CN102315170B - 一种基于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的方法，包括：定义有源区；淀积氧化硅薄膜作为硬掩膜；并形成源漏和连接源漏的细条状的图形结构；通过刻蚀硅工艺，将硬掩膜上的图形结构转移到硅材料上；抑制底管离子注入；通过湿法腐蚀硅材料，悬空连接源漏的硅细线条；将硅细线条缩小到纳米尺寸形成硅纳米线；淀积多晶硅薄膜；通过电子束光刻形成多晶硅栅线条，跨过硅纳米线，并形成全包围纳米线的结构；通过在衬底上淀积氧化硅薄膜和接下来的刻蚀氧化硅工艺，在多晶硅栅线条两侧形成氧化硅侧墙；通过离子注入和高温退火，形成源漏结构，最终制备出纳米线场效应晶体管，该方法与常规集成电路制造技术兼容，制备工艺简单、方便、周期短。
Description
技术领域
本发明涉及一种于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的方法，属于超大规模集成电路制造技术领域。
背景技术
当今半导体制造业在摩尔定律的指导下迅速发展，不断地提高集成电路的性能和集成密度，同时尽可能的减小集成电路的功耗。因此，制备高性能，低功耗的超短沟器件将成为未来半导体制造业的焦点。当进入到22纳米技术节点以后，传统平面场效应晶体管的泄漏电流不断增加，以及日益严重的短沟道效应，漏致势垒降低(DIBL)效应，不能很好的适应半导体制造的发展。为了克服上述一系列问题，一大批新结构半导体器件开始崭露头角，如DoubleGate FET，FinFET，Tri-Gate FET，Gate-all-around(GAA)Nanowire(NW)FET等，逐渐引起广泛的关注。通过多栅结构，特别是围栅结构，能够很好的加强栅对于沟道的控制能力，使得电场线难以从漏端直接穿过沟道到达源端，这样就能大幅度的改善漏致势垒降低效应，减小泄漏电流，并且很好的抑制短沟道效应。正是由于栅结构导致良好的栅控能力，沟道区域不需要像传统平面场效应晶体管一样进行重掺杂来抑制短沟道效应，轻掺杂沟道区域的优势在于减小了散射带来的迁移率的下降，从而使多栅结构器件的迁移率得到大幅度改善。此外，一维纳米线场效应晶体管由于存在一维准弹道输运效应，使得器件的迁移率进一步上升。因此，GAA NW FET作为一种新结构器件，将是一个很有潜力的能够替代传统平面场效应晶体管的选择。
哈佛大学Yi Cui等人通过合成的方法[Yi Cui，et al.，Science 293，1289(2001).]，形成了硅纳米线，并利用硅纳米线场效应晶体管极高的灵敏度成功的检测了PH值的变化。然而，这种通过合成形成硅纳米线的方法存在很多难以克服的缺陷：(1)合成生长出来的硅纳米线没有统一的方向，绝大多数情况下是无规律、五方向性的生长；(2)合成生长出来的硅纳米线其尺寸大小不一，难以实现精确控制；(3)这种自底向上(bottom-up)的工艺方法，难以和传统半导体自顶向下(top-down)的制造技术兼容。
韩国三星电子公司Sung Dae Suk等人通过SiGe牺牲层在体硅衬底上成功的制备了硅纳米线场效应晶体管[Sung Dae Suk，et a].，IEDM Tech.Dig.，p.717-7202005.]。其核心工艺是通过湿法腐蚀去掉硅膜下面的锗硅牺牲层从而悬空硅纳米线，但是制备工艺相对复杂，生产周期相对漫长。
IBM公司S.Bangsaruntip等人通过SOI衬底成功的制备了硅纳米线场效应晶体管[S.Bangsaruntip，et al.，IEDM Tech.Dig.，p.297-3002009.]。其核心工艺是通过SOI衬底上的硅膜减薄技术，在减薄的硅膜上形成源漏和连接源漏的细条状结构，并利用后续的氢气退火工艺和牺牲氧化工艺来减小控制硅纳米线的直径尺寸，最后通过源漏抬升技术获得较大的开启电流。
其主要缺陷为：(1)SOI衬底比硅衬底需要更多的成本；(2)源漏抬升技术相对复杂
针对以上这些制备硅纳米线场效应晶体管中存在的问题，本发明提出了一种于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的方法。采用此方法可以在体硅片上很容易的形成硅纳米线场效应晶体管，而且整个工艺流程完全与常规硅基超大规模集成电路制造技术兼容，制备工艺具有简单、方便、周期短的特点。此外，采用此工艺制备出的硅纳米线场效应晶体管其硅纳米线沟道直径可以控制在十纳米左右，全包围栅结构可以提供很好的栅控制能力，非常适合于制备超短沟器件，进一步缩小器件尺寸。最后，此方法制备形成的硅纳米线场效应晶体管，具有较小的源漏串联电阻，不需要进行额外的源漏提升工艺处理就能获得较高的开启电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的方法，通过如下技术方案予以实现：
一种制备硅纳米线场效应晶体管的方法，包括以下步骤：
a)制备源漏和连接源漏的细条状的图形结构
该步骤主要目的是利用电子束光刻在硬掩膜上形成源漏和连接源漏的细条状图形结构，利用电子束光刻可以使形成的细条状结构宽度在100纳米左右，这样的宽度对于之后的湿法腐蚀硅，悬空细线条是最佳的。同时，增加了硬掩膜层主要是出去在湿法腐蚀硅时保护顶部不被腐蚀。
i.定义有源区，形成LOCOS隔离；
ii.在衬底上淀积氧化硅薄膜作为硬掩膜；
iii.通过电子束光刻，刻蚀氧化硅工艺，在硬掩膜上形成源漏和连接源漏的细条状的图形结构；
iv.去掉电子束光刻胶
v.通过刻蚀硅工艺，将硬掩膜上的图形结构转移到硅材料上；
vi.底管抑制离子注入；
b)制备悬空的连接源漏的硅纳米线
该步骤主要目的是是通过精确控制湿法腐蚀硅的腐蚀速率，根据不同的细线条宽度采用不同的腐蚀时间，使硅细线条悬空，并尽可能的达到较小的初始线宽，这样才能通过后续的牺牲氧化使硅纳米线直径尺寸达到10纳米左右。
i.通过HNA溶液湿法腐蚀硅材料，悬空连接源漏的硅细线条；
ii.湿法腐蚀去掉氧化硅硬掩膜；
iii.通过牺牲氧化将连接源漏的悬空硅细线条缩小到纳米尺寸，形成硅纳米线；
iv.湿法腐蚀去掉牺牲氧化形成的氧化硅；
c)制备栅结构和源漏结构
该步骤主要目的是形成栅结构，其中栅结构需要用电子束光刻来定义，这主要是因为电子束光刻能容易的将栅线条宽度控制在32纳米左右，这是我们需要的沟道长度。后面的侧墙工艺，在源漏离子注入之前完成，其侧墙的厚度控制在20纳米左右，这样的设计主要是对串联电阻大小，寄生电容以及源漏杂质由于退火横向扩散这三个问题的综合考虑。较小的侧墙厚度，使得侧墙下面的源漏延伸区串联电阻较小，但是会使源漏和栅之间的寄生电容增加，同时也使得源漏杂质更容易扩散到沟道区域，引起源漏穿通的风险。
i.热氧氧化形成栅氧化层；
ii.在衬底上淀积多晶硅薄膜，作为栅材料；
iii.通过电子束光刻和接下来的刻蚀多晶硅工艺形，成多晶硅栅线条，跨过硅纳米线，并形成全包围纳米线的结构；
iv.去掉电子束光刻胶；
v.通过在衬底上淀积氧化硅薄膜和接下来的刻蚀氧化硅工艺，在多晶硅栅线条两侧形成氧化硅侧墙；
vi.通过离子注入和高温退火，形成源漏结构。
d)制备金属接触和金属互联：
该步骤主要目的是引出源漏端和栅端，方便测试和形成大规模电路结构。
本发明具有如下技术效果：
通过采用此方法可以在体硅片上很容易的形成硅纳米线场效应晶体管，而且整个工艺流程完全与常规硅基超大规模集成电路制造技术兼容，制备工艺具有简单、方便、周期短的特 点。此外，采用此工艺制备出的硅纳米线场效应晶体管其硅纳米线沟道直径可以控制在十纳米左右，全包围栅结构可以提供很好的栅控制能力，非常适合于制备超短沟器件，进一步缩小器件尺寸。最后，此方法制备形成的硅纳米线场效应晶体管，具有较小的源漏串联电阻，不需要进行额外的源漏提升工艺处理就能获得较高的开启电流。
附图说明
图1-6是本发明提出的基于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的工艺流程示意图。工艺流程的简要说明如下：图1为定义有源区，形成LOCOS隔离；图2为在有源区衬底上淀积氧化硅薄膜作为硬掩膜；图3A为电子束光刻源漏和连接源漏的细条状图形结构，并通过各项同性干法刻蚀氧化硅、硅衬底，将上述图形转移到硅衬底上的俯视图；图3B-3D为图3A结构中AA、BB、CC方向上的截面图；图3E-3G为图3结构经过湿法腐蚀硅以后AA、BB、CC方向上的截面图；图4A为经过湿法腐蚀去掉氧化硅薄膜，牺牲氧化，再一次经过湿法腐蚀去掉氧化硅薄膜之后的器件结构；图4B-4D为图4A结构中AA、BB、CC方向上的截面图；图5A为电子束光刻、刻蚀多晶硅之后，从而形成多晶硅栅细线条；图5B-5E为图5A结构中AA、BB、CC、DD方向上的截面图；图6为形成氧化硅侧墙结构。图中：
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，具体给出一实现本发明提出的制备硅纳米线场效应晶体管的工艺方案，但不以任何方式限制本发明的范围。
根据下列步骤制备沟道直径约为10纳米，沟道长度约为32纳米的n型硅纳米线场效应晶体管：
1.在硅衬底上低压化学气相沉积氧化硅 
2.在氧化硅上低压化学气相沉积氮化硅 
3.光学光刻定义有源区；
4.各项异性干法刻蚀 
氮化硅；
5.各向异性干法刻蚀 
氧化硅；
6.热氧化生长 
氧化硅，形成LOCOS隔离；
7.各项同性湿法腐蚀 
氮化硅；
8.各向同性湿法腐蚀 氧化硅，如图1所示；
9.在硅衬底上低压化学气相沉积氧化硅 
形成氧化硅硬掩膜，如图2所示；
10.电子束光刻定义源漏和连接源漏的细条状图形结构，其中细条状图形结构的宽度为50纳米，长度为300纳米；
11.各向异性干法刻蚀 
氧化硅；
12.各项异性干法刻蚀2000A硅衬底，将图形转移到硅衬底上，如图3A-3D所示；
13.抑制底管离子注入，注BF2，注入能量为50keV，注入剂量为le16cm-2；
14.各向同性通过HNA溶液湿法腐蚀 硅衬底，悬空纳米线，如图3E-3G所示；
15.各项同性湿法腐蚀 
氧化硅，去掉氧化硅硬掩膜；
16.热氧化生长 
氧化硅，作为牺牲氧化，将连接源漏的悬空硅细线条缩小到纳米尺寸，形成硅纳米线；
17.各向同性湿法腐蚀 
氧化硅，去掉牺牲氧化层，如图4A-4D所示；
18.热氧化生长 
氧化硅，作为栅氧化层；
19.低压化学气相沉积多晶硅 
作为栅材料；
20.电子束光刻定义栅细线条，栅条的宽度为32纳米；
21.各项异性干法刻蚀 
多晶硅，形成栅细线条，如图5A-5E所示；
22.去掉电子束光刻胶；
23.低压化学气相沉积氧化硅 
作为侧墙材料；
24.各向异性干法刻蚀 
氧化层，形成侧墙；
25.源漏离子注入，注As，注入能量为50keV，注入剂量为4e15cm-2；
26.RTP退火，1050度，5秒，在氮气氛围下，如图6所示；
27.制备金属接触和金属互联。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
Claims (4)
1.一种基于湿法腐蚀制备硅纳米线场效应晶体管的方法，具体包括：
a)制备源漏和连接源漏的细条状的图形结构：
i.定义有源区，形成LOCOS隔离；
ii.在衬底上淀积氧化硅薄膜作为硬掩膜；
iii.通过一次电子束光刻，刻蚀氧化硅工艺，在硬掩膜上形成源漏和连接源漏的细条状的图形结构；
iv.去掉电子束光刻胶；
v.通过刻蚀硅工艺，将硬掩膜上的图形结构转移到硅衬底上；
vi.底管抑制离子注入；
b)制备悬空的连接源漏的倒三角形的硅纳米线：
i.通过HNA溶液各项同性湿法腐蚀硅材料，悬空连接源漏的硅细线条；
ii.湿法腐蚀去掉氧化硅硬掩膜；
iii.通过牺牲氧化将连接源漏的悬空硅细线条缩小到纳米尺寸，形成硅纳米线；
iv.湿法腐蚀去掉牺牲氧化形成的氧化硅；
c)制备栅结构和源漏结构：
i.热氧氧化形成栅氧化层；
ii.在衬底上淀积多晶硅薄膜，作为栅材料；
iii.通过电子束光刻和接下来的刻蚀多晶硅工艺形，形成多晶硅栅线条，跨过硅纳米线，并形成全包围纳米线的结构；
iv.去掉电子束光刻胶
v.通过在衬底上淀积氧化硅薄膜和接下来的刻蚀氧化硅工艺，在多晶硅栅线条两侧形成氧化硅侧墙；
vi.通过离子注入和高温退火，形成源漏结构；
d)制备金属接触和金属互联。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a)中LOCOS隔离的制备具体为：
1）在衬底上淀积氧化硅薄膜，在氧化硅薄膜上淀积氮化硅薄膜，作为硬掩膜；
2）光学光刻定义有源区图形；
3）刻蚀氮化硅薄膜、氧化硅薄膜，将图形转移到硬掩膜上；
4）去掉光学光刻胶；
5）热氧化生长氧化硅，形成LOCOS隔离。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤中，淀积氧化硅和多晶硅采用化学气相淀积法。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤中，刻蚀氧化硅、多晶硅和衬底材料采用各向异性干法刻蚀技术。
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