CN103367153B - 鳍式场效应管及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种鳍式场效应管的形成方法，包括：提供第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底的氧化层，所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应；形成覆盖所述第二半导体衬底的掩膜层，所述掩膜层具有多个暴露出所述氧化层的第一开口；沿所述第一开口刻蚀所述氧化层直至暴露出第一半导体衬底；刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的鳍部，所述鳍部具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。本发明实施例形成的鳍式场效应管的沟道区的载流子迁移率高，鳍式场效应管的性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及鳍式场效应管及其形成方法。
背景技术
随着半导体工艺技术的不断发展，工艺节点逐渐减小，后栅(gate-last)工艺得到了广泛应用，以获得理想的阈值电压，改善器件性能。但是当器件的特征尺寸(CD，CriticalDimension)进一步下降时，即使采用后栅工艺，常规的MOS场效应管的结构也已经无法满足对器件性能的需求，多栅器件作为常规器件的替代得到了广泛的关注。
鳍式场效应晶体管(FinFET)是一种常见的多栅器件，图1示出了现有技术的一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图。如图1所示，包括：半导体衬底10，所述半导体衬底10上形成有凸出的鳍部14，鳍部14一般是通过对半导体衬底10刻蚀后得到的；介质层11，覆盖所述半导体衬底10的表面以及鳍部14的侧壁的一部分；栅极结构12，横跨在所述鳍部14上，覆盖所述鳍部14的顶部和侧壁，栅极结构12包括栅介质层(图中未示出)和位于栅介质层上的栅电极(图中未示出)。对于FinFET，鳍部14的顶部以及两侧的侧壁与栅极结构12相接触的部分都成为沟道区，即具有多个栅，有利于增大驱动电流，改善器件性能。
然而随着工艺节点的进一步减小，现有技术的鳍式场效应晶体管的器件性能存在问题。
更多关于鳍式场效应晶体管的结构及形成方法请参考专利号为“US7868380B2”的美国专利。
发明内容
本发明解决的问题是提供性能好的鳍式场效应管及其形成方法。
为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种鳍式场效应管的形成方法，包括：
提供第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底的氧化层，所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应；
形成覆盖所述第二半导体衬底的掩膜层，所述掩膜层具有多个暴露出所述氧化层的第一开口；
沿所述第一开口刻蚀所述氧化层直至暴露出第一半导体衬底；
刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的鳍部，所述鳍部具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。
可选地，所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，包括：当形成N沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(100)；当形成P沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(110)。
可选地，所述掩膜层的材料为氮化硅。
可选地，所述掩膜层的形成步骤包括：形成覆盖所述第二半导体衬底的掩膜薄膜，所述掩膜薄膜具有暴露出氧化层的第二开口；向所述第二开口内填充自对准层；对所述自对准层进行退火处理，形成分别呈线性排列的第一结构和第二结构，且所述第一结构和第二结构相互交错排列；去除所述第一结构，形成具有多个第一开口的掩膜层。
可选地，所述自对准层的材料为苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯。
可选地，所述第一结构的材料为甲基丙烯酸甲酯，所述第二结构的材料为苯乙烯；或者所述第一结构的材料为苯乙烯，所述第二结构的材料为甲基丙烯酸甲酯。
可选地，当所述第一结构的材料为甲基丙烯酸甲酯时，去除所述第一结构的工艺步骤包括：采用紫外光照射所述第一结构，添加醋酸去除所述第一结构。
可选地，所述紫外光的功率为280W；所述醋酸中CH3COOH和H2O的体积比例为3∶7。
可选地，所述第一结构的宽度为10-20nm，所述第二结构的宽度为20-40nm。
可选地，所述鳍部的形成工艺为选择性外延沉积工艺。
可选地，所述选择性外延沉积工艺的参数包括：压力为0.1-0.3Torr，温度为1500-1800℃，流量为150-300sccm的SiH2Cl2，流量为20-50sccm的HCl，流量为10-20SLM的H2。
可选地，所述鳍部的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。
可选地，所述鳍部的高度为100-150nm。
可选地，所述氧化层的材料为氧化硅。
相应的，发明人还提供了一种鳍式场效应管的形成方法，包括：
提供包括第一区域和第二区域的第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底、且位于第一区域的氧化层，其中，所述第一区域用于形成第一鳍式场效应管，所述第二区域用于形成第二鳍式场效应管，所述第一半导体衬底的晶面指数与第一鳍式场效应管的类型相对应，所述第二半导体衬底的晶面指数与第二鳍式场效应管的类型相对应；
形成位于所述第二半导体衬底表面的掩膜层，所述掩膜层具有多个暴露出所述氧化层的第一开口和多个暴露出所述第二半导体衬底的第三开口；
沿所述第一开口刻蚀所述氧化层，直至暴露出第一半导体衬底；
沿所述第三开口刻蚀第二半导体衬底，直至暴露出第一半导体衬底，形成第二鳍部；
刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的第一鳍部，所述鳍部具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。
可选地，当所述第一鳍式场效应管为n沟道鳍式场效应管，所述第二鳍式场效应管为p沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(100)，所述第二半导体衬底的晶面指数为(110)。
可选地，当所述第一鳍式场效应管为p沟道鳍式场效应管，所述第二鳍式场效应管为n沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(110)，所述第二半导体衬底的晶面指数为(100)。
可选地，所述第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底的晶面指数相同，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底的晶面指数相同。
可选地，所述掩膜层的形成步骤包括：形成覆盖所述第二半导体衬底表面的掩膜薄膜；形成位于所述掩膜薄膜表面的光刻胶层，所述光刻胶层具有第四开口和多个第五开口，所述第四开口暴露出第一区域的掩膜薄膜，且位于所述氧化层的上方，所述第五开口暴露出第二区域的掩膜薄膜；以所述光刻胶层为掩膜刻蚀所述掩膜薄膜，形成暴露出所述氧化层的第六开口和多个暴露出所述第二半导体衬底的第三开口；向所述第六开口内填充自对准层；对所述自对准层进行退火处理，形成分别呈线性排列的第一结构和第二结构，且所述第一结构和第二结构相互交错排列；去除所述第一结构，形成多个第一开口。
可选地，所述自对准层的材料为苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯。
可选地，所述掩膜层的材料为氮化硅。
可选地，所述氧化层的材料为氧化硅。
相应的，发明人还提供了一种鳍式场效应管，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底表面的鳍部，所述鳍部的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应。
可选地，所述鳍部的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应包括：当待形成n沟道鳍式场效应管时，所述鳍部的晶面指数为(100)；当待形成p沟道鳍式场效应管时，鳍部的晶面指数为(110)。
可选地，所述鳍部的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。
可选地，还包括：于所述第一半导体衬底表面、且横跨所述鳍部的顶部和侧壁的栅介质层；覆盖所述栅介质层的栅电极层；位于所述栅电极层和栅介质层两侧的鳍部内的源/漏极。
相应的，发明人还提供了一种鳍式场效应管，包括：
第一半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一区域和第二区域，且所述第一半导体衬底具有第一晶面指数，所述第一晶面指数与第一区域待形成的鳍式场效应管的类型相对应；
第二半导体衬底，所述第二半导体衬底位于所述第一半导体衬底表面，且具有与所述第二区域待形成的鳍式场效应管的类型相对应的第二晶面指数，所述第二半导体衬底具有第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽暴露出第一区域的第一半导体衬底，所述第二沟槽暴露出第二区域的第一半导体衬底；
第一鳍部，所述第一鳍部位于所述第一沟槽内、且具有第一晶面指数，所述第一鳍部的顶部表面与所述第二半导体衬底表面齐平；
第二鳍部，所述第二鳍部位于所述第二沟槽内、且具有第二晶面指数，所述第二鳍部的顶部表面与所述第二半导体衬底表面齐平。
可选地，当所述第一区域用于形成n沟道鳍式场效应管，所述第二区域用于形成p沟道第二鳍式场效应管时，所述第一晶面指数为(100)，所述第二晶面指数为(110)。
可选地，当所述第一区域用于形成p沟道第二鳍式场效应管，所述第二区域用于形成n沟道鳍式场效应管时，第一晶面指数为(110)，第二晶面指数为(100)。
可选地，还包括：位于所述第一半导体衬底表面、且横跨所述第一鳍部的顶部和侧壁的第一栅极结构；位于所述第一栅极结构两侧的第一鳍部内的第一源/漏极；位于所述第一半导体衬底表面、且横跨所述第二鳍部的顶部和侧壁的第二栅极结构；位于所述第二栅极结构两侧的第二鳍部内的第二源/漏极。
可选地，所述第一鳍部的材料为Si、SiGe、SiC或SiP，所述第二鳍部的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
本发明的实施例中，选取的所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，所述鳍部以所述第一半导体衬底为生长基底形成，所述鳍部的晶面指数类型与所述第一半导体衬底的晶面指数相同，即所述鳍部的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，后续形成的鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率高，形成的鳍式场效应管的性能稳定。
进一步的，所述第一半导体衬底的晶面指数与第一鳍式场效应管的类型相对应，所述第二半导体衬底的晶面指数与第二鳍式场效应管的类型相对应，后续在第一区域，以所述第一半导体衬底为生长基底形成第一鳍部，在第二区域，刻蚀所述第二半导体衬底形成第二鳍部，所述第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底的晶面指数相同，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底的晶面指数相同，形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率高，形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的性能稳定，且形成工艺和工艺步骤简单。
本发明实施例的鳍式场效应管，所述鳍部的晶面指数类型与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，鳍式场效应管的结构简单，但其沟道区的载流子迁移率高，鳍式场效应管的性能稳定。
进一步的，所述第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底相同、且与所述第一鳍式场效应管的类型相对应，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底相同、且与所述第二鳍式场效应管的类型相对应，所述第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率高，性能稳定。
附图说明
图1是现有技术的鳍式场效应管的立体结构示意图；
图2是本发明第一实施例的鳍式场效应管的形成方法的流程示意图；
图3-图10是本发明第一实施例的鳍式场效应管的形成过程的剖面结构示意图；
图11是本发明第二实施例的鳍式场效应管的形成方法的流程示意图；
图12-图16是本发明第二实施例的鳍式场效应管的形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，随着工艺节点的进一步减小，现有技术形成的鳍式场效应管的性能不够稳定。
经过研究，发明人发现，影响鳍式场效应管性能的一个主要因素就是鳍式场效应管沟道区的载流子迁移率。当鳍式场效应管沟道区的载流子迁移率高时，鳍式场效应管的性能就会提高。
经过进一步研究，发明人发现，除了在鳍部表面形成应力衬垫层，通过应力衬垫层中材料的晶格常数与鳍部材料的晶格常数不同，向所述鳍部场效应管的沟道区引入拉应力或压应力，增大鳍式场效应管沟道区的载流子迁移率外，还可以根据待形成的鳍式场效应管的种类，选择具有不同晶面指数的鳍部，例如，想要形成N沟道鳍式场效应管，则在半导体衬底表面形成晶面指数为(100)的鳍部，然后形成位于所述半导体衬底上、且横跨所述鳍部的顶部和侧壁的栅极结构，最后以所述栅极结构为掩膜，对其两侧的鳍部进行掺杂形成源/漏极，最终形成的N沟道鳍式场效应管的载流子迁移率高，N沟道鳍式场效应管的性能好。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
第一实施例
请参考图2，本发明第一实施例的鳍式场效应管的形成方法，包括：
步骤S201，提供第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底的氧化层，所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应；
步骤S203，形成覆盖所述第二半导体衬底的掩膜层，所述掩膜层具有多个暴露出所述氧化层的第一开口；
步骤S205，沿所述第一开口刻蚀所述氧化层直至暴露出第一半导体衬底；
步骤S207，刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的鳍部，所述鳍部具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。
具体的，请参考图3-图10，图3-图10示出了本发明第一实施例的鳍式场效应管的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图3，提供第一半导体衬底300，位于所述第一半导体衬底300表面的第二半导体衬底301，贯穿所述第二半导体衬底301的氧化层303，所述第一半导体衬底300的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应。
所述第一半导体衬底300用于为后续工艺提供工作平台。所述第一半导体衬底300的材料为硅(Si)。所述第一半导体衬底300的晶面指数与后续形成的鳍式场效应管的鳍部的晶面指数有关，而所述鳍部的晶面指数决定了鳍式场效应管的沟道区内载流子迁移率大小。因此，所述第一半导体衬底300的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，即当形成n沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底300的晶面指数为(100)；当形成p沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底300的晶面指数为(110)。本发明的实施例中，待形成n沟道鳍式场效应管，所述第一半导体衬底300的晶面指数为(100)。
所述第二半导体衬底301用于后续作为掩膜，形成鳍式场效应管的鳍部。所述第二半导体衬底301的材料为硅(Si)。由于所述第二半导体衬底301在此实施例中并不用于形成鳍部，所述第二半导体衬底301的晶面指数没有特殊要求，所述第二半导体衬底301的晶面指数可以为(100)，也可以为(110)。在本发明的实施例中，所述第二半导体衬底301的晶面指数为(110)。
所述氧化层303在后续被刻蚀，并作为后续形成鳍式场效应管的鳍部的掩膜。所述氧化层303的材料为氧化硅。所述氧化层303贯穿第二半导体衬底301。
在本发明的第一实施例中，所述氧化层303的形成步骤包括：以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第二半导体衬底301，直至暴露出第一半导体衬底300表面，形成沟槽(未图示)；向所述沟槽内填充满氧化薄膜，平坦化所述氧化薄膜，形成贯穿所述第二半导体衬底301、并与所述第二半导体衬底301表面齐平的氧化层303。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述氧化层303的形成步骤还可以包括：对所述第二半导体衬底301进行氧化处理形成贯穿所述第二半导体衬底301的氧化层303。
请参考图4，形成覆盖所述第二半导体衬底301的掩膜薄膜305，所述掩膜薄膜305具有暴露出氧化层303的第二开口307。
所述掩膜薄膜305用于后续形成掩膜层，所述掩膜薄膜305的材料为氮化硅(SiN)。所述掩膜薄膜305的形成步骤包括：采用沉积工艺形成覆盖所述第二半导体衬底301的初始掩膜薄膜(未示出)；形成位于所述初始掩膜薄膜表面的图形化的光刻胶层，所述光刻胶层暴露出部分初始掩膜薄膜；以所述光刻胶层为掩膜，刻蚀所述部分初始掩膜薄膜，直至暴露出第二半导体衬底301，形成第二开口307。
所述第二开口307用作作为后续刻蚀氧化层303的窗口。为使后续能够刻蚀较多的氧化层303，所述第二开口307的宽度小于等于氧化层303的宽度，在本发明的实施例中，所述第二开口307的宽度小于所述氧化层303的宽度。
请参考图5，向所述第二开口内填充自对准层309。
所述自对准层309用于后续作为掩膜刻蚀所述氧化层303，最终形成鳍部。本发明实施例的发明人经过研究发现，若采用图形化的光刻胶，双图形化等方法形成多栅器件的鳍部，其制造成本高，不利于降低生产成本。
经过进一步研究，发明人发现有的共聚物在特定工艺条件下，会进行重新排列组合(directedself-assembly)，形成交错排列的结构。例如，共聚物苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯(PS-b-PMMA)，在退火条件下，苯乙烯(PS)材料和甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料会分别呈线性排列，且相互交错排列。发明人发现将此种类型的共聚物应用到多栅器件的形成方法中，可以形成小的特征尺寸的多栅器件的鳍部，并且制造成本低。
在本发明的实施例中，所述自对准层309的材料选用的是共聚物苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯，用于后续形成交错排列的第一结构和第二结构，以利于后续形成鳍部。
请参考图6，对所述自对准层进行退火处理，形成分别呈线性排列的第一结构311和第二结构313，且所述第一结构311和第二结构313相互交错排列。
所述退火处理的温度为80-150℃。所述退火处理后形成的第一结构311和第二结构313的宽度受苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯分子结构的影响略有不同。其中，所述第一结构311的宽度为10-20nm，所述第二结构313的宽度为20-40nm。
在本发明的实施例中，所述第一结构311的材料为甲基丙烯酸甲酯，所述第二结构313的材料为苯乙烯。所述第一结构311的宽度为10nm，所述第二结构313的宽度为20nm。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述第一结构311的材料也可以为苯乙烯，所述第二结构313的材料为甲基丙烯酸甲酯。
请参考图7，去除所述第一结构，形成具有多个第一开口315的掩膜层。
发明人经过研究后发现，将所述退火处理后的苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯放在紫外光源下的照射，然后用醋酸可以去除其中的甲基丙烯酸甲酯材料，而不会对苯乙烯材料及其排布造成影响。
因此，在本发明的实施例中，可以采用上述方法去除所述第一结构。具体步骤为：将所述退火处理后的自对准层置于功率为250-300W的紫外光下照射，然后添加醋酸去除所述第一结构，形成具有多个第一开口315的掩膜层(未标示)。其中，当功率为280W的紫外光，所述醋酸中CH3COOH和H2O的体积比例为3∶7时，去除所述第一结构315的效果最好。
需要说明的是，由于所述第一开口315为去除第一结构后所得，所述第一开口315的宽度与所述第一结构的宽度相同，所述第一开口315的宽度为10-20nm。在本发明的实施例中，所述第一开口315的宽度为10nm。
请参考图8，沿所述第一开口315刻蚀所述氧化层303直至暴露出第一半导体衬底300。
沿所述第一开口315刻蚀所述氧化层303，用于后续形成鳍部。刻蚀所述氧化层303的方法为干法刻蚀，由于采用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层303的工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
请参考图9，刻蚀所述氧化层303后，形成位于所述第一半导体衬底300表面的鳍部317，所述鳍部317具有与所述第一半导体衬底300相同的晶面指数。
所述鳍部317用于后续形成鳍式场效应管，并作为其沟道区。所述鳍部317的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。所述鳍部317的形成工艺为选择性外延沉积工艺。由于所述鳍部317以所述第一半导体衬底300为生长基底形成，所以只要控制合适的工艺参数，所述鳍部317的晶面指数与所述第一半导体衬底300的晶面指数相同。
在本发明的实施例中，所述鳍部317的材料为硅(Si)。所述选择性外延沉积工艺的参数包括：压力为0.1-0.3Torr，温度为1500-1800℃，流量为150-300sccm的SiH2Cl2，流量为20-50sccm的HCl，流量为10-20SLM的H2。形成的鳍式场效应管的鳍部317质量好，且晶面指数与第一半导体衬底300的晶面指数相同，为(100)，后续形成的n沟道鳍式场效应管的沟道区的载流子迁移率大，形成的n沟道鳍式场效应管的性能好。
需要说明的是，请参考图10，在本发明的实施例中，还包括：去除所述掩膜薄膜、第二结构、以及氧化层，暴露出鳍部317的顶部和侧壁。所述去除所述掩膜薄膜、第二结构、以及氧化层采用刻蚀工艺，由于所述刻蚀工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明的实施例中，暴露出鳍部317的顶部和侧壁后，还包括：形成位于所述第一半导体衬底300表面、且横跨所述鳍部317的顶部和侧壁的栅极结构(未图示)；向所述栅极结构两侧的鳍部317内掺杂形成源/漏极。
上述步骤完成之后，本发明实施例的鳍式场效应管的制作完成。所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，以所述第一半导体衬底为生长基底形成鳍部时，所述鳍部的晶面指数与第一半导体衬底的晶面指数相同，后续形成的鳍部的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，形成的鳍式场效应管的沟道区的载流子迁移率大，鳍式场效应管的性能好。
请继续参考图10，本发明的实施例中，还提供了一种鳍式场效应管，包括：
第一半导体衬底300；
位于所述第一半导体衬底300表面的鳍部317，所述鳍部317的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应。
其中，所述第一半导体衬底300用于后续作为形成鳍部317的生长基底，所述第一半导体衬底300的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应。
所述第一半导体衬底300的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应包括：当待形成n沟道鳍式场效应管时，采用晶面指数为(100)的第一半导体衬底300，形成的鳍部317的晶面指数为(100)；当待形成p沟道鳍式场效应管时，采用晶面指数为(110)的第一半导体衬底300，形成的鳍部317的晶面指数为(110)。
所述鳍部317的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。在本发明的实施例中，所述鳍部317的材料为硅(Si)。
本发明实施例的鳍式场效应管，还包括：位于所述第一半导体衬底300表面的第二半导体衬底301，所述第二半导体衬底301内具有暴露出第一半导体衬底300的沟槽(未标示)，所述鳍部317形成于所述沟槽内，且所述鳍部317的顶部表面与所述第二半导体衬底301表面齐平。
需要说明的是，在上述结构的基础上，所述鳍式场效应管还包括：位于所述第一半导体衬底300表面、且横跨所述鳍部317的顶部和侧壁的栅介质层(未图示)；覆盖所述栅介质层的栅电极层(未图示)；位于所述栅电极层和栅介质层两侧的鳍部317内的源/漏极。
其中，所述栅介质层为氧化物或高K介质，所述栅电极层的材料为多晶硅或金属等导电材料，所述源/漏极采用掺杂工艺形成，在此不再赘述。
本发明第一实施例中，鳍部的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，形成的鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率更高，形成的鳍式场效应管不仅结构简单，而且性能好。
第二实施例
与本发明的第一实施例不同，在本发明的第二实施例中，采用较少的工艺步骤在半导体衬底的第一区域和第二区域形成CMOS鳍式场效应管。
请参考图11，本发明第二实施例的鳍式场效应管的形成方法，包括：
步骤S401，提供包括第一区域和第二区域的第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底、且位于第一区域的氧化层，其中，所述第一区域用于形成第一鳍式场效应管，所述第二区域用于形成第二鳍式场效应管，所述第一半导体衬底的晶面指数与第一鳍式场效应管相对应，所述第二半导体衬底的晶面指数与第二鳍式场效应管相对应；
步骤S403，形成位于所述第二半导体衬底表面的掩膜层，所述掩膜层具有多个暴露出所述氧化层的第一开口和多个暴露出所述第二半导体衬底的第三开口；
步骤S405，沿所述第一开口刻蚀所述氧化层，直至暴露出第一半导体衬底；沿所述第三开口刻蚀第二半导体衬底，直至暴露出第一半导体衬底，形成第二鳍部；
步骤S407，刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的第一鳍部，所述第一鳍部具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。
具体的，请参考图12-图16，图12-图16示出了本发明第二实施例的鳍式场效应管的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图12，提供包括第一区域I和第二区域II的第一半导体衬底400，位于所述第一半导体衬底400表面的第二半导体衬底401，贯穿所述第二半导体衬底401、且位于第一区域I的氧化层403，其中，所述第一区域I用于形成第一鳍式场效应管，所述第二区域II用于形成第二鳍式场效应管，所述第一半导体衬底400的晶面指数与第一鳍式场效应管相对应，所述第二半导体衬底401的晶面指数与第二鳍式场效应管相对应。
经过研究，发明人发现，当采用晶面指数为(100)的鳍部形成N沟道鳍式场效应管时，所述N沟道鳍式场效应管沟道区的载流子迁移率大，所述N沟道鳍式场效应管的性能好；当采用晶面指数为(110)的鳍部形成P沟道鳍式场效应管时，所述P沟道鳍式场效应管沟道区的载流子迁移率大，所述P沟道鳍式场效应管的性能好。
所述第一半导体衬底400用于为后续工艺提供工作平台。所述第一半导体衬底400的材料为硅(Si)。所述第一半导体衬底400在后续会作为形成第一鳍式场效应管的鳍部的生长基底，考虑到第一鳍式场效应管的第一鳍部的晶面指数会影响到第一鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率，会影响到所述第一鳍式场效应管的性能，而所述第一鳍式场效应管的第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底400的晶面指数相同。因此，所述第一半导体衬底400的晶面指数与后续形成的第一鳍式场效应管的类型相关。
所述第二半导体衬底401与所述第一半导体衬底400相键合(bonding)，用于后续形成第二鳍式场效应管。所述第二半导体衬底401的材料为硅(Si)。与第一半导体衬底300略有不同，所述第二半导体衬底401后续被刻蚀形成第二鳍式场效应管的第二鳍部，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底401的晶面指数相同。因此，所述第二半导体衬底401的晶面指数与后续形成的第一鳍式场效应管的类型相关。
在本发明的第二实施例中，所述第一鳍式场效应管为N沟道鳍式场效应管，所述第二鳍式场效应管为P沟道鳍式场效应管，所述第一半导体衬底400的晶面指数为(100)，所述第二半导体衬底401的晶面指数为(110)。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，当所述第一鳍式场效应管为P沟道鳍式场效应管，所述第二鳍式场效应管为N沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底400的晶面指数为(110)，所述第二半导体衬底401的晶面指数为(100)。
所述氧化层403贯穿第二半导体衬底401，在后续被刻蚀，并作为后续形成第一鳍式场效应管的第一鳍部的掩膜。所述氧化层403的材料为氧化硅。所述氧化层403的形成工艺为沉积工艺和刻蚀工艺，或者为氧化工艺，具体请参考本发明第一实施例中的相关描述。
请参考图13，形成位于所述第二半导体衬底401表面的掩膜层405，所述掩膜层405具有多个暴露出所述氧化层403的第一开口407和多个暴露出所述第二半导体衬底401的第三开口409。
所述掩膜层405用于作为掩膜，刻蚀所述第二半导体衬底401和氧化层403。所述掩膜层405的材料为氮化硅(SiN)。在本发明的实施例中，所述掩膜层405的形成步骤包括：形成覆盖所述第二半导体衬底表面的掩膜薄膜(未标示)；形成位于所述掩膜薄膜表面的光刻胶层(未图示)，所述光刻胶层具有第四开口(未图示)和多个第五开口(未图示)，所述第四开口暴露出第一区域I的掩膜薄膜，且位于所述氧化层403的上方，所述第五开口暴露出第二区域II的掩膜薄膜；以所述光刻胶层为掩膜刻蚀所述掩膜薄膜，形成暴露出所述氧化层403的第六开口(未标示)和多个暴露出所述第二半导体衬底401的第三开口409；向所述第六开口内填充自对准层(未图示)；对所述自对准层进行退火处理，形成分别呈线性排列的第一结构(未图示)和第二结构408，且所述第一结构和第二结构408相互交错排列；去除所述第一结构，形成多个第一开口407。
所述自对准层的材料为苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯，所述自对准层的形成方法、后续对所述自对准层进行退火处理的方法、以及去除所述第一结构的方法及相关描述请参考本发明第一实施例的相关描述，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述掩膜层中第一开口407和第三开口409的形成方法还可以：直接刻蚀所述掩膜薄膜形成；或者利用自对准层在退火处理后形成的特殊结构(呈线性排列的第一结构和第二结构，且所述第一结构和第二结构相互交错排列)形成，在此不再赘述。
请参考图14，沿所述第一开口407刻蚀所述氧化层403，直至暴露出第一半导体衬底400；沿所述第三开口409刻蚀第二半导体衬底401，直至暴露出第一半导体衬底400，形成第二鳍部411。
沿所述第一开口407刻蚀所述氧化层403，用于后续形成第一鳍部。刻蚀所述氧化层403的方法为干法刻蚀，由于采用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层403的工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
沿所述第三开口409刻蚀第二半导体衬底401，用于形成第二鳍部411。刻蚀所述第二半导体衬底401的方法为干法刻蚀，在本发明的实施例中，所述干法刻蚀工艺的参数范围为：刻蚀功率为550-650W，刻蚀腔室的压强为2-10毫托(mTorr)，刻蚀气体为SF6、CH2F2，保护气体为N2或He。
所述第二鳍部411位于所述第二区域II，用于形成第二鳍式场效应管。所述第二鳍部411的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。由于所述第二鳍部411由刻蚀第二半导体衬底401后得到，所述第二鳍部411的晶面指数与所述第二半导体衬底401的晶面指数相同。在本发明的实施例中，所述第二鳍部411的材料为Si，所述第二鳍部411的晶面指数为(110)。
请参考图15，刻蚀所述氧化层403后，形成位于所述第一半导体衬底400表面的第一鳍部413，所述第一鳍部413具有与所述第一半导体衬底400相同的晶面指数。
所述第一鳍部413位于第一区域I，用于形成第一鳍式场效应管。所述第一鳍部413的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。所述第一鳍部413的形成工艺为选择性外延沉积工艺。由于所述第一鳍部413以所述第一半导体衬底400为生长基底形成，所以只要控制合适的工艺参数，所述第一鳍部413的晶面指数与所述第一半导体衬底300的晶面指数相同。
在本发明的实施例中，所述选择性外延沉积工艺的参数包括：压力为0.1-0.3Torr，温度为1500-1800℃，流量为150-300sccm的SiH2Cl2，流量为20-50sccm的HCl，流量为10-20SLM的H2。形成的第一鳍式场效应管的第一鳍部413质量好，且晶面指数与第一半导体衬底400的晶面指数相同，为(100)，后续形成的n沟道鳍式场效应管的沟道区的载流子迁移率大，形成的n沟道鳍式场效应管的性能好。
需要说明的是，在本发明的第二实施例中，请参考图16，还包括：去除所述掩膜层和氧化层，暴露出所述第一鳍部413的顶部和侧壁，并暴露出第二鳍部411的顶部和侧壁。
去除所述掩膜层和氧化层的工艺为刻蚀工艺，例如湿法刻蚀或干法刻蚀，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明的第二实施例中，在去除所述掩膜层和氧化层后，还包括：形成位于所述第一半导体衬底400表面、且横跨所述第一鳍部413的顶部和侧壁的第一栅极结构；以所述第一栅极结构为掩膜，向其两侧的第一鳍部413掺杂形成第一源/漏极；形成位于所述第一半导体衬底400表面、且横跨所述第二鳍部411的顶部和侧壁的第二栅极结构；以所述第二栅极结构为掩膜，向所述第二栅极结构两侧的第二鳍部411掺杂形成第二源/漏极。
更多关于第一栅极结构、第一源/漏极、第二栅极结构、第二源/漏极的形成工艺和方法请参考本发明的第一实施例中相关描述，在此不再赘述。
上述步骤完成之后，鳍式场效应管的制作完成。
根据待形成的第一鳍式场效应管的类型，确定所述第一半导体衬底的晶面指数，根据待形成的第二鳍式场效应管的类型，确定所述第二半导体衬底的晶面指数，并且以所述第一半导体衬底为生长基底形成第一鳍式场效应管的第一鳍部，刻蚀所述第二半导体衬底形成第二鳍式场效应管的第二鳍部，后续形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的沟道区的载流子迁移率高，形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的性能好，并且形成工艺简单。
进一步的，形成CMOS鳍式场效应管时，在形成n沟道鳍式场效应管的第一区域形成晶面指数为(100)的第一鳍部，在形成p沟道鳍式场效应管的第二区域形成晶面指数为(110)的第二鳍部，后续形成的CMOS鳍式场效应管的n沟道和p沟道的载流子迁移率高，形成的CMOS鳍式场效应管的性能好。
请继续参考图16，本发明第二实施例形成的CMOS鳍式场效应管，包括：
第一半导体衬底400，所述第一半导体衬底400包括第一区域I和第二区域II，且所述第一半导体衬底400具有第一晶面指数，所述第一晶面指数与第一区域I待形成的鳍式场效应管的类型相对应；
第二半导体衬底401，所述第二半导体衬底401位于所述第一半导体衬底400表面，且具有与所述第二区域II待形成的鳍式场效应管的类型相对应的第二晶面指数，所述第二半导体衬底401具有第一沟槽(未标示)和第二沟槽(未标示)，所述第一沟槽暴露出第一区域I的第一半导体衬底400，所述第二沟槽暴露出第二区域II的第一半导体衬底；
第一鳍部413，所述第一鳍部413位于所述第一沟槽内、且具有第一晶面指数，所述第一鳍部413的顶部表面与所述第二半导体衬底401表面齐平；
第二鳍部411，所述第二鳍部411位于所述第二沟槽内、且具有第二晶面指数，所述第二鳍部413的顶部表面与所述第二半导体衬底401表面齐平。
在本发明的实施例中，所述第一区域I用于形成n沟道鳍式场效应管，所述第二区域II用于形成p沟道第二鳍式场效应管，所述第一晶面指数为(100)，所述第二晶面指数为(110)，即所述第一半导体衬底400和第一鳍部413的晶面指数为(100)，所述第二半导体衬底401和所述第二鳍部411的晶面指数为(110)。
所述第一鳍部413的材料为Si、SiGe、SiC或SiP，所述第二鳍部411的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。具体所述第一鳍部413和第二鳍部411材料的选择根据待形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的类型确定。在本发明的实施例中，所述第一鳍部413和第二鳍部411的材料均为硅(Si)。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以为：所述第一区域I用于形成p沟道第二鳍式场效应管，所述第二区域II用于形成n沟道鳍式场效应管，则第一晶面指数为(110)，第二晶面指数为(100)，所述第一半导体衬底400和所述第一鳍部413的晶面指数为(110)，所述第二半导体衬底401和所述第二鳍部411的晶面指数为(100)。
需要说明的是，所述鳍式场效应管还包括：位于所述第一半导体衬底400表面、且横跨所述第一鳍部413的顶部和侧壁的第一栅极结构(未图示)；位于所述第一栅极结构两侧的第一鳍部413内的第一源/漏极(未图示)；位于所述第一半导体衬底400表面、且横跨所述第二鳍部411的顶部和侧壁的第二栅极结构(未图示)；位于所述第二栅极结构两侧的第二鳍部411内的第二源/漏极(未图示)。
所述第一栅极结构包括：位于所述第一半导体衬底400表面、且横跨所述第一鳍部413的顶部和侧壁的第一栅介质层(未图示)；覆盖所述第一栅介质层的第一栅电极层(未图示)。所述第二栅极结构包括：位于所述第一半导体衬底表面400、且横跨所述第二鳍部411的顶部和侧壁的第二栅介质层(未图示)；覆盖所述第二栅介质层的第二栅电极层(未图示)。其中，所述第一栅介质层的材料为氧化物或高K介质；所述第一栅电极层的材料为多晶硅或金属等导电材料；所述第二栅介质层的材料为氧化物或高K介质；所述第二栅电极层的材料为多晶硅或金属等导电材料。
本发明第二实施例中，各个区域的鳍部均与对应区域待形成的鳍式场效应管的类型相对应，各个区域后续形成的鳍式场效应管沟道区的载流子迁移率高，鳍式场效应管的性能好。
综上，本发明的实施例中，选取的所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，所述鳍部以所述第一半导体衬底为生长基底形成，所述鳍部的晶面指数类型与所述第一半导体衬底的晶面指数相同，即所述鳍部的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，后续形成的鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率高，形成的鳍式场效应管的性能稳定。
进一步的，所述第一半导体衬底的晶面指数与第一鳍式场效应管的类型相对应，所述第二半导体衬底的晶面指数与第二鳍式场效应管的类型相对应，后续在第一区域，以所述第一半导体衬底为生长基底形成第一鳍部，在第二区域，刻蚀所述第二半导体衬底形成第二鳍部，所述第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底的晶面指数相同，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底的晶面指数相同，形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率高，形成的第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的性能稳定，且形成工艺和工艺步骤简单。
本发明实施例的鳍式场效应管，所述鳍部的晶面指数类型与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，鳍式场效应管的结构简单，但其沟道区的载流子迁移率高，鳍式场效应管的性能稳定。
进一步的，所述第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底相同、且与所述第一鳍式场效应管的类型相对应，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底相同、且与所述第二鳍式场效应管的类型相对应，所述第一鳍式场效应管和第二鳍式场效应管的沟道区载流子迁移率高，性能稳定。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (21)
1.一种鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，包括：
提供第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底的氧化层，所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应；
形成覆盖所述第二半导体衬底的掩膜薄膜，所述掩膜薄膜具有暴露出氧化层的第二开口；向所述第二开口内填充自对准层；对所述自对准层进行退火处理，形成分别呈线性排列的第一结构和第二结构，且所述第一结构和第二结构相互交错排列；去除所述第一结构，形成具有多个第一开口的掩膜层，其中，所述第一开口暴露出所述氧化层；
沿所述第一开口刻蚀所述氧化层直至暴露出第一半导体衬底；
刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的鳍部，所述鳍部的宽度与氧化层的第一开口的宽度相同，且具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。
2.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述第一半导体衬底的晶面指数与待形成的鳍式场效应管的类型相对应，包括：当形成N沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(100)；当形成P沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(110)。
3.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述掩膜薄膜的材料为氮化硅。
4.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述自对准层的材料为苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯。
5.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述第一结构的材料为甲基丙烯酸甲酯，所述第二结构的材料为苯乙烯；或者所述第一结构的材料为苯乙烯，所述第二结构的材料为甲基丙烯酸甲酯。
6.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，当所述第一结构的材料为甲基丙烯酸甲酯时，去除所述第一结构的工艺步骤包括：采用紫外光照射所述第一结构，添加醋酸去除所述第一结构。
7.如权利要求6所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述紫外光的功率为280W；所述醋酸中CH3COOH和H2O的体积比例为3：7。
8.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述第一结构的宽度为10-20nm，所述第二结构的宽度为20-40nm。
9.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述鳍部的形成工艺为选择性外延沉积工艺。
10.如权利要求9所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述选择性外延沉积工艺的参数包括：压力为0.1-0.3Torr，温度为1500-1800℃，流量为150-300sccm的SiH2Cl2，流量为20-50sccm的HCl，流量为10-20SLM的H2。
11.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述鳍部的材料为Si、SiGe、SiC或SiP。
12.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述鳍部的高度为100-150nm。
13.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述氧化层的材料为氧化硅。
14.一种鳍式场效应管的形成方法，包括：
提供包括第一区域和第二区域的第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底表面的第二半导体衬底，贯穿所述第二半导体衬底、且位于第一区域的氧化层，其中，所述第一区域用于形成第一鳍式场效应管，所述第二区域用于形成第二鳍式场效应管，所述第一半导体衬底的晶面指数与第一鳍式场效应管的类型相对应，所述第二半导体衬底的晶面指数与第二鳍式场效应管的类型相对应；
形成位于所述第二半导体衬底表面的掩膜层，所述掩膜层具有多个暴露出所述氧化层的第一开口和多个暴露出所述第二半导体衬底的第三开口；
沿所述第一开口刻蚀所述氧化层，直至暴露出第一半导体衬底；
沿所述第三开口刻蚀第二半导体衬底，直至暴露出第一半导体衬底，形成第二鳍部；
刻蚀所述氧化层后，形成位于所述第一半导体衬底表面的第一鳍部，所述鳍部的宽度与氧化层的第一开口的宽度相同，且具有与所述第一半导体衬底相同的晶面指数。
15.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，当所述第一鳍式场效应管为n沟道鳍式场效应管，所述第二鳍式场效应管为p沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(100)，所述第二半导体衬底的晶面指数为(110)。
16.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，当所述第一鳍式场效应管为p沟道鳍式场效应管，所述第二鳍式场效应管为n沟道鳍式场效应管时，所述第一半导体衬底的晶面指数为(110)，所述第二半导体衬底的晶面指数为(100)。
17.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述第一鳍部的晶面指数与所述第一半导体衬底的晶面指数相同，所述第二鳍部的晶面指数与所述第二半导体衬底的晶面指数相同。
18.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述掩膜层的形成步骤包括：形成覆盖所述第二半导体衬底表面的掩膜薄膜；形成位于所述掩膜薄膜表面的光刻胶层，所述光刻胶层具有第四开口和多个第五开口，所述第四开口暴露出第一区域的掩膜薄膜，且位于所述氧化层的上方，所述第五开口暴露出第二区域的掩膜薄膜；以所述光刻胶层为掩膜刻蚀所述掩膜薄膜，形成暴露出所述氧化层的第六开口和多个暴露出所述第二半导体衬底的第三开口；向所述第六开口内填充自对准层；对所述自对准层进行退火处理，形成分别呈线性排列的第一结构和第二结构，且所述第一结构和第二结构相互交错排列；去除所述第一结构，形成多个第一开口。
19.如权利要求18所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述自对准层的材料为苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯。
20.如权利要求18所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述掩膜薄膜的材料为氮化硅。
21.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述氧化层的材料为氧化硅。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |