半导体器件及其制造方法与流程

1.本发明实施例涉及一种半导体封装及制造半导体封装的方法。


背景技术：

2.场效应晶体管(field
‑
effect transistor，fet)为具有源极端子、漏极端子以及栅极端子的三个端子半导体器件。通过施加到栅极的电压来控制，电流穿过导电沟道区在源极与漏极之间流动。


技术实现要素：

3.本发明实施例的一种晶体管器件。器件包含：栅极结构，具有栅极层和铁电层；源极端子和漏极端子；以及结晶沟道部分。源极端子和漏极端子安置在栅极结构的相对侧处。结晶沟道部分在源极端子与漏极端子之间延伸。源极端子和漏极端子安置在结晶沟道部分上，且栅极结构安置在结晶沟道部分上。结晶沟道部分包含含有第iii族元素和第v族元素的第一材料，栅极层包含含有第iii族元素和稀土元素的第二材料，且铁电层包含含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的第三材料。
4.本发明实施例的一种晶体管器件。晶体管器件包含栅极层、结晶沟道层、铁电层以及源极和漏极。栅极层含有钪(sc)。结晶沟道层位于栅极层下方。铁电层安置在栅极层与结晶沟道层之间，且铁电层含有钪。源极和漏极安置在结晶沟道层上。
5.本发明实施例的一种制造晶体管器件的方法。将基底材料放置在反应腔室中。在反应腔室中在基底材料上原位形成含有第iii族元素和第v族元素的结晶第一材料层。在反应腔室中在结晶第一材料层上原位形成含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的结晶铁电层。在反应腔室中在结晶铁电层上原位形成含有第iii族元素和稀土元素的金属栅极层。
附图说明
6.当结合附图阅读时从以下详细描述最好地理解本公开的各个方面。应注意，根据业界中的标准惯例，各个特征未按比例绘制。实际上，为了论述清楚起见，可任意增大或减小各个特征的关键尺寸。
7.图1a、图2a、图3a、图4a、图5、图6、图7以及图8为绘示根据本公开的一些实施例的形成晶体管器件的方法中的各个阶段的示意性横截面图。
8.图1b、图2b、图3b以及图4b为绘示根据本公开的一些实施例的形成晶体管器件的方法的某些阶段处的沉积腔室的操作和沉积反应的示意图。
9.图9为根据本公开的一些实施例的晶体管器件的示意性横截面图。
10.图10到图13为绘示根据本公开的一些实施例的形成晶体管器件的方法中的各个阶段的示意性横截面图。
11.图14为根据本公开的一些实施例的晶体管器件的示意性横截面图。
12.图15绘示根据本公开的一些实施例的晶体管器件的结构中块体结构的层当中的钪含量的变化。
具体实施方式
13.以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例以简化本公开。当然，这些组件和布置只是实例且并不希望为限制性的。举例来说，在以下描述中，第二特征在第一特征上方或第一特征上的形成可包含第二特征和第一特征直接接触地形成的实施例，且还可包含额外特征可在第二特征与第一特征之间形成以使得第二特征和第一特征可不直接接触的实施例。此外，本公开可在各种实例中重复附图标号和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不规定所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
14.此外，为易于描述，本文中可使用例如“在
…
下方”、“在
…
之下”、“下部”、“在
…
上”、“在
…
上方”、“上覆”、“在
…
之上”、“上部”以及类似术语的空间相对术语来描述如图中所示出的一个元件或特征相对于另一元件或特征的关系。除图中所描绘的定向以外，空间相对术语希望涵盖器件在使用或操作中的不同定向。装置可以按其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词可同样相应地进行解释。
15.铁电场效应晶体管(ferroelectric field effect transistor，fe
‑
fet)是包含铁电材料的晶体管，所述铁电材料包夹在器件的栅极电极与源极
‑
漏极导电区之间。铁电材料具有可由施加电场在方向上进行切换的电荷极化。已研发并合成包含氮化铝钪(alscn)合金的有前景铁电材料。氮化铝(aln)具有纤锌矿晶体结构，且aln具有强自发极化和压电效应。将一定量的钪引入到aln中增大压电效应，同时维持纤锌矿结构。
16.图1a、图2a、图3a、图4a、图5、图6、图7以及图8为绘示根据本公开的一些实施例的形成晶体管器件的方法中的各个阶段的示意性横截面图。图1b、图2b、图3b以及图4b为绘示根据本公开的一些实施例的形成晶体管器件的方法的某些阶段处的沉积腔室的操作和沉积反应的示意图。下文将详细描述制造根据一些实施例的晶体管器件的过程。
17.图1b为绘示与根据本公开的一些实施例的如图1a中所绘示的形成晶体管器件的方法的过程相对应的一个阶段处的沉积腔室的操作和沉积反应的示意图。参考图1a和图1b，设置基底材料100，且接着第一材料层110形成在基底材料100上方。基底材料100的材料包含半导体材料。在一些实施例中，基底材料100的材料为半导体材料，例如硅、锗(ge)或合适的半导体材料。合适的半导体材料包含：金刚石；化合物半导体材料，例如砷化镓(gaas)、砷化铟、氮化铝(aln)、氮化镓(gan)、碳化硅(sic)或磷化铟(inp)；以及合金半导体材料，例如硅锗、碳化硅锗、砷化镓磷化物、磷化铟镓、砷化铝镓、砷化铝铟或铝镓铟磷化物。材料的选择不限于本文中的公开内容。在实施例中，基底材料100的材料包含硅、锗、砷化镓或氮化铝或其组合。在一个实施例中，基底材料100的材料包含结晶材料，且基底材料可充当用于上方层的结晶生长或沉积的晶种。在一个实施例中，基底材料100由厚度足以支撑上方结构且用于分隔的结晶材料制成。在一个实施例中，可通过外延生长形成或以块状提供结晶材料且接着将其切割成合乎需要的形状。应理解，出于处置或支撑目的，可在基底材料100下方进一步设置承载或支撑结构(未绘示)。在一些实施例中，第一材料层110和基底材料100的材料基本上相同。在一些实施例中，第一材料层110和基底材料100的材料不同。
18.参考图1a和图1b，沉积腔室1具有布置在沉积腔室1内的第一目标源2和第二目标源3。在沉积反应期间，第一目标源2和第二目标源3可单独地运行或协作地运行。这意味着第一目标源可能运行而第二目标源可能停止运行，且反之亦然。另外，第一目标源2和第二目标源3可同时运行、依序运行或以脉冲运行(即，针对一些周期增大一个并减小另一个，且接着反过来)。另外，沉积腔室1具有：反应气体4，作为用于沉积反应的反应物的一部分；以及物件5，放置在沉积腔室1内经历沉积反应以在其上形成沉积层或膜。为简单起见，本文中并未绘示反应气体4的源，但应理解，所述源可很好地控制反应气体的供应量和速度，且本文中将不描述细节。在一个实施例中，图1b的物件5可以是载体或晶片，所述载体或晶片上包含基底材料100(如图1a中所见)。
19.参考图1a和图1b，在腔室1内执行第一沉积d1，其中第一目标源2与填充在腔室1中的反应气体4一起运行，使得第一材料层110在基底材料100上方形成及生长。在一些实施例中，第一材料层110通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)形成，所述化学气相沉积例如等离子增强cvd(plasma enhanced cvd，pecvd)、低压cvd(low
‑
pressure cvd，lpcvd)、金属有机cvd(metal organic cvd，mocvd)或原子层沉积(atomic layer deposition，ald)在一些实施例中，第一材料层110通过例如分子束外延法(molecular beam epitaxy，mbe)的外延生长形成。在一些实施例中，第一材料层110通过物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)形成，所述物理气相沉积例如蒸镀、溅镀或离子电镀。
20.举例来说，在沉积腔室1内，第一目标源2至少供应第iii族元素，第二目标源3至少供应稀土元素，且反应气体4至少供应第v族元素。
21.在一个实施例中，沉积腔室1为pvd腔室，第一目标源2包含第iii族元素金属或合金作为第一目标材料，且第二目标源3包含稀土元素金属或合金作为第二目标材料。在腔室1内，第一沉积d1包含在第一目标源2运行且第二目标源3并不运行的情况下在反应气体4下执行pvd工艺(例如溅镀)，且pvd工艺涉及从第一目标源2喷出第一目标材料(图1b中绘示为虚线)、使第一目标材料与反应气体4发生反应以及将所得化合物沉积到物件5上。在一个实施例中，第一目标源2包含铝(al)或合金，第二目标源3包含钪(sc)或合金，且反应气体为气态氮，且所沉积的第一材料层110由在介于室温到600℃范围内的反应温度下通过pvd形成的氮化铝(aln)制成。
22.在替代实施例中，沉积腔室1为cvd腔室，第一目标源2包含含有第iii族元素的前体作为第一目标材料，且第二目标源3包含含有稀土元素的前体作为第二目标材料。在一个实施例中，第一沉积d1包含执行cvd工艺，第一目标源2包含铝前体(例如三甲基铝，tma)，第二目标源3包含钪(sc)前体，且反应/运载气体为气态氮/氩，且所沉积的第一材料层110由在介于室温到700℃范围内的反应温度下通过cvd形成的氮化铝(aln)制成。在一个实施例中，第一沉积d1包含在反应温度介于400℃到700℃范围内的情况下执行mocvd工艺。在一个实施例中，第一沉积d1包含在反应温度介于室温到500℃范围内的情况下执行ald工艺。
23.图2b为绘示与根据本公开的一些实施例的如图2a中所绘示的形成晶体管器件的方法的过程相对应的一个阶段处的沉积腔室的操作和沉积反应的示意图。参考图2a和图2b，第二材料层120形成在第一材料层110上方。在一些实施例中，如图2b中所绘示，在同一沉积腔室1内，在腔室1内执行第二沉积d2，其中第一目标源2和第二目标源3与填充在腔室1中的反应气体4一起运行，使得第二材料层120在第一材料层110和基底材料100上方形成及
生长。在某些实施例中，第一材料层110由结晶材料制成且充当用于稍后形成的第二材料层120的晶种模板。在一些实施例中，第二材料层120通过cvd形成，所述cvd例如pecvd、lpcvd、mocvd、ald。在一些实施例中，第二材料层120通过例如mbe的外延生长形成。在一些实施例中，第二材料层120通过pvd形成，所述pvd例如蒸镀、溅镀或离子电镀。
24.在一个实施例中，在同一沉积腔室1内，沉积腔室1为pvd腔室，第一目标源2包含第iii族元素金属或合金作为第一目标材料，且第二目标源3包含稀土元素金属或合金作为第二目标材料。在一些实施例中，第二沉积d2包含在第一目标源2运行且第二目标源3运行的情况下在反应气体4下执行pvd工艺(例如溅镀)，且pvd工艺涉及从第一目标源2和第二目标源3同时喷出第一目标材料和第二目标材料(图2b中绘示为虚线)、使第一目标材料和第二目标材料与反应气体4发生反应以及将所得化合物沉积到物件5上。在源2和源3均运行时，第一目标材料的喷出量可与第二目标材料的喷出量相同或可不同。在一个实施例中，第一目标材料的喷出量可大于第二目标材料的喷出量。在一个实施例中，第一目标源2包含铝(al)或合金，第二目标源3包含钪(sc)或合金，且反应气体为气态氮，且所沉积的第二材料层120由在介于室温到600℃范围内的反应温度下通过pvd形成的氮化铝钪(alscn)制成。在一个实施例中，第二材料层120为具有约10纳米到100纳米范围内的厚度的alscn层。以磁控溅镀为例，在使用双目标源时结晶alscn层通过溅镀形成到aln层上，且氮气与氩气一起供应，且反应温度介于室温到600℃或从350℃到600℃范围内。
25.在替代实施例中，沉积腔室1为cvd腔室，第一目标源2包含含有第iii族元素的前体作为第一目标材料，且第二目标源3包含含有稀土元素的前体作为第二目标材料。在一个实施例中，第二沉积d2包含执行cvd工艺，第一目标源2包含铝前体(例如三甲基铝，tma)，第二目标源3包含钪(sc)前体，且反应/运载气体为气态氮/氩，且所沉积的第二材料层120由通过cvd形成的氮化铝钪(alscn)制成。在一个实施例中，第二沉积d2包含在反应温度介于400℃到700℃范围内的情况下执行mocvd工艺。在一个实施例中，第二沉积d2包含在反应温度介于室温到500℃范围内的情况下执行ald工艺。
26.在一些实施例中，第二材料层120为具有大于零但小于22％(原子百分比)的钪(sc)含量的alscn层。也就是说，第二材料层120为具有小于22％的sc含量(即，0％<sc<22％)的富铝alscn层，且富铝(富al)alscn可表示为al
(1
‑
x)
sc
(x)
n，其中0<x<0.22。本文中，可将具有大于零且小于22％的sc含量(即，0％<sc<22％)的alscn层称为“低sc含量”alscn层。富al alscn层可以是纤锌矿型alscn层。在一些实施例中，第二材料层120可具有从0.1％开始到22％的sc梯度。在一个实施例中，在第二材料层120的sc梯度从第一材料层110朝着上方层变化的情况下，第二材料层120的晶格常数从第一材料层110朝着上方层逐渐变化，从而充当应变松弛缓冲区。
27.图3b为绘示与根据本公开的一些实施例的如图3a中所绘示的形成晶体管器件的方法的过程相对应的一个阶段处的沉积腔室的操作和沉积反应的示意图。参考图3a和图3b，第三材料层130形成在第二材料层120上方且形成在第一材料层110之上。在一些实施例中，如图3b中所绘示，在同一沉积腔室1内，在腔室1内执行第三沉积d3，其中第一目标源2和第二目标源3与填充在腔室1中的反应气体4一起运行，使得第三材料层130在第二材料层120、第一材料层110以及基底材料100上方形成及沉积。在一些实施例中，第三材料层130通过cvd形成，所述cvd例如pecvd、lpcvd、mocvd或ald。在一些实施例中，第三材料层130通过
例如mbe的外延生长形成。在一些实施例中，第三材料层130通过pvd形成，所述pvd例如蒸镀、溅镀或离子电镀。
28.在一个实施例中，沉积腔室1为pvd腔室，第一目标源2包含第iii族元素金属或合金作为第一目标材料，且第二目标源3包含稀土元素金属或合金作为第二目标材料。在同一腔室1内，第三沉积d3包含在第一目标源2运行且第二目标源3运行的情况下在反应气体4下执行pvd工艺(例如溅镀)，且pvd工艺涉及从第一目标源2和第二目标源3同时喷出第一目标材料和第二目标材料(图3b中绘示为虚线)、使第一目标材料和第二目标材料与反应气体4发生反应以及将所得化合物沉积到物件5上。在源2和源3均运行时，第一目标材料的喷出量可与第二目标材料的喷出量相同或可不同。在一个实施例中，第一目标材料的喷出量可大于第二目标材料的喷出量。在一个实施例中，第一目标源2包含铝(al)或合金，第二目标源3包含钪(sc)或合金，且反应气体为气态氮，且所沉积的第三材料层130由在介于室温到600℃范围内的反应温度下通过pvd形成的氮化铝钪(alscn)制成。在一个实施例中，第三材料层130为具有介于约5纳米到20纳米范围内的厚度的alscn层。以磁控溅镀为例，使用双目标源通过溅镀形成结晶alscn层，且氮气与氩气一起供应，且反应温度介于室温到600℃或从350℃到600℃范围内。
29.在替代实施例中，沉积腔室1为cvd腔室，第一目标源2包含含有第iii族元素的前体作为第一目标材料，且第二目标源3包含含有稀土元素的前体作为第二目标材料。在一个实施例中，第三沉积d3包含执行cvd工艺，第一目标源2包含铝前体(例如tma)，第二目标源3包含钪前体，且反应/运载气体为气态氮/氩，且所沉积的第三材料层130由通过cvd形成的氮化铝钪(alscn)制成。在一个实施例中，第三沉积d3包含在反应温度介于400℃到700℃范围内的情况下执行mocvd工艺。在一个实施例中，第三沉积d3包含在反应温度介于室温到500℃范围内的情况下执行ald工艺。
30.在一些实施例中，第三材料层130为具有约22％或大于22％但小于50％(原子百分比，原子％)的钪(sc)含量的alscn层。也就是说，第三材料层130为具有等于或大于22％且小于50％的sc含量(即，22％≦sc≦50％)的富铝alscn层，且富al alscn可表示为al
(1
‑
x)
sc
(x)
n，其中0.22≦x≦0.50。本文中，可将具有等于或大于22％且小于50％的sc含量的alscn层称为“高sc含量”alscn层。在一些实施例中，第三材料层130可形成为具有变化的sc含量或sc含量梯度的单层。在一些实施例中，第三材料层130可形成为具有不同的sc含量或sc含量梯度的多个层。在一个实施例中，低sc含量alscn层可充当高sc含量alscn层的应变松弛缓冲层(strain relaxed buffer layer，srb)，从而获得更好的高sc含量alscn层的晶体品质。高sc含量alscn层为单晶，这是因为其生长在具有最小应变的单晶缓冲/晶种层上。高sc含量alscn层可充当铁电层。对于被视为有前景的电可切换非易失性数据存储元件的铁电晶体管，由于晶体管结构中的第三材料层130(作为铁电层)可形成为具有不同的sc含量或sc含量梯度的多个层，因此基于铁电的存储器器件可呈现可编程的多级电导状态(即，针对多个位)。
31.图4b为绘示与根据本公开的一些实施例的如图4a中所绘示的形成晶体管器件的方法的过程相对应的一个阶段处的沉积腔室的操作和沉积反应的示意图。参考图4a和图4b，第四材料层140形成在第三材料层130上方且形成在第二材料层120和第一材料层110之上，以形成块体结构40。在一些实施例中，如图4b中所绘示，在同一沉积腔室1内，在腔室1内
执行第四沉积d4，其中第一目标源2和第二目标源3在反应气体4不供应到腔室1的情况下运行，使得第四材料层140在第三材料层130、第二材料层120、第一材料层110以及基底材料100上方形成及沉积。在一些实施例中，第四材料层140通过cvd形成，所述cvd例如pecvd、lpcvd、mocvd或ald。在一些实施例中，第四材料层140通过pvd形成，所述pvd例如蒸镀、溅镀或离子电镀。
32.在一个实施例中，沉积腔室1为pvd腔室，第一目标源2包含第iii族元素金属或合金作为第一目标材料，且第二目标源3包含稀土元素金属或合金作为第二目标材料。在同一腔室1内，第四沉积d4包含在第一目标源2运行且第二目标源3运行的情况下执行pvd工艺(例如溅镀)，且pvd工艺涉及从第一目标源2和第二目标源3同时喷出第一目标材料和第二目标材料(图4b中绘示为虚线)、共溅射第一目标材料和第二目标材料以及将所得化合物沉积到物件5上。在源2和源3均运行时，第一目标材料的喷出量可与第二目标材料的喷出量相同或可不同。在一个实施例中，第一目标材料的喷出量可与第二目标材料的喷出量基本上相同。在一个实施例中，第一目标源2包含铝(al)或合金，第二目标源3包含钪(sc)或合金，使用氩气作为运载气体，且所沉积的第四材料层140由在介于室温到600℃范围内的反应温度下通过pvd形成的铝钪(alsc)制成。在一个实施例中，第四材料层140为具有介于约2纳米到50纳米范围内的厚度的alsc层。以磁控溅镀为例，利用氩气使用双目标源通过溅镀形成金属alsc层，且反应温度介于室温到600℃或从350℃到600℃范围内。
33.在替代实施例中，沉积腔室1为cvd腔室，第一目标源2包含含有第iii族元素的前体作为第一目标材料，且第二目标源3包含含有稀土元素的前体作为第二目标材料。在一个实施例中，第四沉积d4包含执行cvd工艺，第一目标源2包含铝前体(例如tma)，第二目标源3包含钪前体，且反应/运载气体为气态氮/氩，且所沉积的第四材料层140由通过cvd形成的铝钪(alsc)合金制成。在一个实施例中，第四沉积d4包含在反应温度介于400℃到700℃范围内的情况下执行mocvd工艺。在一个实施例中，第四沉积d4包含在反应温度介于室温到500℃范围内的情况下执行ald工艺。
34.在一些实施例中，第四材料层140为具有极少氮或基本上没有氮的alsc合金层。在某些实施例中，第四材料层140包含至少一或多种alsc合金，或一或多种类型的相，例如al2sc、alsc或alsc2。在一些实施例中，金属alsc合金层可充当金属栅极层。
35.在前述工艺中，第一沉积d1、第二沉积d2、第三沉积d3以及第四沉积d4在同一沉积腔室1中原位执行。如果腔室1为pvd腔室，那么第一沉积d1、第二沉积d2、第三沉积d3以及第四沉积d4中的每一个包含执行pvd工艺。如果腔室1为cvd腔室，那么第一沉积d1、第二沉积d2、第三沉积d3以及第四沉积d4中的每一个包含执行cvd工艺。在一些实施例中，原位执行第一沉积d1到第四沉积d4作为连续沉积程序的多个阶段。通过微调沉积参数和反应条件，第一材料层110、第二材料层120、第三材料层130以及第四材料层140在同一腔室中依序地且连续地原位形成，其间不具有明显界面。在本公开的实施例中，材料层中的术语“层”并不希望将材料的形状限制或限定为薄片，而是指一定量的材料。在上述实施例中，通过相同连续沉积程序，在不同反应条件下利用相同或类似的反应物以不同的化学计量比执行第一沉积d1到第四沉积d4。所得材料层(尤其是第二材料层120和第三材料层130)形成有组成梯度区，且组分可从一个层到另一层逐渐变化。举例来说，某一元素(例如钪)的原子比或含量可在所沉积的层当中逐渐增加。举例来说，第一材料层110、第二材料层120、第三材料层130以
及第四材料层140由al
‑
sc
‑
n(铝
‑
钪
‑
氮)系制造且使用单个沉积工具在同一个腔室中原位生长。
36.图15绘示根据本公开的一些实施例的晶体管器件的结构中块体结构的层当中的钪含量的变化。参见图15的左侧部分，块体结构15具有沉积在基底材料1500上的第一材料层1510、第二材料层1520、第三材料层1530以及第四材料层1540。用于形成第一材料层1510、第二材料层1520、第三材料层1530以及第四材料层1540的材料和形成方法可分别与用于形成第一材料层110、第二材料层120、第三材料层130以及第四材料层140的材料和形成方法基本上相同或类似。举例来说，第一材料层1510和基底材料1500的材料包含aln，第二材料层1520的材料包含低sc含量alscn材料，第三材料层1530的材料包含高sc含量alscn材料，且第四材料层1540的材料包含alsc合金。根据图15的右侧部分处绘示的sc分布实例，显而易见的是，sc含量沿着块体结构15的位置(或深度)变化。对于第一材料层1510和基底材料1500，sc含量为零或约为零。对于第二材料层1520中的低sc含量alscn材料，sc含量随着上升斜率r1逐渐增加。举例来说，sc含量以线性方式从约为零增加，且逐渐增加到约25％(即，0<sc<25％)。在实施例中，第二材料层1520具有单个sc含量上升斜率，其意味着在第二材料层1520的整个厚度内，sc含量逐渐增加。对于第三材料层1530中的高sc含量alscn材料，sc含量在一个阶段处保持基本上恒定，且sc含量在另一阶段处也随着上升斜率r2增加。举例来说，sc含量以线性方式从约为27％增加，且逐渐增加到约43％(即，27％≤sc<43％)。在一些实施例中，上升斜率r2大于上升斜率r1。举例来说，上升斜率r2对应于第三材料层1530(例如铁电层)与第四材料层(即，金属层)之间的sc过渡，且倾向于在短厚度(几埃或约0.1纳米到0.2纳米)内突然变化。sc分布或sc含量的变化可基于期望特性修改或调整且不限于本公开中所描述的实例。
37.如图5中所绘示，在一些实施例中，大于一个隔离结构150形成在块体结构40中以限定器件区dr。在某些实施例中，隔离结构150为穿透第四材料层140、第三材料层130、第二材料层120以及第一材料层110且进入基底材料100的沟槽隔离结构。在其它实施例中，隔离结构150包含硅的局部氧化(local oxidation of silicon，locos)结构。在一些实施例中，隔离结构150的绝缘体材料包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、旋涂式介电材料或低k介电材料。在一个实施例中，绝缘体材料可通过cvd形成或通过旋涂形成，所述cvd例如高密度等离子化学气相沉积(high
‑
density
‑
plasma chemical vapor deposition，hdp
‑
cvd)和低于大气压的cvd(sub
‑
atmospheric cvd，sacvd)。
38.参考图5和图6，在一些实施例中，对块体结构40执行图案化工艺，且第四材料层140和第三材料层130分别被图案化为栅极层141和铁电层131。栅极层141和铁电层131形成位于第二材料层120上且在第一材料层110和基底材料100上方的栅极结构13g。在图案化工艺期间，不仅去除第四材料层140和第三材料层130的部分，且还去除隔离结构150的邻近部分。也就是说，隔离结构150的图案化部分的顶部表面150t与第二材料层120的顶部表面120t齐平。栅极结构13g位于器件区dr内且位于隔离结构150之间。在一些实施例中，栅极层141和铁电层131在单个图案化工艺中被图案化为栅极结构13g。在一些实施例中，栅极层141和铁电层131依序通过多个图案化工艺被图案化为栅极结构13g。如图6中所绘示，在示范性实施例中，栅极结构13g安置在部分暴露的第二材料层120上。图6中的栅极结构13g的侧壁可绘示为竖直对准或共面，且栅极结构13g可绘示为图案化为基本上相同的图案设计
或配置。然而，应理解，栅极结构13g的各个层可取决于产品设计而具有不同的图案或配置。在一些实施例中，栅极结构13g的图案化和形成包含执行光刻工艺和各向异性蚀刻工艺。在一些实施例中，光刻胶图案(未绘示)可用作蚀刻掩模，使得在蚀刻工艺期间去除第四材料层140和第三材料层130的部分以及未由光刻胶图案覆盖的隔离结构150，且接着通过剥离工艺去除光刻胶图案。
39.参考图7，绝缘介电层160形成在第二材料层120和隔离结构150上方且完全覆盖栅极结构13g。在一些实施例中，绝缘介电层160的材料包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或一或多个低k介电材料。低k介电材料的实例包含例如氟硅玻璃(fluoro
‑
silicate
‑
glass，fsg)、磷硅玻璃(phospho
‑
silicate
‑
glass，psg)以及硼磷硅玻璃(boro
‑
phospho
‑
silicate
‑
glass，bpsg)的硅酸盐玻璃、black三氧化硅烷(hsq)、氟氧化硅(siof)、非晶氟化碳、聚对二甲苯基、双苯并环丁烯(bcb)或其组合。应理解，绝缘介电层160可包含一或多个介电材料或一或多个介电层。在一些实施例中，绝缘介电层160通过cvd(例如可流动cvd(flowable cvd，fcvd)、pecvd、高密度等离子cvd(high density plasma cvd，hdpcvd)、低于大气压cvd(sacvd)以及低压cvd(low
‑
pressure cvd，lpcvd))、旋涂法或其它合适的方法来形成为合适的厚度。任选地，可执行蚀刻或抛光工艺来将绝缘介电层160的厚度减小至理想厚度。
40.在图7中，接触开口165形成在绝缘介电层160中，以暴露第二材料层120和栅极结构13g的栅极层141。在一些实施例中，接触开口165的形成包含：在绝缘介电层160上方形成图案化掩模层(未绘示)，以及使用图案化掩模层作为掩模来对绝缘介电层160进行各向异性蚀刻，以形成暴露第二材料层120和栅极层141的接触开口165。如图7中所见，接触开口165绘示为基本上竖直的侧壁。应理解，如果可行，接触开口可形成有锥形或倾斜的侧壁。
41.之后，在图8中，接触端子170形成在接触开口165中。在一些实施例中，阻挡层172沉积在接触开口165上方，且保形地覆盖接触开口165的侧壁和底部。在一些实施例中，晶种层(未绘示)可形成在接触开口165上方且形成在阻挡层172上。在一些实施例中，阻挡层172形成以防止金属接触件的金属材料向外扩散。在阻挡层172形成以覆盖接触开口165的侧壁和底部之后，金属接触端子170接着在接触开口165内形成在阻挡层172上且填充接触开口165。在一些实施例中，阻挡材料(未绘示)和(任选的)晶种材料依序形成在接触开口165上方且保形地覆盖接触开口165的暴露表面，且金属材料(未绘示)接着填充到接触开口165中并填满接触开口165以形成金属接触端子170。举例来说，阻挡材料、晶种材料以及金属材料可单独地包含由以下各项中选出的一或多种材料：钨(w)、钌(ru)、钼(mo)、钽(ta)、钛(ti)、其合金以及其氮化物。在一些实施例中，阻挡材料通过cvd或pvd形成。在一些实施例中，金属材料通过cvd或pvd形成。在替代实施例中，金属材料的形成可包含执行电镀工艺(例如电化学电镀(electrochemical plating，ecp))。在一些实施例中，阻挡材料包含通过金属有机cvd(mocvd)工艺形成的氮化钛(tin)，晶种材料包含通过cvd形成的钨，且金属材料包含通过cvd工艺(尤其是钨cvd工艺)形成的钨。举例来说，接触端子170包含钨接触件，且阻挡层172包含氮化钛阻挡层。
42.在一些实施例中，可通过执行平坦化工艺、蚀刻工艺或其它合适的工艺来去除额外阻挡材料、额外晶种材料以及额外金属材料。在一些实施例中，平坦化工艺可包含执行化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)工艺。如图8中所见，绝缘介电层160的
顶部表面160t与接触端子170的顶部表面170t基本上同高及齐平。在一些实施例中，位于栅极结构13g的相对侧上的接触端子170充当晶体管的源极端子和漏极端子，且连接到栅极结构13g的接触端子170充当栅极接触件。在图8中，获得晶体管结构80t。晶体管结构80t包含从顶部到底部依序位于基底材料100上的具有栅极层141和铁电层131(充当栅极介电层)的栅极结构13g、第二材料层120(作为沟道区)和第一材料层110，以及位于栅极结构13g的相对侧上的接触端子170(作为源极端子和漏极端子)。第二材料层120充当导电沟道区，且连接到栅极结构13g的相对侧处的充当源极端子和漏极端子的接触端子170。
43.在以上实施例中，第二材料层120也充当用于使稍后形成的第三材料层130的应变松弛的缓冲层，使得所得第三材料层130为具有较小应变的晶体或单晶。另外，由于基底材料100和第一材料层110为晶体，因此随后形成的第二材料层120和第三材料层130为晶体且具有良好的晶体特性。在一些实施例中，晶体管结构80t为前栅控晶体管结构。在一个实施例中，晶体管结构80t包含铁电晶体管。
44.在一些实施例中，具有一级或多级布线(未绘示)的内连线结构可稍后形成在绝缘介电层160上且形成在接触端子170上方，且互连结构可与接触端子170直接接触且/或与晶体管结构80t的接触端子170电连接，使得晶体管结构80t进一步电连接到其它组件或器件。
45.在所示出的实施例中，所描述的方法和结构可与当前半导体制造工艺兼容形成。在示范性实施例中，所描述的方法和结构在前段工艺(front
‑
end
‑
of
‑
line，feol)过程期间形成。在一些实施例中，所描述的方法和结构可在中间段工艺过程或甚至后段工艺(back
‑
end
‑
of
‑
line，beol)过程期间形成。
46.图9为根据本公开的一些实施例的晶体管器件的示意性横截面图。图9中绘示的示范性结构可遵照如从图1a到图8所绘示的前述实施例中所描述的工艺步骤制造，但应理解，可利用任何其它可兼容的工艺步骤或方法，且可作出可理解的修改或调整以形成本公开的示范性结构。参考图9，在一些实施例中，半导体器件结构90t包含(从底部到顶部)：第一材料层910；第二材料层920，安置在第一材料层910上；铁电层930和栅极层940的栅极结构，位于第二材料层920上；以及源极端子和漏极端子960，直接安置在第二材料层920上且位于栅极结构的两个相对侧处。在一些实施例中，源极端子和漏极端子960通过位于其间的绝缘介电层950彼此分隔开且与栅极结构分隔开。在一些实施例中，源极端子和漏极端子960各自可包含阻挡层(未绘示)。在一些实施例中，第二材料层920与源极端子和漏极端子960直接接触，且在源极端子与漏极端子960之间延伸的第二材料层920充当沟道层。在一些实施例中，包夹在栅极结构与源极端子和漏极端子960之间的绝缘介电层950直接位于第二材料层920上。在图9中，第二材料层920在第一材料层910的整个顶部表面上方延伸。在图9中，尽管栅极结构描绘为低于源极端子和漏极端子，但栅极结构的高度可能与源极端子和漏极端子基本上相同。用于单独层或元件的可适用材料在前述实施例中描述且本文中将不再重复。
47.图10到图13为绘示根据本公开的一些实施例的形成晶体管器件的方法中的各个阶段的示意性横截面图。
48.参考图10，描述形成有隔离结构1050的块体结构50。块体结构50包含基底材料1000、基底材料1000上的第一材料层1010、形成在第一材料层1010上的第三材料层1030以及形成在第三材料层1030上方且形成在第一材料层1010之上的第四材料层1040。此处，可利用前述实施例中的用于形成材料层的类似材料和形成方法来形成块体结构50，不同之处
在于省略第二材料层的形成。在一些实施例中，如图10中所绘示，在同一沉积腔室1内，遵照如上述实施例中所描述的描述在腔室1内执行第一沉积d1、第三沉积d3以及第四沉积d4，使得第一材料层1010、第三材料层1030以及第四材料层1040在基底材料1000上方形成及生长。
49.在一个实施例中，在同一pvd腔室内，第一沉积d1、第三沉积d3以及第四沉积d4各自包含在一或多个目标源运行和/或不运行的情况下执行pvd工艺(例如溅镀)，且pvd工艺涉及取决于特性需求而同时或依次喷出不同或相同喷出量的第一目标材料和第二目标材料。
50.在一些实施例中，基底材料1000的材料包含硅、锗、砷化镓或氮化铝或其组合。在一个实施例中，基底材料1000的材料包含结晶材料。在一个实施例中，第一材料层1010包含氮化铝(aln)层。在一个实施例中，第一材料层1010的材料包含单晶aln。在一些实施例中，第三材料层1030为具有约22％或大于22％但小于50％(原子百分比)的钪(sc)含量的alscn层。也就是说，第三材料层1030为具有约等于或大于22％且小于50％的sc含量(即，22％≦sc≦50％)的高sc含量alscn层，且富al alscn可表示为al
(1
‑
x)
sc
(x)
n，其中0.27<x<0.43。在一些实施例中，第三材料层1030可形成为具有变化的sc含量或sc含量梯度的单层。在一些实施例中，第三材料层1030可形成为具有不同的sc含量或sc含量梯度的多个层。在一个实施例中，高sc含量alscn层将为单晶，这是因为其生长在具有最小应变的单晶第一材料层1010上。高sc含量alscn层可充当铁电层。在一些实施例中，第四材料层1040为具有极少氮或基本上没有氮的alsc合金层。在某些实施例中，第四材料层1040包含至少一或多种alsc合金，或一或多种类型的相，例如al2sc、alsc或alsc2。在一些实施例中，金属alsc合金层可充当金属栅极层。
51.在一些实施例中，第一沉积d1、第三沉积d3以及第四沉积d4作为连续沉积程序的阶段原位执行。在沉积工艺中，第一沉积d1、第三沉积d3以及第四沉积d4在同一沉积腔室或工具中原位执行。通过微调沉积参数和反应条件，第一材料层1010、第三材料层1030以及第四材料层1040依序地且连续地在同一腔室中原位形成，其间不具有明显界面。在本公开的实施例中，材料层中的术语“层”并不希望将材料的形状限制或限定为薄片，而是指一定量的材料。通过相同连续沉积程序，在不同反应条件下利用相同或类似的反应物以不同的化学计量比执行第一沉积d1、第三沉积d3以及第四沉积d4。在所得材料层当中，组分可从一个层到另一层逐渐变化。举例来说，第一材料层1010、第三材料层1030以及第四材料层1040由al
‑
sc
‑
n(铝
‑
钪
‑
氮)系制造且使用单个沉积工具在同一个腔室中原位生长。
52.参考图11，对块体结构50执行图案化工艺，且第四材料层1040和第三材料层1030分别被图案化为栅极层1041和铁电层1031。栅极层1041和铁电层1031形成位于第一材料层1010上且在基底材料1000上方的栅极结构14g。在图案化工艺期间，不仅去除第四材料层1040和第三材料层1030的部分，且还去除隔离结构1050的邻近部分。栅极结构14g位于隔离结构1050之间。可使用任何可供使用的图案化方法且可供使用的图案化方法不限于本文中的公开内容。如图11中所绘示，在示范性实施例中，栅极结构14g安置在部分暴露的第一材料层1010上。应理解，栅极结构14g的各个层可取决于产品设计而具有不同的图案或配置。
53.参考图12，绝缘介电层1060形成在第一材料层1010和隔离结构1050上方且完全覆盖栅极结构14g。在一些实施例中，绝缘介电层1060的材料和形成方法可与绝缘介电层160
的材料和形成方法基本上相同或类似，且本文中将不再描述细节。
54.在图12中，接触开口1065形成在绝缘介电层1060中，从而暴露第一材料层1010和栅极结构14g的栅极层1041。在一些实施例中，接触开口1065的形成包含使用掩模层对绝缘介电层1060进行各向异性蚀刻，以形成暴露第一材料层1010和栅极层1041的接触开口1065。在实施例中，如果可行，接触开口1065可形成有基本上竖直的侧壁或倾斜的侧壁。
55.之后，在图13中，接触端子1070形成在接触开口1065中。在一些实施例中，在形成金属接触端子1070之前，用于防止向外扩散的阻挡层(未绘示)可沉积在接触开口1065上方且保形地覆盖接触开口1065的侧壁和底部。在形成接触开口1065且任选地形成阻挡层之后，金属接触端子1070接着形成在接触开口1065内且填满接触开口1065。举例来说，阻挡材料、晶种材料以及金属材料可单独地包含由以下各项中选出的一或多种材料：钨(w)、钌(ru)、钼(mo)、钽(ta)、钛(ti)、其合金以及其氮化物。在一些实施例中，接触端子介电层1060的材料和形成方法可与绝缘介电层160的材料和形成方法基本上相同或类似，且本文中将不再描述细节。在一些实施例中，可通过执行平坦化工艺、蚀刻工艺或其它合适的工艺来去除额外阻挡材料、额外晶种材料以及额外金属材料。在一些实施例中，平坦化工艺可包含执行化学机械抛光(cmp)工艺。
56.如图13中所见，在一些实施例中，位于栅极结构14g的相对侧上的接触端子1070充当晶体管的源极端子和漏极端子，且连接到栅极结构14g的接触端子1070充当栅极接触件。在图13中，获得晶体管结构130t。晶体管结构130t包含从顶部到底部依序位于基底材料1000上的具有栅极层1041和铁电层1031的栅极结构14g(充当栅极介电层)和第一材料层1010(作为沟道区)，以及位于栅极结构14g的相对侧上的接触端子1070(作为源极端子和漏极端子)。第一材料层1010充当导电沟道区，且连接到栅极结构14g的相对侧处的充当源极端子和漏极端子的接触端子1070。
57.在上述实施例中，由于基底材料1000和第一材料层1010为晶体，因此稍后生长的第三材料层1030(即，铁电层1031)为晶体且具有良好的晶体特性。在某一实施例中，铁电层1031直接形成在之前形成的第一材料层1010上，使得所得第三材料层1030(即，铁电层1031)为具有较小应变的晶体或单晶。在一些实施例中，晶体管结构130t为前栅控晶体管结构。在一个实施例中，晶体管结构130t包含铁电晶体管。
58.图14为根据本公开的一些实施例的晶体管器件的示意性横截面图。图14中绘示的示范性结构可遵照如从图10到图13所绘示的前述实施例中所描述的工艺步骤制造，但应理解，可利用任何其它可兼容的工艺步骤或方法，且可作出可理解的修改或调整以形成本公开的示范性结构。参看图14，在一些实施例中，半导体器件结构140t包含：第一材料层1410；铁电层1430和栅极层1440的栅极结构，位于第一材料层1410上；以及源极端子和漏极端子1460，直接安置在第一材料层1410上且位于栅极结构的两个相对侧处。在一些实施例中，源极端子和漏极端子1460通过位于其间的绝缘介电层1450彼此分隔开且与栅极结构分隔开。在一些实施例中，源极端子和漏极端子1460各自可包含阻挡层(未绘示)。在一些实施例中，第一材料层1410与源极端子和漏极端子1460直接接触，且在源极端子与漏极端子1460之间延伸的第一材料层1410充当沟道层。在一些实施例中，包夹在栅极结构与源极端子和漏极端子1460之间的绝缘介电层1450直接位于第一材料层1410上。用于单独层或元件的可适用材料在前述实施例中描述且本文中将不再重复。
59.在所示出的实施例中，所描述的方法和结构可在前段工艺(feol)过程期间形成。在一些实施例中，所描述的方法和结构可与当前半导体制造工艺兼容形成。在示范性实施例中，所描述的方法和结构在后段工艺(beol)过程期间形成。在一些实施例中，所描述的方法和结构可在中间段工艺过程期间形成。在一个实施例中，fe
‑
fet器件为逻辑器件。
60.在示范性实施例中，通过连续单个沉积程序，在同一腔室内原位形成在块体结构中具有良好晶体品质的层。另外，块体结构的层由al
‑
sc
‑
n(铝
‑
钪
‑
氮)系形成。由于由低sc含量alscn或高sc含量alscn制成的沟道层具有良好的晶体品质或单晶，因此可实现更高效的栅极控制且增强器件性能。
61.在上述实施例中，通过相同的生长程序，块体结构的层可在不需要改变或更换腔室的情况下原位形成，可适当地控制生长程序且提高良率。
62.在本公开的一些实施例中，描述一种晶体管器件。器件包含：栅极结构，具有栅极层和铁电层；源极端子和漏极端子；以及结晶沟道部分。源极端子和漏极端子安置在栅极结构的相对侧处。结晶沟道部分在源极端子与漏极端子之间延伸。源极端子和漏极端子安置在结晶沟道部分上，且栅极结构安置在结晶沟道部分上。结晶沟道部分包含含有第iii族元素和第v族元素的第一材料，栅极层包含含有第iii族元素和稀土元素的第二材料，且铁电层包含含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的第三材料。
63.在一实施例中，所述第一材料包括结晶氮化铝(aln)，所述第二材料包括铝钪(alsc)且所述第三材料包括氮化铝钪(alscn)。
64.在一实施例中，所述第三材料包括具有约22％到约50％范围内的钪(sc)含量的富铝氮化铝钪。
65.在一实施例中，所述晶体管器件进一步包括安置在所述结晶沟道部分下方且位于所述结晶沟道部分的一侧上的结晶层，所述结晶沟道部分的所述侧与安置有所述栅极结构以及所述源极端子和所述漏极端子的另一侧相对，其中所述结晶层包含含有第iii族元素和第v族元素的第四材料，且所述第四材料不同于所述第一材料。
66.在一实施例中，所述第一材料包括结晶氮化铝钪(alscn)，所述第二材料包括铝钪(alsc)，所述第三材料包括氮化铝钪(alscn)，且所述第四材料包括结晶氮化铝(aln)，且所述第三材料的钪(sc)含量高于所述第一材料的钪含量。
67.在一实施例中，所述第一材料包括具有大于零且小于22％的钪含量的富铝氮化铝钪，且所述第三材料包括具有约22％到约50％范围内的钪含量的富铝氮化铝钪。
68.在一实施例中，所述源极端子和所述漏极端子包含金属材料，且所述金属材料包含由以下各项中选出的至少一个：钨(w)、钌(ru)、钼(mo)、钽(ta)、钛(ti)、其合金、其氮化物以及其组合。
69.在本公开的另一实施例中，描述一种晶体管器件。晶体管器件包含栅极层、结晶沟道层、铁电层以及源极和漏极。栅极层含有钪(sc)。结晶沟道层位于栅极层下方。铁电层安置在栅极层与结晶沟道层之间，且铁电层含有钪。源极和漏极安置在结晶沟道层上。
70.在一实施例中，所述铁电层包含铝、钪以及氮。
71.在一实施例中，所述结晶沟道层包含具有小于约22％的钪(sc)含量的氮化铝钪层，且所述铁电层包含具有约22％到约50％范围内的钪含量的氮化铝钪层。
72.在一实施例中，所述结晶沟道层的所述氮化铝钪层的所述钪含量随着斜率逐渐增
加。
73.在一实施例中，所述结晶沟道层包含氮化铝层，且所述铁电层包含具有约22％到约50％范围内的钪含量的氮化铝钪层。
74.在一实施例中，所述栅极层包含铝和钪。
75.在一实施例中，所述源极和所述漏极分别位于所述栅极层和所述铁电层的两个相对侧处。
76.在一实施例中，所述晶体管器件进一步包括位于所述结晶沟道层下方的基底材料。
77.在本公开的又一实施例中，描述一种制造晶体管器件的方法。将基底材料放置在反应腔室中。在反应腔室中在基底材料上原位形成含有第iii族元素和第v族元素的结晶第一材料层。在反应腔室中在结晶第一材料层上原位形成含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的结晶铁电层。在反应腔室中在结晶铁电层上原位形成含有第iii族元素和稀土元素的金属栅极层。
78.在一实施例中，形成含有第iii族元素和第v族元素的所述结晶第一材料层包括形成结晶氮化铝层，且形成含有第iii族元素和稀土元素的所述金属栅极层包括形成铝钪金属层。
79.在一实施例中，形成含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的所述结晶铁电层包括形成具有约22％到约50％范围内的钪(sc)含量的氮化铝钪层。
80.在一实施例中，所述制造晶体管器件的方法进一步包括在形成所述结晶铁电层之前在所述结晶第一材料层上形成含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的结晶半导体层。
81.在一实施例中，形成含有第iii族元素、稀土元素以及第v族元素的所述结晶半导体层包括形成具有大于零但小于约22％的钪(sc)含量的氮化铝钪层。
82.前文概述若干实施例的特征以使得本领域的技术人员可更好地理解本公开的各方面。本领域的技术人员应了解，其可很容易地将本公开用作设计或修改用于实现本文引入的实施例的相同目的及/或达成相同优势的其它工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，这类等效构造并不脱离本公开的精神和范围，且其可在不脱离本公开的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代以及更改。