一种垂直晶体管及制造方法

技术领域

本发明涉及晶体管技术领域，尤其涉及一种垂直晶体管及制造方法。

背景技术

垂直晶体管的结构具有占地面积小和垂直方向易于集成的特点，采用这种结构，能够最大程度的提高晶体管的集成密度。然而随着工艺的演进，垂直结构的晶体管也将面临诸如栅控能力不足等问题，如何进一步提高栅控能力，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直晶体管，用于解决现有结构的垂直晶体管栅控能力不足的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一方面提供了一种垂直晶体管，包括：源极、漏极、沟道、第一栅堆叠部和第二栅堆叠部；

所述沟道分别与所述源极和所述漏极接触；所述沟道包括形成在所述源极和所述漏极之间的第一环状结构；所述第一栅堆叠部至少位于所述沟道内、且与所述沟道的内表面接触；所述第二栅堆叠部包括环绕在所述沟道周向的第二环状结构；所述第一栅堆叠部和所述第二栅堆叠部用于被施加反向的控制电压，以共同控制所述沟道。

本垂直晶体管具有以下有益效果：相对于现有技术，本发明增加了一个栅堆叠部，具有第一栅堆叠部和第二栅堆叠部，第一栅堆叠部位于沟道内，第二栅堆叠部位于沟道外，通过在第一栅堆叠部和第二栅堆叠部施加反向的控制电压，形成两个电场，在两个电场叠加的作用下使沟道的内侧面或外侧面形成反型层，来控制沟道的开闭等。本发明相对于现有技术而言，可以形成更强的叠加电场，扩大了沟道中可以调控的区域，从而增大沟道内载流子浓度，进而增大开态电流，提高栅极的控制能力。因为控制电压被两个栅堆叠部的栅介质层分担，每个栅介质层均不容易被击穿。而现有技术中只有一个栅介质层承担控制电压，容易被击穿。如此，本发明相对于现有结构下的垂直晶体管具有更强的栅控能力。

本发明在另一方面提供了一种垂直晶体管的制造方法，包括：提供一基底；

在所述基底上形成所述垂直晶体管；所述垂直晶体管包括源极、漏极、沟道、第一栅堆叠部和第二栅堆叠部；所述沟道分别与所述源极和所述漏极接触；所述沟道包括形成在所述源极和所述漏极之间的第一环状结构；所述第一栅堆叠部至少位于在所述沟道内、且与所述沟道的内表面接触；所述第二栅堆叠部包括环绕在所述沟道周向的第二环状结构；所述第一栅堆叠部和所述第二栅堆叠部用于被施加反向的控制电压，以共同控制所述沟道。

本发明提供的垂直晶体管的制造方法具有以下有益效果：与现有技术相比，本发明提供的半导体器件的制造方法具有的有益效果与上述技术方案提供的半导体器件具有的有益效果相同，此处不再赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的实施例一中示出的垂直晶体管的剖视图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的实施例一的制造过程的示意图；

图4为本发明的实施例二中示出的垂直晶体管的剖视图；

图5为本发明的实施例三中示出的垂直晶体管的剖视图；

图6为本发明的实施例四中示出的垂直晶体管的剖视图；

图7为本发明提供的垂直晶体管的制造方法的流程图。

附图标记：

1、第一栅极；2、第一栅介质层；3、沟道；4、第二栅介质层；5、第二栅极；6、源极；7、漏极；8、隔离部；9、凹槽；21、第四环部；22、第四底部；31、第一环状结构；32、第一底部结构；41、第一环部；42、第一底部；51、第二环部；52、第二底部；81、第三环部；82、第三底部。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种垂直晶体管，参照图1、图2、图4、图5和图6，包括：源极6、漏极7、沟道3、第一栅堆叠部和第二栅堆叠部；第一栅堆叠部由第一栅极1和第一栅介质层2堆叠而成，第二栅堆叠部由第二栅极5和第二栅介质层4堆叠而成。

沟道3分别与源极6和漏极7接触。沟道3包括第一环状结构31，第一环状结构31至少位于源极6和漏极7之间。

参照图1，第一环状结构31不仅位于源极6和漏极7之间，还具有向上延伸的部分。源极6与沟道3的下表面相接触，漏极7与沟道3的侧表面相接触。

参照图6，第一环状结构31不仅位于源极6和漏极7之间，还具有向上和向下延伸的部分。源极6和漏极7均与沟道3的侧表面相接触。

参照图4和图5，第一环状结构31仅位于源极6和漏极7之间。源极6和漏极7分别与沟道3的下表面和上表面相接触。

第一栅堆叠部至少位于沟道3内、且与沟道3的内表面接触。

第二栅堆叠部包括环绕在沟道3周向的第二环状结构，第二环状结构为第二栅极5的第二环部51和第二栅介质层4的第一环部41形成的叠层结构。

第一栅堆叠部和第二栅堆叠部用于被施加反向的控制电压，以共同控制沟道3。

以控制沟道3的开启和闭合为例进行说明。(当然，对沟道3的控制不仅限于控制沟道3开启和闭合，还可通过改变栅控电压的值对沟道3进行控制，进而改变源漏之间电流。)假设晶体管的阈值电压为某一正值，可以在第一栅极1施加正值的电压(本文所说的电压指的是栅极与源极之间的电压)，在第二栅极5施加负值的电压。沟道3在第一栅极1和第二栅极5形成的两个电场的叠加的作用下，在外表面的一侧或内表面的一侧形成反型层而导通，且第一栅极1施加的正值的电压要小于晶体管的阈值电压。

沟道3在内表面还是在外表面形成反型层，根据源极6和漏极7与沟道3的接触情况确定，只需确保沟道3形成反型层时，源极6和漏极7均与反型层接触即可。

参见图1、图5和图6，在源极6只与沟道3的外表面(外侧面和/或外底面)相接触时，只能使沟道3在外表面的一侧形成反型层。

参见图4，在漏极7和源极6分别与沟道3的上表面和下表面相接触时，既可以使沟道3在外表面的一侧形成反型层，也可以使沟道3在内表面的一侧形成反型层。

当然，源极6和漏极7也均可与沟道3的内表面相接触，只能使沟道3在内表面的一侧形成反型层。

如此，要使沟道3形成反型层，本发明中施加在第一栅介质层2两侧的电压的绝对值为A，施加在第二栅介质层4两侧的电压的绝对值为B；现有技术中要使沟道3形成反型层，需要施加的电压值为C，C要大于A和B中任意一个值，由于只有一个栅介质层，需要独自承担电压值C。相比较而言，本发明的第一栅介质层2和第二栅介质层4更不容易被击穿。如此，在保证栅介质层不被击穿的情况下，可以变相增加栅极的控制电压，扩大沟道中可以调控的区域，从而增大沟道内载流子浓度，进而增大开态电流，增强栅极对沟道的控制能力。

在对沟道3的开启和闭合进行控制时，可以将第二栅极5的电压设置为恒定值，在对沟道3进行开启和关闭时，只需调整第一栅极1的电压即可。由于沟道3在第二栅极5形成的电场和第一栅极1形成的电场的叠加作用下开启，第一栅极1施加的电压小于现有技术中的开启沟道所需的电压(阈值电压)。本发明中，第一栅极1施加的电压值为D时，使沟道3开启，此电压值D即等效于本垂直晶体管的阈值电压。电压值D由实际设置的第二栅极5的电压和沟道3自身的特性(沟道3成型后，自身特性不再改变)所决定。如此，在实际使用时，可以根据需要改变第二栅极5的电压，来调节垂直晶体管的阈值电压，从而使得第一栅极1能够在更合理的范围内开启垂直晶体管，避免因为需要施加不合理的较大电压而击穿第一栅介质层2。

其中，源极6和漏极7两者的位置可以互换，当其中一者为源极时，另一者为漏极，可根据实际需要具体设置。如图中的源极6所在的位置可以用于形成漏极，在此情况下，图中漏极7所在的位置可以用于形成源极。

参照图1和图5，源极6的形状可以为柱状结构，在此种情况下，第一栅堆叠部包括的栅介质层为桶状栅介质层，即第一栅介质层2为桶状，此时第一栅介质层2包括第四环部21和第四底部22。

在第一栅介质层2为桶状的情况下，第一栅极1可以为柱状结构也可以为桶状结构或环状结构。

在第一栅介质层2为桶状的情况下，沟道3可以只具有第一环状结构31，此时，第一栅介质层2的底部与源极6的上表面接触。

在第一栅介质层2为桶状的情况下，沟道3可以既具有第一环状结构31，也具有第一底部结构32，第一环状结构31环绕在第一底部结构32的外周。第一底部结构32设置在源极6的上表面，第一栅介质层2的外表面与沟道3的内表面相接触。

最优选的实施方式为，沟道3、第一栅介质层2均为桶状，第一栅极1为柱状或桶状。此种结构，可以使得第一栅极1获得最大放入栅控面积，既包括第一环状结构31的外周面积又包括第一底部结构32的面积。其次，在沟道3为桶状结构的情况下，在沟道3内部形成桶状的第一栅介质层2较为容易，采用原子层沉积的方式沉积栅介质层材料，栅介质层材料会吸附在沟道3的内表面(内周面和内底面)，直接形成桶状。

源极6的形状可以为环状。

在此种情况下，第一栅堆叠部包括的栅极为桶状栅极、环状栅极或柱状栅极。即，第一栅极1可以为桶状、环状或柱状结构。

上述垂直晶体管还可以包括隔离部8，隔离部8至少形成在第二栅堆叠部和沟道3之间。

参照图6，隔离部8可以只具有第三环部81，第三环部81位于沟道3的第一环状结构31与第二栅介质层4的第一环部41之间。

参照图1，隔离部8可以只具有第三环部81；也可以既具有第三环部81又具有第三底部82。

隔离部还环绕在源极和漏极中的一者的周向；源极和漏极中的另一者形成在隔离部上；沟道和第一栅堆叠部形成在隔离部、源极和漏极所围成的空间内。

例如：参照图1，隔离部8还可以环绕在源极6的周向，漏极7设置在隔离部8的上方，沟道3成桶状设置在隔离部8、源极6和漏极7围成的空间。第一栅介质层2设置在沟道3的内部，第一栅极1设置在第一栅介质层2的内部。

又例如：隔离部8还可以环绕在漏极7的周向，源极6设置在隔离部8的上方，沟道3成桶状设置在隔离部8、源极6和漏极7围成的空间。第一栅介质层2设置在沟道3的内部，第一栅极1设置在第一栅介质层2的内部。

当源极位于漏极的上方时，源极为环状源极，漏极为柱状漏极。当漏极位于源极的上方时，漏极为环状漏极，源极为柱状源极。

下面介绍四种具体的实施例。

实施例一：参照图1和图2，沟道3和第一栅介质层2均设置为桶状，沟道3包括第一环状结构31和第一底部结构32，第一栅介质层2包括第四环部21和第四底部22。第一栅介质层2设置于沟道3的内部。第一栅极1设置为柱状，第一栅极1设置于第一栅介质层2的内部。漏极7设置为环形，漏极7环绕在沟道3的外周。源极6设置为柱状，源极6设置在沟道3的下方。隔离部8设置在漏极7的下方，隔离部8包括第三环部81和第三底部82，第三环部81环绕在沟道3的下部分以及源极6的外周。第三环部81用于支撑漏极7，还用于隔离源极6和漏极7。第二栅介质层4包括第一环部41和第一底部42，第一环部41环绕在漏极7和第三环部81上部分的外周，第一底部42设置在第三底部82上。第二栅极5包括第二环部51和第二底部52，第二环部51环绕在第一环部41的外周，第二底部52设置在第一底部42上。

实施例二：参照图4，源极6和漏极7均设置为环状，沟道3只具有第一环状结构31，源极6和漏极7分别设置在沟道3的下方和上方，源极6的上表面与沟道3的下表面相接触，漏极7的下表面与沟道3的上表面相接触。第一栅介质层2只具有第四环部21，第四环部21贴合设置在沟道3和源极6的内周，第一栅介质层2内部设置有第一栅极1，第一栅极1设置为柱状。第二栅介质层4只具有第一环部41，第二栅介质层4环绕在沟道3和源极6的外周。第二栅极5只具有第二环部51，第二栅极5环绕在第二栅介质层4的外周。

实施例三：参照图5，源极6设置为柱状，漏极7设置为环状。沟道3、第一栅介质层2、第一栅极1均设置为桶状，沟道3包括第一环状结构31和第一底部结构32，第一栅介质层2包括第四环部21和第四底部22。第一栅介质层2堆叠设置于沟道3的内部，第一栅极1堆叠设置于第一栅介质层2的内部。源极6和漏极7分别设置在沟道3的下方和上方，源极6的上表面与沟道3的下表面相接触，漏极7的下表面与沟道3的上表面相接触。第二栅介质层4只具有第一环部41，第二栅介质层4环绕在沟道3和源极6的外周。第二栅极5只具有第二环部51，第二栅极5环绕在第二栅介质层4的外周。

实施例四：参照图6，源极6和漏极7均设置为环状，隔离部8只具有第三环部81，源极6和漏极7分别设置在隔离部8的下方和上方，源极6的上表面与隔离部8的下表面相接触，漏极7的下表面与隔离部8的上表面相接触。沟道3只具有第一环状结构31，沟道3贴合设置在源极6、隔离部8和漏极7的内周。第一栅介质层2只具有第四环部21，第一栅介质层2贴合设置在沟道3的内周。第一栅介质层2内设置有第一栅极1，第一栅极1设置为柱状，第一栅极1的外周面与第一栅介质层2的内周面相接触。第二栅介质层4只具有第一环部41，第二栅介质层4贴合设置在源极6、隔离部8和漏极7的外周。第二栅极5只具有第二环部51，第二栅极5贴合设置在第二栅介质层4的外周。

本发明还提供了一种垂直晶体管的制造方法，包括提供基底，在基底上形成垂直晶体管，垂直晶体管包括源极、漏极、沟道、第一栅堆叠部和第二栅堆叠部；沟道分别与源极和漏极接触；沟道包括形成在源极和漏极之间的第一环状结构；第一栅堆叠部至少位于沟道内、且与沟道的内表面接触；第二栅堆叠部包括环绕在沟道周向的第二环状结构；第一栅堆叠部和第二栅堆叠部用于被施加反向的控制电压，以共同控制沟道。

参照图1、图3和图7，具体地介绍一种垂直晶体管的制造方法：

S1，在基底上形成源极材料层，图形化源极材料层以形成源极，源极为柱状结构。

基底可以选用硅Si或二氧化硅SiO

S2，形成隔离材料层，隔离材料层覆盖源极的上表面和侧表面上，以及基底上；在隔离材料层上形成漏极材料层，以形成叠层结构。

在已形成的结构上磁控溅射隔离材料层，隔离材料可以选择为二氧化硅SiO

S3，在叠层结构上刻蚀出凹槽，以使源极的上表面暴露。

在叠层结构的上表面向下刻蚀，刻蚀出凹槽9，凹槽9向下对准源极6的位置贯穿至源极6，使源极6的上表面暴露。

S4，在凹槽内依次形成沟道和第一栅堆叠部。

在凹槽9内原子层沉积沟道材料以形成桶状的沟道3，沟道材料可以选择为铟镓锌氧化物IGZO。在沟道3内部原子层沉积第一栅介质层材料，以形成桶状的第一栅介质层2，第一栅介质层材料可以选择为氧化铝Al

S5，对叠层结构的上部分的外周进行刻蚀，以使漏极材料层和隔离材料层的上部分形成以凹槽的内侧壁为内侧壁的环形结构，使隔离材料层的下部分形成环台形结构，以形成隔离部和环状的漏极。

在叠层结构的上表面向下刻蚀，对叠层结构的上部分的外周进行刻蚀去除，将源极材料层刻蚀成环状，形成环状的漏极7。将隔离材料层的上部分刻蚀成环状、下部分形成环台形结构。以形成隔离部8，隔离部8包括第三环部81和第三底部82。

S6，在环台形结构的上表面、漏极和隔离部上部分的外周形成第二栅堆叠部。

在第三底部82的上表面、隔离部8的上部分的外周以及漏极7的外周原子层沉积第二栅介质层材料，以形成第二栅介质层4，第二栅介质层材料可以选择为氧化铝Al

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。