CN103426757A - Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有介质层以及在所述介质层上的鳍部；形成覆盖所述鳍部上表面及侧壁的掩膜层，且所述掩膜层暴露所述鳍部的部分侧壁；以及以所述掩膜层为掩膜，去除部分所述鳍部，在所述鳍部的侧壁形成凹陷部分。形成的Ω形鳍部具有凹陷部分，与栅极结构的接触面积更大，从而增大了驱动电流，改善了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法。
背景技术
鳍式场效应晶体管（Fin FET）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，鳍式场效应晶体管包括：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，横跨在所述鳍部14上，覆盖所述鳍部14的顶部和侧壁，栅极结构包括栅介质层（图中未示出）和位于栅介质层上的栅电极12。图2示出了如图1所示的Fin FET的剖面结构示意图，该剖面垂直于鳍部的延伸方向。对于Fin FET，鳍部的顶部以及沿鳍部延伸方向的两侧壁及与栅极结构相接触的部分都成为沟道区，即具有多个栅，有利于增强对驱动电流的控制，改善器件性能。
更多关于Fin FET的结构及形成方法请参考专利号为US7868308B2的美国专利。
对鳍式场效应晶体管的驱动电流的控制能力与其栅极结构和鳍部的接触面积有关，接触面积越大，对鳍式场效应晶体管的驱动电流的控制能力越强。如图3所示，若所述鳍部14的侧壁上具有凹陷部分141，形成类似“Ω”形状的结构，即可增大鳍部14与所述栅极结构12的接触面积。因此，需要提供一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，使其鳍部的侧壁上具有凹陷部分，从而增大对驱动电流的控制，改善器件性能。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，使其最终形成的鳍部的侧壁上具有凹陷部分，与栅极结构的接触面积更大，从而增强对驱动电流的控制能力，改善器件性能。
为解决上述问题，本发明的实施例提供一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有介质层以及在所述介质层上的鳍部；形成覆盖所述鳍部上表面及侧壁的掩膜层，且所述掩膜层暴露所述鳍部的部分侧壁；以及以所述掩膜层为掩膜，去除部分所述鳍部，在所述鳍部的侧壁形成凹陷部分。
可选地，形成所述掩膜层的步骤包括：在所述介质层上形成阻挡层，所述阻挡层与所述鳍部的侧壁接触，且厚度小于所述鳍部的高度；在所述鳍部的上表面及未被所述阻挡层覆盖的侧壁上形成掩膜层；以及去除所述阻挡层。
可选地，形成与所述鳍部的侧壁接触且厚度小于所述鳍部高度的阻挡层的方法包括：沉积阻挡层的材料，形成覆盖所述介质层以及所述鳍部的阻挡层；对所述阻挡层进行化学机械研磨，使阻挡层的上表面与所述鳍部的上表面齐平；以及进行回刻蚀工艺，形成与所述鳍部的侧壁接触且厚度小于所述鳍部高度的阻挡层。
可选地，所述阻挡层的材料为氮化硅。
可选地，利用热氧化法在所述鳍部的上表面及未被所述阻挡层覆盖的侧壁上形成掩膜层。
可选地，所述热氧化法采用快速热氧化工艺或高温炉管氧化工艺。
可选地，利用各向同性刻蚀工艺去除部分所述鳍部，形成所述凹陷部分。
可选地，所述各向同性刻蚀工艺包括：主刻蚀气体为HBr和O2，腔室内的压力范围是10托至100托，电场能量范围是100W至800W，偏压范围是100V至300V，刻蚀时间范围是2秒至1小时。
可选地，利用各向异性刻蚀工艺形成所述凹陷部分。
可选地，所述各向异性刻蚀刻蚀工艺利用质量百分数为1%至80%的四甲基氢氧化铵溶液作为刻蚀剂。
可选地，所述凹陷部分的高度是所述鳍部的高度的5%至85%，所述凹陷部分的宽度是所述鳍部的宽度的5%至45%。
可选地，所述介质层的材料与所述掩膜层的材料相同。
可选地，具有鳍部和介质层的半导体衬底的形成工艺具体包括：提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括底部硅层，在所述底部硅层上的绝缘层以及在所述绝缘层上的顶部硅层；以及利用光刻、刻蚀工艺图形化所述顶部硅层，形成鳍部，所述底部硅层作为所述半导体衬底，所述绝缘层作为所述介质层。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
首先，本发明的实施例提供了一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，使其最终形成的鳍部具有凹陷部分，与栅极结构的接触面积更大，从而增强了对驱动电流的控制能力，改善了器件性能。进一步地，本发明的一个实施例中，先形成与鳍部侧壁接触的阻挡层，然后通过热氧化法氧化鳍部的上表面以及未被所述阻挡层覆盖的侧壁，之后，去除阻挡层，形成暴露部分所述侧壁的掩膜层。通过上述方法形成所述掩膜层，能够通过改变所述阻挡层的厚度控制暴露的部分侧壁的尺寸，从而较为方便地控制凹陷部分的尺寸。而且，凹陷部分形成在鳍部侧壁的底部，能够使栅极结构伸入鳍部的底部，改善短沟道效应。而且，通过热氧化法形成所述掩膜层，工艺简单，可操作性强。
进一步地，通过各向同性刻蚀工艺形成凹陷部分，使所述凹陷部分具有弧形的轮廓，不仅增大了鳍部与栅极结构的接触面积，还避免了Ω形鳍部的侧壁与介质层的上表面之间构成直角，即减少了应力集中现象，降低了裂缝产生的可能性，进一步改善器件的性能。
附图说明
图1是现有技术的一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图；
图2是如图1所示的鳍式场效应晶体管的剖面结构示意图；
图3是现有技术的又一种鳍式场效应晶体管的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法的流程示意图；
图5至图12是本发明实施例的Ω形鳍式场效应晶体管形成过程的中间结构剖面示意图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，使其鳍部的侧壁上具有凹陷部分，从而增大驱动电流，改善器件性能。
为了使本发明更清楚，易懂，在详细介绍本发明中形成Ω形鳍式场效应晶体管的方法之前，首先介绍什么是Ω形鳍式场效应晶体管。参考图3，Ω形鳍式场效应晶体管是指：在鳍式场效应晶体管的鳍部的侧壁上具有凹陷部分，且凹陷部分靠近鳍部的底部。具有凹陷部分的鳍部在形状上与Ω类似，可以称为Ω形鳍部（Ω-Fin FET），具有Ω形鳍部的场效应晶体管称为Ω形鳍式场效应晶体管。
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实施例进行详细的说明。下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，附图中的剖面示意图均采用与鳍部的延伸方向垂直的剖面。而且，为了便于表示，附图中的结构的尺寸并不依实际比例示出。
图4是本发明一个实施例的鳍式场效应晶体管的形成方法的流程示意图，该方法包括：
S201，提供半导体衬底；
S203，在所述半导体衬底上形成介质层；
S205，在所述介质层上形成鳍部；
S207，形成覆盖所述鳍部上表面及侧壁的掩膜层，且所述掩膜层暴露所述鳍部的部分侧壁；以及
S209，以所述掩膜层为掩膜，去除部分所述鳍部，在所述鳍部的侧壁形成凹陷部分。
下面结合剖面结构示意图图5～12对本发明实施例的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法做进一步的详细说明。
结合参考图4和图5，执行步骤S201，提供半导体衬底200。
所述半导体衬底200可以是硅衬底或绝缘体上硅衬底等。
下面将以所述半导体衬底200为普通的硅衬底为例进行说明。
结合参考图4和图6，执行步骤S203，在所述半导体衬底200上形成介质层210。
所述介质层210覆盖所述半导体衬底200，保护其在刻蚀工艺中不受影响。
在本发明的一个具体实施例中，所述介质层210的材料是氧化硅或氮化硅。
结合参考图4和图7，执行步骤S205，在所述介质层210上形成鳍部220。
形成所述鳍部220的步骤包括：在所述介质层210上形成硅材料层；以及利用光刻、刻蚀工艺图形化所述硅材料层，剩余的硅材料层即所述鳍部220。
在本发明的又一实施例中，也可以提供绝缘体上硅衬底。由于绝缘体上硅衬底包括底部硅层，在所述底部硅层上的绝缘层以及在所述绝缘层上的顶部硅层，直接对所述顶部硅层进行图形化，剩余的顶部硅层即所述鳍部，所述底部硅层即所述半导体衬底，所述绝缘层即所述介质层。由此，可以节省工艺步骤。
结合参考图4和图10，执行步骤S207，形成覆盖所述鳍部220上表面及侧壁的掩膜层240，且所述掩膜层240暴露所述鳍部220的部分侧壁。
需要说明的是，本发明的实施例所述的鳍部的侧壁是指平行于鳍部延伸方向的两侧侧壁，暴露部分侧壁是指该两侧侧壁均有部分被暴露。
所述掩膜层240暴露所述鳍部220的部分侧壁，为后续去除部分鳍部，从而为形成侧壁具有凹陷部分的具有Ω形状的鳍部提供了开口250。所述开口250的位置和尺寸决定了凹陷部分的位置和尺寸。
所述开口250可以在所述鳍部220的侧壁上的任意位置，即，只要能够在后续形成的鳍部的侧壁上形成凹陷部分，就可以增大该鳍部与栅极结构的接触面积，增大驱动电流。
在所述鳍部的侧壁上形成开口可以通过以下步骤实现，例如，先形成覆盖所述鳍部220的上表面及全部侧壁的掩膜层，然后利用光刻、刻蚀工艺在该掩膜层上形成开口。然而，上述步骤涉及的光刻工艺需要从侧向定义开口，精确度难以控制，而且较为昂贵。
发明人经过研究发现，若所述凹陷部分形成于鳍部的底部，即形成如图10所示的结构，不仅工艺容易实现，还能够使栅极结构部分伸入鳍部的底部，改善短沟道效应，从而进一步地改善鳍式场效应晶体管的性能。
下面，以形成如图10所示的结构为例，对本发明的实施例进行进一步说明。
参考图8，在所述介质层210上形成阻挡层230，所述阻挡层230与所述鳍部220的侧壁接触，且其厚度小于所述鳍部220的高度。
形成所述阻挡层230的步骤可以包括：利用覆盖式沉积（BlanketDeposition）工艺沉积阻挡层的材料，形成覆盖所述介质层210以及所述鳍部220的阻挡层；对该阻挡层进行化学机械研磨，使其上表面与所述鳍部220的上表面齐平；以及进行回刻蚀工艺，形成与所述鳍部220的侧壁接触且厚度小于所述鳍部220高度的阻挡层230。上述步骤为本领域的技术人员所熟知，可操作性强，而且可以较方便地形成厚度可控的阻挡层。所述阻挡层230的厚度决定了后续形成的凹陷部分的尺寸，在本发明的一个实施例中，所述阻挡层230的厚度为所述鳍部220的厚度的5%至85%。以28纳米节点工艺为例，所述阻挡层230的厚度范围是10埃至300埃。
在本发明的一个实施例中，所述阻挡层230的材料是氧化硅或氮化硅。需要说明的是，所述阻挡层230的材料与所述介质层210的材料应不同，以便于在后续的刻蚀工艺中得到较高的选择比。
参考图9，在所述鳍部220的上表面以及未被所述阻挡层230覆盖的部分侧壁上形成掩膜层240。
形成所述掩膜层240的步骤可以包括：在所述鳍部220和所述阻挡层230上沉积掩膜层的材料；以及进行光刻、刻蚀工艺，形成所述掩膜层240。
在本发明的一个具体实施例中，所述掩膜层240的材料是氧化硅或氮化硅。需要说明的是，所述掩膜层240的材料应与所述阻挡层230的材料不同，以便于在后续的刻蚀工艺中得到较高的选择比。
在本发明的又一实施例中，所述掩膜层240的材料是氧化硅，而且通过热氧化法形成，即通过热氧化法氧化所述鳍部220的上表面以及未被所述阻挡层230覆盖的侧壁，形成氧化硅层。与上述通过沉积和光刻、刻蚀工艺形成所述掩膜层240相比，热氧化工艺简单，而且避免部分掩膜层的材料残留在所述阻挡层230上。
在本发明的一个具体实施例中，所述热氧化法采用快速热氧化工艺，参数包括：温度范围700℃至1400℃，时间5秒至30分钟。在本发明的又一实施例中，所述热氧化工艺采用高温炉管氧化工艺，其参数包括：温度范围700℃至1400℃，时间1秒至10小时。以此形成的氧化硅层（即所述掩膜层240）的厚度范围适中，足够在后续工艺中保护被其覆盖的鳍部，也不会过多地消耗鳍部的材料，造成不良影响。在本发明的一个具体实施例中，所述掩膜层240的厚度范围是10埃至50埃。
参考图10，去除所述阻挡层230，形成开口250，暴露出所述鳍部220的部分侧壁。
可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀工艺去除所述阻挡层230。
如上所述，在本发明的实施例中，所述介质层210和所述阻挡层230的材料不同，分别为氧化硅和氮化硅中的一种，且所述介质层210和所述掩膜层240的材料相同。去除氧化硅而保留氮化硅、或者去除氮化硅而保留氧化硅的工艺为本领域的技术人员所熟知，因此，在去除所述阻挡层230时，所述介质层210和所述掩膜层240能够被保留。
由此，形成如图10所示的结构。
然后，结合参考图4和图11，以所述掩膜层240为掩膜，去除部分所述鳍部220，形成凹陷部分261。具有凹陷部分261的鳍部为Ω形鳍部260。
在去除部分所述鳍部220时，所述介质层210保护所述半导体衬底200。
所述Ω形鳍部260的侧壁具有凹陷部分261，由此得到更大的表面积，从而增大了与后续形成的栅极结构的接触面积，增大了对驱动电流的控制能力。
在本发明的一个实施例中，利用各向异性刻蚀工艺形成所述凹陷部分261。例如，利用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液，由于TMAH溶液对硅材料沿不同晶面方向的刻蚀速度具有较大的差异，因此，得到的凹陷部分261如图11所示，具有与所述半导体衬底200的上表面垂直的侧壁。
在本发明的一个具体实施例中，所述各向异性刻蚀工艺利用质量百分数为1%至80%的TMAH溶液作为刻蚀剂，刻蚀温度范围是5℃至100℃，形成的所述凹陷部分261的厚度t1为所述鳍部260的厚度t2的5%至85%，所述凹陷部分261的宽度w1为所述鳍部260的宽度w2的5%至45%。以28纳米节点工艺为例，所述凹陷部分261的厚度t1范围是10纳米至300纳米，宽度w1范围是10纳米至150纳米。
也可以利用各向同性刻蚀工艺去除部分所述鳍部220。如图12所示，通过各向同性刻蚀工艺形成的Ω形鳍部260′侧壁的凹陷部分261′具有弧形的轮廓，使所述Ω形鳍部260′和所述介质层210之间的过渡较为平缓，避免了应力集中现象，进一步改善鳍式场效应晶体管的性能。
在本发明的一个具体实施例中，所述各向同性刻蚀工艺包括：主刻蚀气体为HBr和O2，腔室内的压力范围是10托至100托，电场能量范围是100W至800W，偏压范围是100V至300V，刻蚀时间范围是2秒至1小时。
本发明的实施例进一步包括形成栅极结构、源极和漏极的步骤，为本领域的技术人员所熟知，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
首先，本发明的实施例提供了一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，使其最终形成的鳍部具有凹陷部分，与栅极结构的接触面积更大，从而增强了对驱动电流的控制能力，改善了器件性能。进一步地，本发明的一个实施例中，先形成与鳍部侧壁接触的阻挡层，然后通过热氧化法氧化鳍部的上表面以及未被所述阻挡层覆盖的侧壁，之后，去除阻挡层，形成暴露部分所述侧壁的掩膜层。通过上述方法形成所述掩膜层，能够通过改变所述阻挡层的厚度控制暴露的部分侧壁的尺寸，从而较为方便地控制凹陷部分的尺寸。而且，凹陷部分形成在鳍部侧壁的底部，能够使栅极结构伸入鳍部的底部，改善短沟道效应。而且，通过热氧化法形成所述掩膜层，工艺简单，可操作性强。
进一步地，通过各向同性刻蚀工艺形成凹陷部分，使所述凹陷部分具有弧形的轮廓，不仅增大了鳍部与栅极结构的接触面积，还避免了Ω形鳍部的侧壁与介质层的上表面之间构成直角，即减少了应力集中现象，降低了裂缝产生的可能性，进一步改善器件的性能。
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 (13)
1.一种Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有介质层以及在所述介质层上的鳍部；
形成覆盖所述鳍部上表面及侧壁的掩膜层，且所述掩膜层暴露所述鳍部的部分侧壁；以及
以所述掩膜层为掩膜，去除部分所述鳍部，在所述鳍部的侧壁形成凹陷部分。
2.如权利要求1所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，形成所述掩膜层的步骤包括：
在所述介质层上形成阻挡层，所述阻挡层与所述鳍部的侧壁接触，且厚度小于所述鳍部的高度；
在所述鳍部的上表面及未被所述阻挡层覆盖的侧壁上形成掩膜层；以及
去除所述阻挡层。
3.如权利要求2所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，形成与所述鳍部的侧壁接触且厚度小于所述鳍部高度的阻挡层的方法包括：
沉积阻挡层的材料，形成覆盖所述介质层以及所述鳍部的阻挡层；
对所述阻挡层进行化学机械研磨，使阻挡层的上表面与所述鳍部的上表面齐平；以及
进行回刻蚀工艺，形成与所述鳍部的侧壁接触且厚度小于所述鳍部高度的阻挡层。
4.如权利要求2所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为氮化硅。
5.如权利要求2所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，利用热氧化法在所述鳍部的上表面及未被所述阻挡层覆盖的侧壁上形成掩膜层。
6.如权利要求5所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述热氧化法采用快速热氧化工艺或高温炉管氧化工艺。
7.如权利要求1所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，利用各向同性刻蚀工艺去除部分所述鳍部，形成所述凹陷部分。
8.如权利要求7所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述各向同性刻蚀工艺包括：主刻蚀气体为HBr和O2，腔室内的压力范围是10托至100托，电场能量范围是100W至800W，偏压范围是100V至300V，刻蚀时间范围是2秒至1小时。
9.如权利要求1所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，利用各向异性刻蚀工艺形成所述凹陷部分。
10.如权利要求9所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述各向异性刻蚀刻蚀工艺利用质量百分数为1%至80%的四甲基氢氧化铵溶液作为刻蚀剂。
11.如权利要求1所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述凹陷部分的高度是所述鳍部的高度的5%至85%，所述凹陷部分的宽度是所述鳍部的宽度的5%至45%。
12.如权利要求1所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料与所述掩膜层的材料相同。
13.如权利要求1所述的Ω形鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，具有鳍部和介质层的半导体衬底的形成工艺具体包括：
提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括底部硅层，在所述底部硅层上的绝缘层以及在所述绝缘层上的顶部硅层；以及
利用光刻、刻蚀工艺图形化所述顶部硅层，形成鳍部，所述底部硅层作为所述半导体衬底，所述绝缘层作为所述介质层。
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