背景技術(shù)：

公開的技術(shù)大體上涉及半導(dǎo)體器件，更具體地涉及鰭狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finfet)。

晶體管的物理縮小在每一代技術(shù)中不斷構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。技術(shù)創(chuàng)新諸如應(yīng)變工程(如應(yīng)變硅)和替代材料(如高k柵極電介質(zhì)和金屬柵極)已經(jīng)使制造商能夠不斷縮小晶體管，以使溝道長(zhǎng)度短至20-30nm。對(duì)于高性能邏輯應(yīng)用，所推薦的將晶體管物理縮小以使溝道長(zhǎng)度在20-30nm以下的途徑包括：絕緣體上硅(soi)技術(shù)，在該技術(shù)中，使用形成在埋置絕緣體層上的超薄硅層來形成晶體管溝道以進(jìn)一步縮小晶體管；以及多柵極晶體管，諸如雙柵極和三柵極晶體管，在多柵極晶體管中使用薄板坯(如豎直的鰭狀)結(jié)構(gòu)來形成二維或三維晶體管溝道。對(duì)于后一種方法，在豎直和水平兩個(gè)方向上縮小晶體管的溝道區(qū)的物理尺寸(如高度、寬度)同時(shí)保持高導(dǎo)通電流和導(dǎo)通/關(guān)斷比仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一方面，半導(dǎo)體器件包括：半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底中形成有隔離區(qū)；以及鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)豎直地突出到隔離區(qū)之上并沿第一方向橫向地延伸。另外，該器件包括包覆鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)的柵極電介質(zhì)和包覆柵極電介質(zhì)的柵電極。溝道區(qū)沿第一方向介于源極區(qū)與漏極區(qū)之間，并且具有傾斜的側(cè)壁，溝道區(qū)具有從溝道區(qū)的基部朝向頂部連續(xù)地減小的寬度。溝道區(qū)包括體積反轉(zhuǎn)區(qū)(volumeinversionregion，體反型區(qū))，該體積反轉(zhuǎn)區(qū)具有在約3nm至約4nm之間的最小寬度和在約4nm至約8nm之間的最大寬度，其中體積反轉(zhuǎn)區(qū)還具有大于溝道區(qū)的總高度的約25％的高度。

另一方面，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底和鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿第一方向橫向地延伸，并且該鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有突出到相鄰隔離區(qū)之上的突出部分。另外，該器件包括形成在突出部分的溝道區(qū)上的柵極堆疊體，其中溝道區(qū)橫向地介于源極區(qū)與漏極區(qū)之間。柵極堆疊體包括形成在溝道區(qū)上的柵極電介質(zhì)和形成在柵極電介質(zhì)上的柵電極。溝道區(qū)具有不超過32nm的豎直高度和不超過16nm的基部寬度，其中溝道區(qū)具有相對(duì)的錐形側(cè)壁，使得溝道區(qū)具有為溝道區(qū)的豎直高度的至少25％的體積反轉(zhuǎn)區(qū)。體積反轉(zhuǎn)區(qū)具有一摻雜濃度和物理尺寸，使得當(dāng)向柵電極施加反轉(zhuǎn)偏壓時(shí)，貫穿溝道區(qū)的寬度，反轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量(ec，ev)下降到溝道區(qū)的體(bulk，塊體、大塊、主體)材料的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量(ec,bulk，ev,bulk)以下，其中溝道區(qū)的寬度沿與第一方向相交的第二方向延伸。

附圖說明

圖1a是體晶體管的示意性截面圖。

圖1b是絕緣體上硅(soi)晶體管的示意性截面圖。

圖2是根據(jù)實(shí)施方案的具有體積反轉(zhuǎn)區(qū)的鰭狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finfet)的等軸側(cè)視圖。

圖3示出了根據(jù)實(shí)施方案的具有體積反轉(zhuǎn)區(qū)的finfet的區(qū)域的多個(gè)電子帶圖。

圖4a至圖4d是根據(jù)不同實(shí)施方案的具有不同尺寸和不同配置的體積反轉(zhuǎn)區(qū)的finfet的溝道區(qū)的截面圖。

圖5是根據(jù)實(shí)施方案的具有體積反轉(zhuǎn)區(qū)的多個(gè)鰭狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finfet)的等軸側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

“理想”的金屬氧化物硅(mos)晶體管包括形成在源極和漏極之間的溝道區(qū)。在溝道區(qū)上形成柵極電介質(zhì)，并且使用形成在柵極電介質(zhì)上的柵極來控制晶體管的溝道區(qū)。當(dāng)施加在柵極和源極之間的電壓的幅度的增加使得柵極-源極(vgs)電壓超過晶體管的閾值電壓(vt)時(shí)，晶體管的在柵極之下的溝道區(qū)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的，即，在溝道的表面附近的一片傳導(dǎo)的電荷——被稱為反轉(zhuǎn)層或表面反轉(zhuǎn)層——在源極和漏極之間形成傳導(dǎo)溝道，從而使晶體管“導(dǎo)通”。隨著晶體管的大小縮小，由于行業(yè)中被稱為短溝道效應(yīng)(sce)的現(xiàn)象，通過柵極對(duì)溝道區(qū)的控制劣化，這導(dǎo)致各種性能指標(biāo)下降，包括減小的導(dǎo)通/關(guān)斷電流比和增加的亞閾值斜率(ss)。在下文中，將使用一種類型的晶體管如其中由一片電子形成溝道區(qū)的n溝道晶體管進(jìn)行某些說明性示例。然而，這種概念同樣適用于另一種類型，如其中由一片空穴形成溝道區(qū)的p型溝道晶體管。

圖1a示出了形成在p型襯底14a中的n溝道平面體晶體管10a。平面體晶體管10a包括橫向地介于高摻雜(n⁺)源極18a與高摻雜(n⁺)漏極22a之間的p型溝道區(qū)30a。柵極電介質(zhì)26a形成在p型溝道區(qū)30a上，并且柵電極34a形成在柵極電介質(zhì)26a上。晶體管10a可以是例如當(dāng)vgs在晶體管10a的閾值電壓(vt)以下時(shí)溝道保持在關(guān)斷(不傳導(dǎo))狀態(tài)的n溝道增強(qiáng)型mosfet。在運(yùn)行中，當(dāng)vgs>vt時(shí)，p型溝道區(qū)30a的表面區(qū)域變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的，并形成n型反轉(zhuǎn)層38a，從而在源極18a與漏極22a之間形成反轉(zhuǎn)的溝道。當(dāng)施加正的漏極-源極電壓vds時(shí)，電子將從源極18a流到漏極22a。柵極偏壓的增加增大了反轉(zhuǎn)區(qū)38a中的電子的濃度，并且引起更多的電流流動(dòng)。

短溝道效應(yīng)(sce)是指隨著溝道長(zhǎng)度在尺寸上減小觀察到mosfetvt減小的現(xiàn)象。仍然參照?qǐng)D1a，當(dāng)器件的尺寸縮小時(shí)，由源極-襯底耗盡區(qū)46a和漏極-襯底耗盡區(qū)50a占據(jù)的溝道區(qū)30a的部分(fraction)增加，從而使由柵極34a控制的溝道區(qū)30a中的電荷的部分減少。因此，現(xiàn)在需要較少的柵極電荷以及因此較小的柵極電勢(shì)來反轉(zhuǎn)溝道，從而導(dǎo)致較低的vt以及較低的導(dǎo)通/關(guān)斷電流比。對(duì)于溝道長(zhǎng)度大于約20-30nm的平面晶體管，已經(jīng)采用增加溝道區(qū)30a的摻雜濃度作為減小耗盡區(qū)厚度的一種緩解方法。然而，增加溝道摻雜濃度在溝道長(zhǎng)度在約20-30nm以下的晶體管中可能產(chǎn)生有限的益處，這是因?yàn)槠淇赡苁归撝惦妷涸黾硬⑶矣捎谳d流子的散射增加而使載流子遷移率劣化。

已經(jīng)使用形成在絕緣體上硅(soi)襯底中的晶體管來減小短溝道效應(yīng)(sce)。圖1b示出了形成在絕緣體上硅(soi)中的n溝道晶體管10b。與上文關(guān)于圖1a所描述的n溝道晶體管10a類似，平面晶體管10b包括橫向地介于高摻雜(n⁺)源極18b與高摻雜(n⁺)漏極22b之間的p型溝道區(qū)30b。柵極電介質(zhì)26b形成在p型溝道區(qū)30b上，并且柵電極34b形成在柵極電介質(zhì)26a上。與圖1的晶體管10a不同，n溝道晶體管10b形成在薄硅層16b中，該薄硅層通過被稱為埋置氧化物60b(盒狀物(box)，如sio2)的埋置絕緣材料與體襯底14b分離。box60b可以通過限制上文關(guān)于圖1a所描述的源極-襯底耗盡區(qū)和漏極-襯底耗盡區(qū)的形成來減小短溝道效應(yīng)。

soi晶體管諸如圖1b的n溝道晶體管10b的特性尤其取決于薄硅層16b的厚度(tsi)和box60b之上的溝道區(qū)30b的摻雜濃度。為了最大化soi技術(shù)的益處，soi晶體管具有的硅層16b的厚度tsi比耗盡區(qū)42b的厚度小，使得當(dāng)溝道區(qū)30b反轉(zhuǎn)時(shí)，硅層16b的整個(gè)體積都被耗盡。這樣的晶體管有時(shí)被稱為全耗盡soi(fdsoi)。雖然soi晶體管有效地減小了短溝道效應(yīng)，但卻構(gòu)成若干制造挑戰(zhàn)。例如，制作均勻的超薄硅層16b(通常<溝道長(zhǎng)度lg的1/3至1/4)可能是一種挑戰(zhàn)。另外，由于可以使從溝道區(qū)到襯底的散熱減少的box的存在，soi晶體管可能由于溫度升高而導(dǎo)致劣化的載流子遷移率。另外，集成soi襯底對(duì)于大批量制造來說可能是昂貴的。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有鰭狀溝道并且具有本文所描述的物理特征的finfet可以提供fdsoi平面晶體管關(guān)于短溝道效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低成本和加工復(fù)雜度，并且提高關(guān)于導(dǎo)通電流、導(dǎo)通/關(guān)斷電流比以及亞閾值斜率的性能。

圖2是根據(jù)實(shí)施方案的具有鰭狀溝道的finfet200的等軸側(cè)視圖。finfet200包括沿z方向遠(yuǎn)離體襯底204豎直地突出的薄的鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該鰭狀結(jié)構(gòu)沿y方向介于一對(duì)隔離區(qū)212之間，上述隔離區(qū)例如為埋置一部分鰭狀結(jié)構(gòu)的淺溝槽隔離(sti)區(qū)。鰭狀結(jié)構(gòu)包括埋置的鰭部分208，該埋置的鰭部分由隔離區(qū)212埋置并且沒有突出到隔離區(qū)212的頂表面之上。另外，鰭狀結(jié)構(gòu)包括突出到隔離區(qū)212的頂表面之上的有源(active，活動(dòng)、有效、起作用的)鰭部分216。有源鰭部分216沿溝道方向(x方向)橫向地延伸，并且包括沿x方向介于源極區(qū)216s與漏極區(qū)216d之間的溝道區(qū)216a。另外，finfet200包括柵極堆疊體，該柵極堆疊體包括電介質(zhì)220和柵電極224。柵極電介質(zhì)220包覆有源鰭部分216的溝道區(qū)216a，并且柵電極224包覆柵極電介質(zhì)220。在所示的實(shí)施方案中，柵極電介質(zhì)220形成在柵電極224與溝道區(qū)216a之間。柵極堆疊體沿y方向延伸跨過相鄰的隔離區(qū)212。在所示的實(shí)施方案中，有源鰭部分216具有側(cè)壁228，這些側(cè)壁面向彼此并且以相對(duì)于z軸呈小于90度的角度成錐形即傾斜。因此，有源鰭部分216形成包括梯形溝道區(qū)216a并且沿x方向延伸的梯形鰭狀結(jié)構(gòu)。有源鰭部分216和溝道區(qū)216a在與隔離區(qū)212的表面相對(duì)應(yīng)的豎直水平處具有基部寬度wfinbase。finfet200具有沿x方向(即溝道方向)與柵電極224的寬度相對(duì)應(yīng)的物理柵極長(zhǎng)度lg。finfet200的柵極寬度wg由y-z平面中柵極電介質(zhì)220與有源鰭部分216之間交線(intersection)的長(zhǎng)度限定。因此，溝道的面積可以被限定為lg×wg，其對(duì)應(yīng)于柵電極224與有源鰭部分216之間的重疊區(qū)域。

發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)finfet被縮小為使得其溝道區(qū)216a具有小于約16nm的基部寬度并且還具有傾斜的側(cè)壁時(shí)，溝道區(qū)的一些區(qū)域的器件物理學(xué)顯著地偏離經(jīng)典的半導(dǎo)體物理學(xué)。根據(jù)本文所描述的實(shí)施方案，通過設(shè)計(jì)溝道區(qū)的一些區(qū)域的物理特性，可以獲得具有優(yōu)化性能的finfet，包括減小的短溝道效應(yīng)、增強(qiáng)的導(dǎo)通電流和導(dǎo)通/關(guān)斷電流比以及減小的亞閾值斜率。特別地，具有小于約16nm的溝道基部寬度的finfet可以被設(shè)計(jì)為具有本文所稱的體積反轉(zhuǎn)區(qū)(圖2中的r2)。在不受理論約束的情況下，體積反轉(zhuǎn)區(qū)r2可以具有一定的物理形狀、尺寸和摻雜水平，使得在反轉(zhuǎn)狀況下，貫穿溝道區(qū)，體積反轉(zhuǎn)區(qū)的導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量(ec，ev)小于體半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量(ec,bulk，ev,bulk)，如當(dāng)沿y方向以能量-距離圖進(jìn)行繪制時(shí)。特別地，實(shí)施方案包括的溝道區(qū)包括由溝道區(qū)的豎直部分限定的體積反轉(zhuǎn)區(qū)，該體積反轉(zhuǎn)區(qū)具有的最小寬度在約3nm至約7nm之間、在約3nm至約5nm之間或在約3nm至約4nm之間，以及具有的最大寬度在約4nm至約8nm之間或在約5nm至約7nm之間，例如約6nm。

在一些實(shí)施方案中，體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)直接從體襯底延伸。在一些情況下，體積反轉(zhuǎn)區(qū)豎直地介于本文所稱的表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)與本文所稱的量子限制區(qū)(r3)之間，其中表面反轉(zhuǎn)區(qū)在體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)之下，量子限制區(qū)在體積反轉(zhuǎn)區(qū)之上。量子限制區(qū)(r3)是指其中物理尺寸接近或小于半導(dǎo)體材料中的激子的玻爾半徑的區(qū)域。在si中，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在某些情況下量子限制發(fā)生在鰭狀結(jié)構(gòu)的寬度小于如約3-4nm的區(qū)域中。在不受任何理論約束的情況下，與體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)不同，r1的器件物理學(xué)可以通過經(jīng)典的半導(dǎo)體模型來描述，其中在反轉(zhuǎn)狀況下，導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量在半導(dǎo)體體積的表面附近降低，但是在形成的耗盡區(qū)外增加到其體值。下文關(guān)于圖3的電子帶圖更詳細(xì)地描述體積反轉(zhuǎn)狀況和表面反轉(zhuǎn)狀況。根據(jù)實(shí)施方案，當(dāng)除了體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)之外還存在表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)和量子限制區(qū)(r3)中的一者或兩者時(shí)，溝道區(qū)被設(shè)計(jì)為使得體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)具有大于溝道區(qū)的總高度的約25％的高度，該溝道區(qū)的總高度可以被限定為r1、r2和r3的總高度。另外，根據(jù)實(shí)施方案，溝道區(qū)可以被設(shè)計(jì)為使得表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)具有小于溝道區(qū)的總高度的約70％的高度，并且量子限制區(qū)(r3)具有小于溝道區(qū)的總高度的約20％的高度。

圖2中所示的實(shí)施方案的表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)、體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)以及量子限制區(qū)(r3)的物理特性將在下文中更詳細(xì)地描述。在所示的實(shí)施方案中，finfet200的溝道區(qū)216a一體地連接到體襯底204，并且該溝道區(qū)從其基部開始包括表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)、連接到r1的體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)以及連接到r2的量子限制區(qū)(r3)。溝道區(qū)216a在隔離區(qū)212的表面之上具有總高度hfin，該總高度包括高度為hr1的r1的高度、高度為hr2的r2的高度以及高度為hr3的r3的高度。雖然在所示的實(shí)施方案中，三個(gè)區(qū)r1、r2和r3全部都包括在溝道區(qū)216a中，但是其他的實(shí)施方案也是有可能的。例如，在其他實(shí)施方案中，溝道區(qū)216a包括圖2中的三個(gè)區(qū)r1、r2和r3中的兩個(gè)連續(xù)的區(qū)。例如，溝道區(qū)216a可以包括r1和r2但不包括r3，或者包括r2和r3但不包括r1。在另外的其他實(shí)施方案中，溝道區(qū)216a僅包括r2。下面參照?qǐng)D2、圖3的示意性帶圖以及圖4a至圖4d的不同實(shí)施方案來描述三個(gè)區(qū)r1、r2和r3中的每一個(gè)的尺寸和屬性。

仍然參照?qǐng)D2，在一些實(shí)施方案中，基部鰭寬度wfinbase通?？梢詫?duì)應(yīng)于有時(shí)被稱為“x節(jié)點(diǎn)”的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，其中x是對(duì)應(yīng)于如最小特征大小的特征尺寸(如，處于納米級(jí))。例如，“100nm節(jié)點(diǎn)”可以指其中柵極長(zhǎng)度或其他關(guān)鍵的光刻(lithographical)限定特征可以在物理上為約100nm的邏輯技術(shù)。然而，最小特征大小可以實(shí)質(zhì)上不同于命名的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在不同實(shí)施方案中，wfinbase不超過16nm、12nm、9nm或6nm。在不同實(shí)施方案中，wfinbase可以：在約12nm至約16nm之間或在約13nm至約15nm之間，例如約14nm(如圖4a)；在約8nm至約12nm之間或在約9nm至約11nm之間，例如約10nm(如圖4b)；在約5nm至約9nm之間或在約6nm至約8nm之間，例如約7nm(如圖4c)；或在約2nm至約6nm之間或在約3nm至約5nm之間，例如約4nm(如圖4d)。

在不同實(shí)施方案中，總溝道區(qū)高度hfin不超過約34nm。在不同實(shí)施方案中，hfin可以：在約27nm至約35nm之間或在約29nm至約33nm之間，例如約32nm(如圖4a)；在約17nm至約25nm之間或在約19nm至約23nm之間，例如約22nm(如圖4b)；在約12nm至約20nm之間或在約14nm至約18nm之間，例如約17nm(如圖4c)；或在約8nm至約16nm之間或在約10nm至約14nm之間，例如約12nm(如圖4d)。

仍然參照?qǐng)D2，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，體積反轉(zhuǎn)區(qū)r2可以特別地被配置為通過具有一定寬度而在反轉(zhuǎn)狀況下基本上完全體積反轉(zhuǎn)。在不同實(shí)施方案中，r2具有的最小寬度在約3nm至約7nm之間、在約3nm至約5nm之間或在約3nm至約4nm之間，例如約3nm，并且具有的最大寬度在約4nm至約8nm之間或在約5nm至約7nm之間，例如約6nm。在圖2中，最大寬度和最小寬度對(duì)應(yīng)于由r2限定的梯形區(qū)域的下寬度和上寬度。

另外，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有相對(duì)于總溝道區(qū)高度hfin的特定高度hr2的r2對(duì)于最大性能可能是有利的。在不同實(shí)施方案中，hr2表示大于總溝道區(qū)高度hfin的約25％、約30％、約50％或約90％，或者在這些百分比值之間的任何范圍，諸如在hfin的約50％至90％之間。

仍然參照?qǐng)D2，在不同實(shí)施方案中，量子限制區(qū)(r3)具有為如上所述的r2的最小寬度的最大寬度。此外，在不同實(shí)施方案中，r3具有的高度hr3不超過約3nm，例如在約3nm至約1nm之間，或者不超過約2nm，例如在約2nm至約1nm之間。在一些實(shí)施方案中，hr3表示小于總溝道區(qū)高度hfin的5％、10％、15％或20％，或者在這些百分比值之間的任何范圍。在不受任何理論約束的情況下，量子限制區(qū)是指其中物理尺寸接近或小于半導(dǎo)體材料中的激子的玻爾半徑的區(qū)域。載流子(電子和空穴或激子)可以經(jīng)受量子力學(xué)載流子的限制，除了其他效果以外，這可能導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的帶隙增加，該帶隙增加又會(huì)導(dǎo)致vt的局部增加。因此，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有上述尺寸有利于實(shí)現(xiàn)不受r3不利影響的finfet的整體性能，上述不利影響諸如例如除了其他finfet特性以外的增加的vt分布和亞閾值斜率。

仍然參照?qǐng)D2，在不同實(shí)施方案中，表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)具有為如上所述的r2的最大寬度的最小寬度以及為如上所述的wfinbase的最大寬度。另外，在不同實(shí)施方案中，r1具有高度hr1＝hfin-hr2-hr3。例如，r1可以小于hfin的70％、55％、35％或15％。

在一些實(shí)施方案中，類似于上文關(guān)于圖1b所描述的埋置氧化物60b的埋置氧化物可以豎直地介于埋置的鰭部分208與襯底204之間。通過具有上文關(guān)于圖2所描述的r1、r2和r3的特定配置，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，埋置氧化物不提供額外的益處，因此可以在鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與襯底204之間排除，如圖2中所示的。因此，產(chǎn)生的finfet200可以以相對(duì)較低的成本制造。

在不同實(shí)施方案中，襯底204是半導(dǎo)體襯底。在一些實(shí)施方案中，襯底是使(100)晶體平面族中的一個(gè)作為主表面(圖2中面向z方向的表面)的硅襯底。在一些實(shí)施方案中，鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿<110>族硅晶體方向延伸，并且產(chǎn)生的finfet200的漏極電流id沿<110>方向流動(dòng)。在這樣的實(shí)施方案中，產(chǎn)生的finfet對(duì)于p溝道晶體管可能是最佳化的，這是由于與沿其他晶體方向相比，硅中的沿<110>方向的空穴遷移率可能相對(duì)較高。在一些其他實(shí)施方案中，鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45^o使得它們沿<100>族硅晶體方向延伸，并且產(chǎn)生的finfet200的漏極電流id沿<100>方向流動(dòng)。在這樣的實(shí)施方案中，產(chǎn)生的finfet對(duì)于n溝道晶體管可能是最佳化的，這是由于與沿其他晶體方向相比，沿<100>方向的電子遷移率可能相對(duì)較高。在另外的其他實(shí)施方案中，n溝道finfet具有沿<100>方向延伸的溝道，而p溝道finfet具有沿<110>方向延伸的溝道。

仍然參照?qǐng)D2，根據(jù)不同實(shí)施方案，鰭狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)216a對(duì)于n溝道finfet可以p摻雜的，對(duì)于p溝道finfet可以是n摻雜的，或者對(duì)于p溝道finfet或n溝道finfet任一者均沒有進(jìn)行摻雜以基本上保持本征。在不同實(shí)施方案中，溝道區(qū)216a具有在約1.5×10¹⁰/cm³至約1.0×10¹⁶/cm³之間、在約1.5×10¹⁰/cm³至約1.0×10¹⁴/cm³之間或在約1.5×10¹⁰/cm³至約1.0×10¹²/cm³之間的凈摻雜濃度。在一些實(shí)施方案中，具有較低摻雜濃度可以提高載流子遷移率，這可以增加ion和ion/off比。如本文所使用的，凈摻雜濃度是指形成finfet的溝道區(qū)的類型的摻雜劑的濃度與相反類型摻雜劑的濃度之間的差。

仍然參照?qǐng)D2，根據(jù)不同實(shí)施方案，包覆溝道區(qū)216a的柵極電介質(zhì)220可以由合適的柵極電介質(zhì)材料形成，該柵極電介質(zhì)材料包括諸如但不限于以下電介質(zhì)材料：sio2、si3n4、ta2o5、srtio3、zro2、hfo2、al2o3、la2o3、y2o3、hfsio4、laalo3或非化學(xué)計(jì)量型的上述各項(xiàng)的不同混合物及其組合或疊堆體，僅舉幾例。

可以針對(duì)晶體管的期望驅(qū)動(dòng)電流來選擇柵極電介質(zhì)220的有效氧化物厚度(eot)，并且該eot可以被選擇為具有基于溝道長(zhǎng)度lg、有效溝道寬度以及鰭基部寬度中的一個(gè)或多個(gè)的值。在不同實(shí)施方案中，柵極電介質(zhì)220的eot可以被選擇為具有以下值，該值在約0.5nm至約2nm之間、在約0.7nm至約1.5nm之間或在約0.9nm至1.3nm之間的值，例如約1.0nm。

取決于finfet200是n溝道finfet(n-finfet)還是p溝道finfet(p-finfet)，并且基于閾值電壓的期望值，可以使用合適的金屬或半導(dǎo)體材料來形成柵電極224。在柵電極224包括金屬的實(shí)施方案中，閾值電壓部分地取決于柵電極224的金屬材料的金屬功函數(shù)與溝道區(qū)216a的費(fèi)米能級(jí)之間的能量差；或者在柵電極224包括半導(dǎo)體的實(shí)施方案中，閾值電壓部分地取決于柵電極224的費(fèi)米能級(jí)與溝道區(qū)216a的費(fèi)米能級(jí)之間的能量差。

在finfet200是n-finfet的實(shí)施方案中，用于柵電極224的合適材料包括p摻雜半導(dǎo)體諸如p摻雜多晶硅或者合適的“p型”金屬，使得柵電極224的功函數(shù)φm,n可以調(diào)節(jié)到在約4.1ev至約4.65ev之間、在約4.1ev至約4.4ev之間或在約4.4ev至約4.65ev之間。

在finfet200是p-finfet的實(shí)施方案中，用于柵電極224的合適材料包括n摻雜半導(dǎo)體諸如n摻雜多晶硅或者合適的金屬，使得柵電極224的功函數(shù)φm,p可以調(diào)節(jié)到在約4.65ev至約5.2ev之間、在約4.65ev至約4.9ev之間或在約4.9ev至約5.2ev之間。

在不同實(shí)施方案中，用于柵電極224的合適金屬包括如鎢(w)、鈦(ti)、鉭(ta)、鉬(mo)、銣(ru)、tin、tan、tacn以及tasixny，僅舉幾例。將會(huì)理解，對(duì)于低電壓cmos應(yīng)用，n-finfet和p-finfet兩者可以包括類似或相同的基部材料，其中具有雜質(zhì)以實(shí)現(xiàn)上述的期望功函數(shù)。

在一些實(shí)施方案中，由于電源電壓(vdd)的縮小，所以期望對(duì)于兩種晶體管類型(n-finfet和p-finfet)實(shí)現(xiàn)低且對(duì)稱的閾值電壓。為了對(duì)于兩種晶體管類型實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的閾值電壓，在一些實(shí)施方案中，針對(duì)n-finfet和p-finfet選擇柵電極使得差(φm,p-ef)和(φm,n-ef)不超過約0.5ev、0.3ev或0.2ev，其中ef是溝道區(qū)216a的費(fèi)米能級(jí)。

仍然參照?qǐng)D2，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，出于若干原因，將有源鰭部分216配置為具有大體上梯形的形狀可以是有利的。從制造角度來看，具有梯形形狀為有源鰭部分216提供了增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)支撐。另外，與基本上豎直(如，在89至90度之間)的側(cè)壁相比，具有錐形側(cè)壁228可以顯著地更容易加工。此外，具有錐形側(cè)壁228通常使得更容易使用一技術(shù)，諸如化學(xué)氣相沉積或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積，來填充隔離區(qū)212，而不會(huì)在隔離區(qū)中形成不期望的空隙。在不同實(shí)施方案中，錐形側(cè)壁228可以形成相對(duì)于z軸介于約88度和約80度之間、介于約88度和約82度之間或介于約88度和約85度之間的角度。

仍然參照?qǐng)D2，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了抑制finfet200中的短溝道效應(yīng)，在隔離區(qū)212的表面之上的有源區(qū)的基部寬度優(yōu)選地約等于或大于柵極長(zhǎng)度lg。因此，對(duì)于圖2的finfet200的、具有在隔離區(qū)212的表面水平之上寬度連續(xù)地減小的梯形形狀的所示出實(shí)施方案，wfinbase在lg的約80％至約200％之間、或者在lg的約90％至約150％之間、或者在lg的約100％至約120％之間。

圖3示出了表示finfet的兩個(gè)區(qū)的示意性電子帶圖，這兩個(gè)區(qū)與上文關(guān)于圖2所描述的finfet200的表面反轉(zhuǎn)區(qū)r1和體積反轉(zhuǎn)區(qū)r2類似。大體上，電子帶圖繪制隨例如寬度內(nèi)的橫向位置(圖2中的y方向)變化的電子能量。在finfet中，柵電極在finfet的溝道區(qū)的兩個(gè)側(cè)壁上的接近導(dǎo)致與上文關(guān)于圖1a和圖1b所描述的平面晶體管顯著不同的靜電場(chǎng)。在不受理論約束的情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于溝道區(qū)的相對(duì)較窄的寬度，反轉(zhuǎn)電荷分布可能在溝道區(qū)的各個(gè)部分內(nèi)顯著變化，這尤其取決于溝道區(qū)的寬度。

圖3示意性地示出了電子帶圖300和350，其在物理上對(duì)應(yīng)于圖2的finfet200分別在與表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)內(nèi)取得的寬度(w1)相對(duì)應(yīng)的豎直水平處和與體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)內(nèi)取得的寬度(w2)相對(duì)應(yīng)的豎直水平處截取的跨過溝道區(qū)216a的截面。帶圖300示出了在與r1(圖2)內(nèi)的w1相對(duì)應(yīng)的豎直水平處的溝道區(qū)的第一側(cè)和第二側(cè)上的柵極電介質(zhì)的電子帶320a與320b之間的finfet的溝道區(qū)的導(dǎo)帶304和價(jià)帶308。帶圖350示出了在與r2(圖2)內(nèi)的w2相對(duì)應(yīng)的豎直水平處的溝道區(qū)的第一側(cè)和第二側(cè)上的柵極電介質(zhì)的電子帶320c與320d之間的finfet的溝道區(qū)的導(dǎo)帶354和價(jià)帶358。ef,bulk是指finfet的溝道區(qū)的費(fèi)米能量。還由虛線表示出在對(duì)應(yīng)的體單柵極平面晶體管中的導(dǎo)帶324(ec,bulk)和價(jià)帶328(ev,bulk)。

圖3中的各種帶的彎曲示出了在恒定的柵極-源極電壓vgs下溝道區(qū)的寬度減小的效果，如由在柵電極處的能級(jí)移位(evgs)所指示的。帶圖300示出了在表面反轉(zhuǎn)區(qū)r1中，在反轉(zhuǎn)狀況下，w1大于或等于耗盡寬度wdepm(在具有相同的摻雜和材料的對(duì)應(yīng)體溝道中形成的耗盡寬度)的兩倍，即，在溝道區(qū)的兩側(cè)內(nèi)，w1≥2wdepm。在這種狀況下，存在在其中發(fā)生非常少量的帶彎曲或基本上不發(fā)生帶彎曲的中性區(qū)域312，這對(duì)應(yīng)于圖2中的區(qū)域204。在中性區(qū)域中，導(dǎo)帶304和價(jià)帶308分別接近對(duì)應(yīng)的體能量ec,bulk和ev,bulk的值。在這種狀況下，反轉(zhuǎn)電荷qinv相對(duì)地局限于在柵極電介質(zhì)與溝道區(qū)的半導(dǎo)體材料之間的界面區(qū)域316a和316b處。反轉(zhuǎn)區(qū)中的載流子的濃度部分地由電壓降ψs確定。因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)在其中發(fā)生表面反轉(zhuǎn)的界面區(qū)域316a和316b，所以與具有單柵極的平面晶體管相比，驅(qū)動(dòng)電流ids增加(如，加倍)。

與表面反轉(zhuǎn)區(qū)r1不同，在體積反轉(zhuǎn)區(qū)r2中，在反轉(zhuǎn)狀況下，w2小于最大耗盡寬度wdepm的兩倍(即，在溝道區(qū)兩側(cè)內(nèi)，w2<2wdepm)，并且不存在中性區(qū)域。在這種狀況下，由于柵電極在溝道區(qū)的兩側(cè)上的接近，導(dǎo)帶354和價(jià)帶358的能量在溝道區(qū)的整個(gè)寬度上下降到對(duì)應(yīng)的體能量ec,bulk和ev,bulk以下，并且反轉(zhuǎn)電荷qinv不再局限于界面區(qū)域316b和316b，而是遍布r2的體積分布。如本文所使用的，這種狀況被稱為體積反轉(zhuǎn)。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，期望的是具有被配置為在finfet導(dǎo)通時(shí)經(jīng)受體積反轉(zhuǎn)的、相對(duì)較大體積的溝道區(qū)。在不受任何理論約束的情況下，具有相對(duì)較大體積的反轉(zhuǎn)區(qū)r2的優(yōu)點(diǎn)之一是，更大量的電流進(jìn)一步遠(yuǎn)離柵極電介質(zhì)/溝道界面區(qū)域流動(dòng)。這可以是有利的，原因在于這些界面區(qū)域尤其可以具有可能會(huì)使電子和/或空穴遷移率(μn和/或μp)劣化的界面散射中心，這樣的劣化又會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流和/或亞閾值斜率劣化。另外，有源鰭區(qū)域的寬度w2可以基本上降低到2wdepm以下，并且仍然保持高ion和高的on/ioff比。

在上文中，當(dāng)相對(duì)于地如襯底或者鰭狀結(jié)構(gòu)的埋置部分向柵電極施加在約0.2v至1.0v之間、在約0.2v至約0.8v之間或在約0.2v至約0.6v之間的柵極電壓時(shí)，可以滿足反轉(zhuǎn)條件。

圖4a至圖4d分別示出了根據(jù)不同實(shí)施方案的finfet400、420、440和460的截面圖。finfet400、420、440和460可以但不受限制地分別對(duì)應(yīng)于技術(shù)節(jié)點(diǎn)14nm、10nm、7nm和4nm。圖4a至圖4d的視圖表示溝道區(qū)的截面(類似于圖2中的溝道區(qū)216a沿垂直于溝道方向(x方向)的平面(y-z平面)截取的)。所示的finfet包括埋置的鰭部分208，該埋置的鰭部分的相鄰處或周圍形成有隔離區(qū)212。埋置的鰭部分208可以具有與上文關(guān)于圖2所描述的半導(dǎo)體襯底相似的材料、定向和摻雜水平。圖4a至圖4d中所示的finfet的溝道區(qū)沿x方向橫向地在頁(yè)面的內(nèi)外延伸，并且介于源極區(qū)和漏極區(qū)(類似于圖2的源極區(qū)216s和漏極區(qū)216d，在圖4a至圖4d中未示出)之間。為了清楚起見，柵極電介質(zhì)和柵電極未在圖4a至圖4d中示出，但是以類似于關(guān)于圖2所描述的方式存在。也就是說，柵極電介質(zhì)包覆溝道區(qū)，并且柵電極包覆柵極電介質(zhì)。

在圖4a至圖4d的finfet400、420、440和460中，溝道區(qū)包括上文關(guān)于圖2所描述的三個(gè)區(qū)——即表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)、體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)和量子限制區(qū)(r3)——中的至少體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)和量子限制區(qū)(r3)。finfet400、420、440和460具有一體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)，該體積反轉(zhuǎn)區(qū)具有在約3nm至約4nm之間的最小寬度以及在約4nm至約8nm之間的最大寬度，并且具有大于溝道區(qū)的總高度的約25％的高度。圖4a至圖4d中的finfet的r1類似于上文關(guān)于圖2和圖3所描述的r1，并且具有在鰭的基部處的由wfinbase給出的最大寬度，以及具有在r2的基部處的由wr2max給出的最小寬度。r1內(nèi)的寬度大于或等于耗盡寬度的兩倍即2wdepm，如上文關(guān)于圖3所描述的，使得在反轉(zhuǎn)狀況下，不受任何理論約束，在中心區(qū)域(類似于圖2中的204)中存在中性區(qū)域，在該中性區(qū)域中沒有發(fā)生帶彎曲并且導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量的最大值各自都沒有下降到對(duì)應(yīng)的體能量ec,bulk和ev,bulk以下。

另外，圖4a至圖4d中的finfet的r2類似于上文關(guān)于圖2和圖3所描述的r2，并且具有在r2的基部處的由wr2max給出的最大寬度，以及在r3的基部處的由wr2min給出的最小寬度。r2內(nèi)的寬度小于耗盡寬度的兩倍即2wdepm，如上文關(guān)于圖3所描述的，使得在反轉(zhuǎn)狀況下，不受任何理論約束，不存在中性區(qū)域，并且導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量在基本上r2的整個(gè)體積上分別都下降到對(duì)應(yīng)的體能量ec,bulk和ev,bulk以下。

另外，圖4a至圖4d中的finfet的r3類似于上文關(guān)于圖2所描述的r3，并且具有值由在r3的基部處的wr2min給出的最大寬度，以及朝向鰭的頂部連續(xù)地減小。

圖4a至圖4d中的finfet具有傾斜的側(cè)壁，該側(cè)壁的角度可以由r2的側(cè)壁處相對(duì)于z方向的θ來量化，并且具有類似于上文關(guān)于圖2所描述的值。

參照?qǐng)D4a，根據(jù)一種實(shí)施方案的finfet400包括：連接到埋置的鰭部分208的半導(dǎo)體材料并且形成埋置的鰭部分的半導(dǎo)體材料的延伸部的表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)418；連接到r1418的半導(dǎo)體材料并且形成r1418的半導(dǎo)體材料的延伸部的體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)408；以及連接到r2408的半導(dǎo)體材料并且形成r2408的半導(dǎo)體材料的延伸部的量子限制區(qū)(r3)404。finfet400具有的基部寬度wfinbase406在約12nm至約16nm之間或在約13nm至約15nm之間，例如約14nm；具有的最大體積反轉(zhuǎn)寬度wr2max414在約4nm至約8nm之間，例如約7nm；以及具有的最小體積反轉(zhuǎn)寬度wr2min412在約3nm至約4nm之間，例如約3nm。

finfet400具有的第一高度hr1在約17nm至約25nm之間或在約19nm至約23nm之間，例如約21nm；具有的第二高度hr2在約8nm至約12nm之間或在約9nm至約11nm之間，例如約10nm；以及具有的第三高度hr3小于約2nm，例如約1nm。finfet400具有的總高度hfin在約28nm至約36nm之間或在約30nm至約34nm之間，例如約32nm。

finfet400的第二高度hr2與總高度hfin之比超過約30％。

參照?qǐng)D4b，類似于圖4a的finfet400，根據(jù)另一實(shí)施方案的finfet420包括表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)438、體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)428和量子限制區(qū)(r3)424。

finfet420具有的基部寬度wfinbase426在約8nm至約12nm之間或在約9nm至約11nm之間，例如約10nm；具有的最大體積反轉(zhuǎn)寬度wr2max434在約4nm至約8nm之間，例如約7nm；以及具有的最小體積反轉(zhuǎn)寬度wr2min432在約3nm至約4nm之間，例如約3nm。

finfet420具有的r1的第一高度hr1在約8nm至約12nm之間或在約9nm至約11nm之間，例如約10nm；具有的第二高度hr2在約9nm至約13nm之間或在約10nm至約12nm之間，例如約11nm；以及具有的第三高度hr3小于約2nm，例如約1nm。finfet400具有的總高度hfin在約17nm至約25nm之間或在約19nm至約23nm之間，例如約21nm。

finfet420的第二高度hr2與總高度hfin之比超過約50％。

參照?qǐng)D4c，分別類似于圖4a的finfet400和圖4b的finfet420，根據(jù)另一實(shí)施方案的finfet440包括體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)448和量子限制區(qū)(r3)444。然而，與finfet400(圖4a)和420(圖4b)不同，finfet440不包括表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)。因此，在反轉(zhuǎn)狀況下，當(dāng)r2進(jìn)行體積反轉(zhuǎn)時(shí)，finfet440中不發(fā)生表面反轉(zhuǎn)。

finfet440具有的基部寬度wfinbase446等于wr2max且在約4nm至約8nm之間，例如約7nm，以及具有的最小體積反轉(zhuǎn)寬度wr2min452在約3nm至約4nm之間，例如約3nm。

finfet440具有的第二高度hr2在約14nm至約18nm之間或在約15nm至約17nm之間，例如約16nm；以及具有的第三高度hr3小于約2nm，例如約1nm。finfet440具有的總高度hfin在約13nm至約21nm之間或在約15nm至約19nm之間，例如約17nm。

finfet440的第二高度hr2與總高度hfin之比超過90％。

參照?qǐng)D4d，分別類似于圖4a的finfet400和圖4b的finfet420，根據(jù)另一實(shí)施方案的finfet460包括體積反轉(zhuǎn)區(qū)(r2)468和量子限制區(qū)(r3)464。然而，與finfet400和420不同但類似于圖4c的finfet440，finfet460不包括表面反轉(zhuǎn)區(qū)(r1)。因此，在反轉(zhuǎn)狀況下，當(dāng)r2進(jìn)行體積反轉(zhuǎn)時(shí)，finfet460中不發(fā)生表面反轉(zhuǎn)。

finfet460具有的基部寬度wfinbase466等于wr2max且在約4nm至約8nm之間，例如約4nm，以及具有的最小體積反轉(zhuǎn)寬度wr2min462在約3nm至約4nm之間，例如約3nm。

finfet460具有的第二高度hr2在約8nm至約12nm之間或在約9nm至約11nm之間，例如約10nm，以及具有的第三高度hr3小于約2nm，例如約1nm。finfet460具有的總高度hfin在約10nm至約14nm之間或在約11nm至約13nm之間，例如約12nm。

finfet460的第二高度hr2與總高度hfin之比超過約90％。

參照?qǐng)D5，多個(gè)與上述各實(shí)施方案類似的finfet可以由公共柵電極連接，以增加整體的驅(qū)動(dòng)電流。圖5示出了finfet器件500，該器件包括多個(gè)有源鰭區(qū)域516a、516b和516c，每個(gè)有源鰭區(qū)域由相鄰的隔離區(qū)512分離，并且每個(gè)有源鰭區(qū)域都具有源極區(qū)(分別為516s-1、516s-2和516s-3)以及漏極區(qū)(分別為516d-1、516d-2和516d-3)。有源鰭區(qū)域516a、516b和516c分別形成埋置的鰭部分508a、508b和508c的連續(xù)延伸部，上述埋置的鰭部分中的每一個(gè)從體襯底504中連續(xù)地延伸。多個(gè)有源鰭區(qū)域被柵極電介質(zhì)520a、520b和520c包覆，如所示的實(shí)施方案中，該柵極電介質(zhì)可以是連續(xù)的。公共柵電極524形成在柵極電介質(zhì)上，使得多個(gè)有源鰭區(qū)域由施加到柵電極524的單個(gè)柵極電壓控制。在柵極電介質(zhì)520a、520b和520c中的每一個(gè)的下面并且在柵電極524的下面，以及在相應(yīng)的源極區(qū)與漏極區(qū)之間形成有溝道區(qū)(未標(biāo)記)。

雖然已經(jīng)根據(jù)某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言明了的其他實(shí)施方案也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，包括沒有提供本文闡述的所有特征和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方案。此外，上述各實(shí)施方案可以組合以提供其他實(shí)施方案。另外，在一個(gè)實(shí)施方案的上下文中示出的某些特征也可以并入其他實(shí)施方案中。因此，本發(fā)明的范圍僅通過參考所附權(quán)利要求來限定。