垂直堆叠的晶体管结构的制作方法

本发明概念一般涉及半导体加工，且具体涉及垂直堆叠的晶体管结构的加工处理。

背景技术：

1、为了提供更具面积效率的电路设计，正在开发垂直堆叠的半导体器件。一个示例是所谓的互补场效应晶体管(fet)设计，其中两个水平沟道晶体管相互堆叠，使得第一晶体管的水平沟道部分被布置在另一晶体管的水平沟道部分上方。

2、然而，垂直堆叠设计的发展导致加工流程越来越具有挑战性且越来越复杂。顶部和底部器件的对准，以及器件之间的垂直间隔的定义，已经证明是特别具有挑战性的。因此，需要提供垂直堆叠的晶体管结构的替代和改进的技术。

技术实现思路

1、本发明概念的目的是提供一种用于形成垂直堆叠在衬底上的第一晶体管结构和第二晶体管结构的替代和改进的方法。可从下文中理解其他目的或另外一些目的。

2、根据本发明构思的一个方面，提供了一种用于由第一沟道层形成第一晶体管结构和由第二沟道层形成第二晶体管结构的方法，其中第一沟道层和第二沟道层垂直堆叠在衬底上。该方法包括：

3、在第一沟道层上形成第一栅极结构；

4、在第一沟道层中形成第一源极/漏极部分和第二源极/漏极部分，其中第一和第二源极/漏极部分被布置在栅极结构的相对侧上；

5、在第一沟道层上方形成接触第一栅极结构以及第一和第二源极/漏极部分的第一接触结构；

6、从背面减薄衬底以暴露第二沟道层；

7、在第二沟道层上形成第二栅极结构；

8、在第二沟道层中形成第三源极/漏极部分和第四源极/漏极部分，其中第三和第四源极/漏极部分被布置在栅极结构的相对侧上；和

9、形成从背面接触第二栅极结构和第三和第四源极/漏极部分的第二接触结构。

10、本发明的概念允许第一晶体管结构和第二晶体管结构由包括第一和第二沟道层的堆叠结构形成。这可以与现有技术形成对比，在现有技术中，各晶体管结构的顶部的晶体管结构替代地是通过将顶部器件粘合到底部器件而形成的。从堆叠结构形成晶体管结构具有优于基于粘合的加工的几个优点，这将在下面进一步详细讨论。一个优点是每个晶体管结构的有源区，即第一和第二沟道层两者的横向延伸，可以在一个共同的图案化步骤中被限定，而不是在粘合步骤中。本发明概念的另一个优点是，它允许第一和第二沟道层的垂直分离由堆叠(而不是由任何粘合层)的配置来决定。

11、因此，可以在第一沟道层和第二沟道层之间形成分离层。优选可以是包括半导体氧化物或金属氧化物的介质层的分离层，可以例如通过用介质层代替外延生长的牺牲层来被形成外延加工具有允许分离层的相对良好受控的厚度的优点，该厚度也可以根据具体的器件设计而变化。第一和第二晶体管结构之间的垂直间隔可以基于用于沟道层和牺牲层的材料的选择而变化。分离层的厚度可以例如在50nm或更小的范围内。

12、还应当理解，分离层可以分两步来被形成，其中第一步包括形成(外延)牺牲层，该牺牲层在随后的步骤中被最终的分离层代替，该分离层优选可以包括介质材料或绝缘体。牺牲层可以例如由相对于第一和第二沟道层的材料具有蚀刻选择性的半导体材料形成，以允许其被选择性地去除。因此，第一和第二沟道层可以例如包括第一ge含量的sige，以及允许其被介质材料选择性地替代的第二ge含量的牺牲层sige。在进一步的例子中，第一和第二沟道层可以由si和sige的牺牲层形成。

13、第一和第二沟道层可以是不同的导电类型，其中第一沟道层例如可以是n掺杂类型，而第二沟道层是p掺杂类型，或者反之亦然，以允许形成互补器件。因此，第一晶体管结构可以形成nmos器件，而第二晶体管可以形成pmos器件，反之亦然。

14、如上所述，第一和第二沟道层可以以堆叠的方式来被布置，而分隔层被布置在它们之间。应当理解，第一和第二沟道层中的每一个都可以包括被布置在与另一种材料(例如类似于上面讨论的牺牲材料或分离层)交错的一个或几个层中的半导体材料，例如诸如sige。

15、在一些示例中，通过在堆叠中形成沟槽，可以将堆叠图案化成细长结构，例如鳍。因此，可以通过穿过堆叠蚀刻两个平行的沟槽来形成鳍。通过形成鳍，第一和第二沟道层的横向延伸可以由鳍的宽度决定。这允许第一和第二沟道层以及进而第一和第二晶体管器件彼此自对准。

16、在一个实施例中，可以通过提供第一半导体材料的第一和第二沟道层以及布置在第一和第二沟道层之间的第二半导体材料的牺牲层来形成堆叠。然后可以通过半导体材料的选择性蚀刻去除牺牲层，以在第一和第二沟道层之间形成空腔。然后，可以用绝缘或介电材料填充该空腔，该绝缘或介电材料也可以被沉积在限定鳍的沟槽中。

17、在一些示例中，第一和第二沟道层中的至少一个可以包括堆叠有第二半导体材料的各层的第一半导体材料的多个有源层或沟道层结构。在这种情况下，可以通过选择性蚀刻第二半导体材料来去除第二半导体材料的各层，以在第一半导体材料的各层下面形成空腔。然后，可以用绝缘材料填充这些空腔，使得沟道层的沟道层结构以及第一和第二晶体管结构之间的间隔都由相同的绝缘材料形成。这在第一和第二晶体管结构在io器件中实现的应用中可能特别有利。

18、第一和第二沟道层中的至少一个可以例如包括第一半导体材料的多个垂直堆叠的有源层或沟道层结构。这些结构可以例如形成纳米片或纳米线。有源层可以通过分离层彼此分离，分离层可以在类似于上述加工的替换加工处理中已经被形成。

19、因此，应当理解，为了本公开的目的，术语“鳍”通常指包括第一和第二沟道层的细长特征，第一和第二晶体管结构将从所述第一和第二沟道层形成。每个沟道层进而可以包括一个或几个有源层或半导体层结构，晶体管器件将由它们形成。沟道层可以包括形成例如鳍式场效应晶体管(finfet)器件的单个有源层，或者以堆叠方式布置的多个有源层。这种活性层的例子包括如上所述的纳米线和纳米片。因此，本公开允许堆叠结构，其中第一晶体管结构是finfet器件，而第二晶体管结构是finfet器件、纳米片器件或纳米线器件，或者finfet、纳米片和纳米线器件的任何其他组合。

20、栅极结构可以在所谓的替代金属栅极rmg加工中被形成，该加工被理解为形成伪栅极结构，该伪栅极结构随后被栅极堆叠替代。在加工源极/栅极部分时，伪栅极结构可以用作占位物，并且可以理解为增加加工期间的热预算的一种方式。此外，伪栅极允许源极/漏极部分与栅极对准。因此，该方法可以包括在第一沟道层之上(或上方)形成伪栅极结构，并且在形成第一和第二源极/漏极部分之后用栅极堆叠替换伪栅极结构。类似地，在已经形成第三和第四源极/漏极部分之后，可以在第二沟道层之上(或上方)形成伪栅极结构，并用栅极堆叠代替。此后，可以形成栅-栅连接。

21、在一些示例中，粘合层可被形成在第一沟道层上方，以允许载体晶片粘合到其上。载体晶片可被用于倒转或上下翻转衬底，以允许从衬底的背面开始进行加工。例如，可以在第一沟道层中形成第一和第二源极/漏极部分之后，并且在第一接触结构之前(并且在rmg的情况下，在形成栅极堆叠之前)执行所述倒转。这允许在形成接触层(和栅极堆叠)之前，在第二沟道层中形成第三和第四源极/漏极部分，从而增加热预算。然而，在可替换的例子中，第一接触结构(和栅极堆叠)以及进一步的后道工序(beol)便于从晶片的两侧输送功率的金属层，可以在倒转之前形成。

22、因此，应当理解，在本公开的上下文中，可以根据衬底的正面和背面来描述衬底，其中第一晶体管结构可以至少部分地从正面加工，而第二晶体管结构至少部分地从背面加工。“从背面”加工也可以称为“从下面”，无论衬底是否已倒转。

23、在一些示例中，在倒转之前，可以从衬底的一部分去除第一和第二沟道层。这可以例如通过穿过衬底的水平“切割”来实现，以减少在减薄加工中需要去除的材料量，以暴露第二沟道层用于后续加工。

24、将明白，第一和第二沟道层水平地(即沿着衬底的延伸部的主平面)延伸，并且可以在与衬底的延伸部的主平面正交的垂直方向上布置在彼此上方。此外，将明白，第一和第二沟道层被布置在衬底的同一侧上。第一和第二沟道层中的每一者可以包括一层或若干层，诸如纳米片，这取决于要形成的所得晶体管器件的设计和配置。

25、术语“衬底”可理解成例如硅或介电材料的底层，其上方堆叠有第一和第二沟道层。

26、栅极堆叠可以包括栅极介质，例如包括低k介质和/或高k介质，以及一个或几个导电栅极层或金属层。