方面中，该直流栅极电压为一n型rbt的一正直流电压以及一p型rbt的一负直流电压。

一附加方面包括连接一直流电压至各该驱动rbt的一栅极；以及连接一射频信号至该栅极或至一源极终端、一漏极终端、或上述的组合，其中，该射频信号的一相位为一相邻rbt的该射频信号的一相反相位。

本发明的另一个方面为提供一种器件，包括：包含多个传感rbt以及驱动rbt的rbt，其位于一半导体层的一上表面上，各该rbt包括一压电栅极介电层、一栅极、以及位于该压电栅极介电层的相对侧上与栅极上的一介电间隔，其中，至少一对传感rbt直接位于两组驱动rbt之间；多层金属层，其通过层间介电层分隔并位于该rbt上方；以及通孔，其通过该rbt上方的一介电层连接该rbt至一金属层。

一个方面包括一压电介电层，其位于该半导体层中s/d区域的上方并相邻于各该介电间隔。另一个方面，该金属层为固体层并形成一一维声子晶体。

在一个方面该金属层是分段的，以形成一二维声子晶体结构。

另一方面包括相邻于该驱动rbt的一组终端rbt。

一附加方面包括一直流栅极电压，其连接至各该传感rbt的一栅极以于该传感rbt中形成一反转状态；以及一直流电压与一射频信号的组合，其连接至该传感rbt的一源极终端、一漏极终端、或上述两者的组合，其中，该射频信号的一相位为一相邻rbt的该射频信号的一相反相位。

在一个方面，该直流栅极电压为连接至一n型rbt的一正直流电压源以及连接至一p型rbt的一负直流电压源。

另一个方面包括一直流电压，其连接至各该驱动rbt的一栅极；以及一射频信号连接，其连接至该栅极或至一源极终端、一漏极终端、或上述的组合，其中，在一差分驱动操作模式下，该射频信号的一相位为一相邻rbt的该射频信号的一相反相位。

本发明的附加方面以及技术效果通过以下详细描述对本领域技术人员而言是显而易见的，于下述的详细描述中，本发明的各实施例通过说明最好的模式来实施本发明的方式予以描述。本发明可通过其他以及不同的实施例来实现，且其中的一些细节能在不同的明显的方面进行修改，这些修改均属于本发明的范围。因此，该图示以及描述仅被视为是说明性的，而非用于限制。

附图说明

本发明是通过该附图中所示的实施例的方式予以说明，而非用以限制本发明，且图式中相关的数字是指代相似的元件，其中：

图1a为根据一示例性实施例所示的包括一二维声子晶体(pnc)的一半导体基板的一剖视图；

图1b为根据一示例性实施例所示的图1中该二维pnc的一金属层的一单细胞单元；

图1c及图1d为根据一示例性实施例所示的包括压电栅极介电材料的一pnc的一谐振体晶体管(rbt)栅极结构的形成；

图1e为根据一示例性实施例所示的图1a的该二维pnc中声能量的一图示；

图1f及图1g为根据示例性实施例所示的图1a的该二维pnc的频带的图示；

图1h为根据一示例性实施例所示的包括一一维pnc的一半导体基板的一剖视图；

图1i为根据一示例性实施例所示的图1h的该一维pnc的一金属层的一单细胞单元；

图1j为根据一示例性实施例所示的图1h的该一维pnc中声能量的一图示；

图1k及图1l为根据示例性实施例所示的图1h的该一维pnc的频段的图示；

图1m为根据一示例性实施例所示的图1h的该一维pnc的一俯视图；以及

图1n为根据示例性实施例，包括图1a及图1h的该谐振体晶体管的电气连接配置的示意说明。

具体实施方式

在下面的描述中，为了说明的目的，提出了了很多具体的细节以提供一透彻理解的示例性实施例。然而，需了解的是，这些示例性实施例可在没有这些具体细节或通过一个等效的安排的情况下予以实施。在其他情况下，是以框图的形式显示公知的结构以及器件，以期避免不必要的干扰性的示例性实施例。此外，除非另有说明，在说明书及权利要求书中所适用的所有表示数量、比例的数值，以及成分、反应条件的数值属性等均被理解为可在所有情况下通过术语“约”进行修改。

本发明涉及并解决了在一ic器件中通过利用声子晶体(pnc)生成高质量因子的高频信号所带来的局限性问题。本发明涉及并解决了例如特别是通过在rbt中利用压电材料替代传统栅极介电材料所导致的问题。

pnc是指在其色散关系中以带隙为特征的一维、二维或三维周期性结构。当弹性波通过位于该pnc带隙中的一个频率发生于一pnc上时，这种波由于可支持其传播的该结构的一本征振动模式的缺失而无法在该pnc中传播。因此，这种波在该pnc内逐渐衰减(decayevanascently)导致了该入射波的强反射。pnc作为对于其带隙中的频率的高反射声反射镜。为构建pnc，具有高声阻抗(应力波与位移速度的比率)对比度的材料是必需的。适用于该cmos后段工艺层的材料例如铜金属化(coppermetallization)、钨、低k电介质、二氧化硅、铜包覆层、蚀刻停止层、抗反射涂层等，它们所呈现的这些高声阻抗对比，使其成为理想的形成pnc的材料。由铜金属化以及低k电介质所构成的pnc已被用于由现有cmos谐振体晶体管的顶部提供声波约束。

图1a显示了一半导体基板101(例如硅(si)、硅锗(sige)、锗、铟镓砷化物(ingaas)等)的一剖视图，位于该基板层101的一上表面的一段之上的一介电层103、多个传感rbt105、多个驱动rbt107、以及多个终端rbt109(例如，有助于减少一音频信号的一强度/功率)。各该rbt105、107及109包括一栅极以及一压电栅介电层，如图1c所示。通过多个介电层113所分隔的多个分段/图案化金属层111以及多个可形成于该rbt上的层间介电层115。通过多个可形成的通孔117(例如通过一介电层103)以提供在该rbt105、107及109与位于该等rbt上方的一金属层111(例如第一金属层(metalone))之间的一连接通道。该层间介电层115可为一低k介电材料(例如，sicoh)形成于该金属层111的各段之间以及该层间介电层113之间。一栅极的一长度可例如为48nm，一金属层111的一宽度可为122nm，其在相邻的金属分段118之间具有一82nm的间隔。该分段金属层111可形成一二维pnc结构。

图1b显示了一金属层111的一单细胞单元，其具有a的宽度，包括该介电层113及115，包括一衬垫121(例如tan/ta)的一腔体119以及一金属填充123(例如铜)。

图1c显示了一rbt栅极结构，包括一介电间隔125(例如氮化硅(sin)、二氧化硅(sio2))，位于该基板101的一上表面的一界面介电层127(例如0.5nm厚度的sio2)，一压电(例如铁电质或反铁电质)栅极介电层129(例如2至5nm的厚度)，以及一栅极131(例如由多晶硅与硅化物、金属等所形成)。该栅极介电层129可例如由氧化锆铪(hfzro)或掺杂硅(si)、铝(al)、钆(gd)等的氧化铪(hfo2)所形成。如图1d所示，于该栅极形成之后，附加的压电介电层133(例如10至15nm的厚度)可形成于该基板101的该上表面上，该介电间隔125的相对侧上，以及该基板101中的s/d区域上方。一层间介电层135可形成于该压电介电层133的一上表面上，通过通孔119于该介电间隔125的相对侧上形成通过该层间介电层135直至该压电介电层133的该上表面的连接通道。每一个传感rbt的一栅极可连接至一直流偏置电压(例如大于一阈值电压)以于该传感rbt内引起一反转状态，其中该直流电压可为一n型(例如nmos)rbt的一正电压以及一p型(例如pmos)rbt的一负电压。一直流电压以及一rf信号的组合可以连接到该传感rbt的一源极终端、一漏极终端、或上述两者的组合，其中，该rf信号的一相位为一相邻rbt的该rf信号的一相反相位(例如,反向、交替)。此外，一直流电压可连接至每一个驱动rbt的一栅极，以及一rf信号可连接至该栅极或至一源极终端、一漏极终端、或上述的组合，其中，该rf信号的一相位为一相邻rbt的该rf信号的一相反相位。

图1e显示了图1a中的该rbt的一局部视图，其中，由各相邻的rbt(例如105a及105b)所产生的声能量/声波137为拉升或压缩(例如，180°反向)，其可通过kx＝π/a进行定义，其中，该细胞单元的宽度为a(如图1b所示)。在一块状器件中的声能量在所有方向上被限制。由金属线以及层间介电层构成的具有高对比度声阻抗的二维声子晶体可防止该机械谐振器上方的损耗。该横向隔离是利用声学布拉格反射(abr)所形成，但它们只针对一给定的波长有效(浅沟槽隔离与硅岛(siliconislands)必须通过一四分之一波长来分隔)。块状cmos中的机械谐振器具有许多可用的频率，但abr只针对其中一个有用。该块状器件中的损耗可利用差分驱动(differentialdriving)来防止。与谐振rbt结构的典型波长相比，该基板101(例如块状晶圆)可被认为是接近于无限大的一连续且均匀的介质。该基板101的本征模可被认为是一个线性色散关系为ω＝c|k|的平面波，其中，c为该基板101中的波速(例如纵向波和剪切波两者)，|k|是由kx和ky组成的该总波矢量的量级(magnitude)。某一kx组件可通过某种空间周期性的一激发来执行，其中，该基板101中的平面波的该色散关系可以表述为ω>ckx(其中ky可以假设为给定kx的任意值)。因此，对于一给定kx(由于激励周期)，频率波ω>ckx可在该基板101中自由传播。对于一给定kx，频率波ω<ckx可在该基板101中衰减而生成一全反射。因此，自然振动模式kx＝π/a与频率低于ω＝cshearπ/a可从该基板101完全反射。如果这些模式的频率也落入该pnc结构的该带隙，他们也可从该pnc反射并将受困于beolpnc金属层111与该基板101之间，以达到垂直约束。

图1f及图1g为一二维pnc的频带的图示。图1f为说明一二维pnc频带139，例如7到10ghz，其在图1g中被示为一不可简化布里渊区(brillouinzone；ibz)图。此外，图1f显示了x-m中其他频段的部分带隙141及143。

图1h显示了传感rbt105，驱动rbt107，以及固体金属层145以形成一一维(1d)pnc结构。图1i显示了一单细胞单元，其具有一宽度a以及一高度b，并包括金属层145(例如铜)以及该介电层113及115。

如图1j所示，一一维pnc结构可无需终端栅极(terminationgate)(例如图1a中的rbt109)，而为高频段的该声能量147提供更有效的约束。然而，位于传感栅极的该信号可能较弱。

图1k及1l为一一维pnc中的频段带隙的图示。图1k显示了在一k空间中沿着该x-m方向的多个局部带隙149，其对应kx＝π/a以及ky，假设数值从0到π/b，其中，a和b对应图1i的该细胞单元的尺寸。图1l所示的是包括该带隙149的一对应的ibz图。

图1m为一一维pnc的俯视图，其包括直接设于两组驱动rbt107之间的一对传感rbt105上方的该栅极介电间隔125。该传感方案改善了传感栅极的信号。

图1n包括rbt的电性连接配置的示意说明图。例如，对于一rbt151，一dc与rf信号的组合153可施加至一栅极终端155，而s/d终端157/159可连接至一共同接地端。另外，对于一rbt161，一直流(dc)栅极信号163可施加至一栅极终端165，且一dc与rf信号的组合167可施加至该漏极终端(或源极)，而该源极终端(或漏极)可接地。此外，对于一rbt169，一直流栅极信号171可施加至一栅极终端173，而一dc与rf信号的组合175可施加至s/d终端。各个rbt的尺寸与电性连接可表示该rbt作为一传感rbt、一驱动rbt、或一终端rbt的功能。

本发明的实施例可达成多种技术功效，包括利用压电材料作为一ic器件中的rbt内的一栅极介电以生成并感测高质量的更高频率的信号。此外，这些实施例适用于各种工业应用，例如，微处理器、智能手机、手机、机顶盒、dvd刻录机及播放器、汽车导航仪、打印机及外设、网络及电信器件、游戏系统、数码相机、或其他利用逻辑或高电压技术节点的器件。因此，本发明具有各种类型的高集成半导体器件的产业适用性，包括使用sram单元的器件(例如液晶显示器(lcd)驱动、数字处理器等)，尤指28纳米及其上下技术节点的器件。

在前述的描述中，本发明结合参考具体的示例性实施例予以描述。然而，需明确的是，在不悖离本披露的精神及范围的前提下，即如本发明的权利要求范围，可做出不同的修改以及变化。因此，该说明书以及附图均被视为是说明性的，而非限定性的。需了解，本发明能够使用各种其他的组合及实施例，并能够在本发明的概念所表述的范围内进行任意的变更或修改。