[发明专利]具有背侧应变拓扑结构的绝缘体上覆半导体

说明书

本发明的各实施例提供了使用应变层对半导体结构中的晶体管的改进。该结构包括具有挖出区域和图案区域的图案化层、位于挖出区域中以及在图案区域上的应变层、位于应变层之上的有源层、形成在有源层中的场效应晶体管、以及位于有源层之上的操作柄层。该场效应晶体管包括源极、漏极和沟道。该沟道完全位于图案区域的横向范围内。源极和漏极各自仅部分地位于图案区域的横向范围内。应变层更改沟道的载流子迁移率。在一些实施例中，应变层被引入到绝缘体上覆半导体结构的背侧。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月13日提交的美国专利申请No.14/540,268的优先权，该申请的内容通过援引被纳入于此。

发明背景

绝缘体上覆半导体(SOI)技术在二十世纪九十年代晚期首次被商业化。SOI技术的限定特性在于，其中形成电路系统的半导体区域藉由电绝缘层来与体基板隔离开。该绝缘层通常是二氧化硅。二氧化硅被选择的原因在于它可以通过使硅晶片氧化来被形成在硅晶片上并且因此宜于高效制造。SOI技术的有利方面直接源自于绝缘体层将有源层与体基板电绝缘的能力。如本文和所附权利要求书中所使用的，SOI结构上形成信号处理电路系统的区域被称为SOI结构的有源层。

SOI技术代表了对传统体基板技术的改进，因为绝缘层的引入隔离了SOI结构中的有源器件，这改善了其电特性。例如，晶体管的阈值电压是渴望被统一的，并且很大部分由晶体管栅极下方的半导体材料的特性来设定。如果这一材料区域被隔离，则进一步加工会影响这一区域并且更改器件的阈值电压的几率会更小。源自对SOI结构的使用的附加电特性改善包括较少的短沟道效应、对于较高速度而言降低的电容、以及在器件正用作开关的情况下较低的插入损耗。另外，绝缘层可作用于减少有源器件受到有害辐射的影响。这在给定了在地球大气层外遍布有害的电离辐射的前提下对于在太空中使用的集成电路而言尤为重要。

SOI晶片100在图1中被示出。该晶片包括基板层101、绝缘体层102和有源层103。该基板通常是半导体材料，诸如硅。绝缘体层102是通过基板层101的氧化形成的电介质，通常为二氧化硅。有源层103包括掺杂剂、电介质、多晶硅、金属层、钝化、以及在电路系统104已被形成于其中之后呈现的其它层的组合。电路系统104可包括金属配线；无源器件(诸如电阻器、电容器和电感器)；以及有源器件(诸如晶体管)。如本文中以及所附权利要求中所使用的，SOI晶片100的“顶”是指顶表面105，而SOI晶片100的“底”是指底表面106。无论SOI晶片100与其他参考系的相对取向如何，以及是从SOI晶片100移除层还是向SOI晶片100添加层，该取向方案都保持不变。因此，有源层103总是在绝缘体层102“上方”。此外，无论SOI晶片100与其他参考系的相对取向如何，以及是从SOI晶片100移除层还是向SOI晶片100添加层，原点在有源层103的中心并向底表面106延伸的向量将总是指向SOI结构的“背侧”方向。

SOI期间被赋予增强和维持它们的有源器件的电特性的能力，如上所述。然而，绝缘体层的引入就器件的散热能力而言造成了显著的问题。由于集成电路中器件的不断增进的小型化，更大数目的产热器件必须被压入越来越小的面积中。在现代集成电路中，电路系统104的发热密度可能是极端的。绝缘体层102的引入加剧了这一问题，因为绝缘体层102的导热率一般远低于标准体基板的导热率。如先前所提及的，二氧化硅是现代SOI技术中无处不在的绝缘体层。在开氏300度(K)的温度，二氧化硅具有约每开每米1.4瓦(W/m*K)的导热率。处于相同温度的体硅基板具有约130W/m*K的导热率。SOI技术所展现出的散热性能方面的接近100倍的折降是极其有问题的。集成电路中的高热水平能够使其器件的电特性偏移到预期范围之外从而导致严重的设计故障。在听任未检查的情况下，器件中过多的热量可导致翘曲或融化器件电路系统中的材料形式的永久且严重的故障。